用于測(cè)量三維面形的光學(xué)技術(shù)

1被測(cè)面為面形的光學(xué)三維測(cè)量自20世紀(jì)70年代以來(lái)，光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)在高精度、高效率和非接觸性方面取得了高速檢測(cè)，并在產(chǎn)品質(zhì)量、質(zhì)量控制、反射工程、三維測(cè)量等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。但是,現(xiàn)有成熟技術(shù)主要針對(duì)的是漫反射物體,而難以有效地測(cè)量鏡面物體。在工程中,特別是在現(xiàn)代制造業(yè)中,存在大量鏡面物體需要測(cè)量。例如,汽車(chē)工業(yè)中,噴涂車(chē)身、拋光模具等的表面均是鏡面反射性質(zhì)。目前,這類(lèi)零件的測(cè)量一般采用兩種辦法:其一,采用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等接觸式測(cè)量設(shè)備,速度較慢。其二,噴涂其表面,改變其反射特性為漫反射后用光學(xué)方法測(cè)量,這種方法削弱了光學(xué)測(cè)量方法的非接觸優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上,鏡面物體的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)研究已嚴(yán)重滯后于需求的快速增長(zhǎng)。制約其發(fā)展的主要難點(diǎn)是鏡面物體同漫反射物體在反射模型上存在較大差異。圖1(a)是鏡面反射示意圖,圖1(b)是漫反射示意圖。鏡面反射時(shí),光束的反射方向取決于入射方向和物體表面法線方向。這將造成反射光線不能保證被圖像采集系統(tǒng)所捕捉。即使捕捉到反射光線,被測(cè)鏡面物體的面形數(shù)據(jù)也嚴(yán)重依賴(lài)于物面的法向信息,使測(cè)量變得極其困難。現(xiàn)有的鏡面物體光學(xué)三維測(cè)量技術(shù),主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類(lèi)測(cè)量方式。其中,被動(dòng)測(cè)量以“基于光度學(xué)的測(cè)量技術(shù)”和“從鏡面反射成分恢復(fù)面形技術(shù)”為代表。主動(dòng)測(cè)量主要是采用結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù),包括:(1)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù);(2)光帶掃描技術(shù);(3)面結(jié)構(gòu)光技術(shù)。這些技術(shù)主要針對(duì)特定目標(biāo)的測(cè)量,并且大多都只能獲得較低的測(cè)量精度。將分類(lèi)介紹現(xiàn)有的鏡面反射面形光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的基本原理及其特點(diǎn)。2動(dòng)態(tài)測(cè)量2.1對(duì)面形的測(cè)量被動(dòng)測(cè)量方式采用非結(jié)構(gòu)照明方式,由視覺(jué)系統(tǒng)接收來(lái)自場(chǎng)景發(fā)射或反射的光能量。被動(dòng)式測(cè)量鏡面物體三維面形的典型代表是光度學(xué)技術(shù),光度立體法是其中的一種重要方法,該方法采集在不同光照條件下的多幅圖像,利用反射圖和反射模型從圖像的灰度信息恢復(fù)物體的面形。圖2是光度立體學(xué)的原理圖,其中圖2(a)是其空間布置圖,圖2(b)是不同位置的光源照明下采集的圖像。Woodham最早提出用于測(cè)量漫反射物體的光度立體法,只需要三個(gè)點(diǎn)光源照明就可以求解物體面形。一些學(xué)者從該方法出發(fā),提出了測(cè)量鏡面物體的方案。例如Ikeuchi用三點(diǎn)擴(kuò)展光源照射鏡面物體,在被測(cè)物體空間方位和光源位置已知的條件下,建立圖像灰度值與光源輻射能量之間的映射關(guān)系,通過(guò)該映射關(guān)系求解物面方向(surfaceorientation)。該方法對(duì)圖像灰度測(cè)量的精度要求較高,這將直接影響到物面方向的求解精度。Coleman和Jain以及Solomon和Ikeuchi均在其裝置中采用了四點(diǎn)光源順序照射物體以測(cè)量面形,該技術(shù)的關(guān)鍵是分析反射中是否存在鏡面反射成分,并設(shè)定閾值去除該成分,再利用傳統(tǒng)的光度立體法計(jì)算物面方向。不同于上述方法,從圖像明暗恢復(fù)面形技術(shù)是從一幅圖像中的灰度信息計(jì)算物面方向。基于該原理,Babu等用鏡面反射模型估計(jì)鏡平面物體的表面方向,該方法的關(guān)鍵是由圖像的光強(qiáng)等高線分布估計(jì)反射模型參數(shù),利用這些參數(shù)與物面方向之間存在的映射關(guān)系求解物體的表面方向。該方法適合測(cè)量簡(jiǎn)單面形的鏡面物體。獲得物面方向信息后,從已知深度的物面上一點(diǎn)開(kāi)始,對(duì)局部表面法矢求積分就可以得到同一目標(biāo)其他點(diǎn)的深度值。光度立體法和從圖像明暗恢復(fù)面形技術(shù)都需要關(guān)于物體表面性質(zhì)、光源位置等先驗(yàn)知識(shí),因此實(shí)用性受到很大的限制。2.2對(duì)面形的檢測(cè)測(cè)量鏡面物體時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)高光(highlight)等特殊的視覺(jué)和物理特征,這些特征統(tǒng)稱(chēng)為鏡面反射成分(specularity)。已有不少學(xué)者利用鏡面反射成分的特性重建鏡面物體的三維面形。結(jié)構(gòu)化高光技術(shù)(structuredhighlighttechnique)是針對(duì)高光分析的一種技術(shù),該方法的基本原理是采用空間方位已知的多點(diǎn)光源照明,由位置固定的攝像機(jī)采集帶有高光的圖像。通過(guò)光源的順序照明,獲得高光點(diǎn)和光源之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由光源方向和攝像機(jī)方向計(jì)算出鏡面物體的物面方向。多點(diǎn)光源照明可以保證獲取整個(gè)鏡面物體的面形信息,如Nayar等采用了127點(diǎn)光源。這一技術(shù)主要被用于檢測(cè)印刷線路板焊點(diǎn)的特征,難以得到精細(xì)的三維重建結(jié)果。另外,有一些學(xué)者提出從運(yùn)動(dòng)高光恢復(fù)鏡面物體面形(shapefrommovinghighlights)。該技術(shù)的關(guān)鍵是辯識(shí)鏡面反射成分。當(dāng)視點(diǎn)移動(dòng)時(shí),紋理等特征相對(duì)于其所在物面是靜止的。與之不同,高光將隨著視點(diǎn)的移動(dòng)而在鏡面物體表面移動(dòng)。由于攝像機(jī)的空間位置一般很難精確控制,故一般讓攝像機(jī)固定,而控制待測(cè)物體平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。Zheng等將被測(cè)物體放在轉(zhuǎn)臺(tái)上使其旋轉(zhuǎn),連續(xù)采集不同時(shí)刻的圖像記錄物體的運(yùn)動(dòng)信息。通過(guò)分析多幅圖像中高光點(diǎn)的總體運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以定性區(qū)分鏡面物體的面形形狀。利用高光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,通過(guò)微分方程和線性方程組的求解可以直接獲取物體面形。光的偏振分析也是實(shí)現(xiàn)鏡面物體三維重建的重要手段。光線發(fā)生鏡面反射后將發(fā)生偏振。反射光線通過(guò)方向不同的偏振鏡后的強(qiáng)度不但是變化的,而且光強(qiáng)是偏振鏡角度的正弦分布。Umeyama等通過(guò)ICA(independentcomponentanalysis)算法可以精確的分辨出鏡面反射和漫反射成分。而Megumi等只需找出正弦光強(qiáng)分布的最大值和最小值,來(lái)計(jì)算偏振強(qiáng)度(degreeofpolarization)。而由光線的入射角與偏振強(qiáng)度間的映射關(guān)系可以方便地計(jì)算出光線入射角,從而得到物體的表面法矢信息。3結(jié)構(gòu)光技術(shù)的應(yīng)用主動(dòng)式測(cè)量是指測(cè)量系統(tǒng)向待測(cè)物面發(fā)射能量,然后接受其反射而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其中,結(jié)構(gòu)光技術(shù)是一種應(yīng)用較為靈活的技術(shù)。根據(jù)所采用的光源形式,主要有點(diǎn)結(jié)構(gòu)的激光掃描技術(shù),線結(jié)構(gòu)的光帶掃描技術(shù),全場(chǎng)方式的面結(jié)構(gòu)光技術(shù)。根據(jù)面結(jié)構(gòu)光的編碼方式的不同又可分為圖案編碼和相位編碼,后者一般稱(chēng)為條紋投射技術(shù)。3.1掃射面為平面的時(shí)域測(cè)量方式激光以其高亮度和具有良好方向性的特點(diǎn)常被用于物體的三維測(cè)量。針對(duì)鏡面物體,Ryo和Cho采用了圖3所示的測(cè)量裝置。該裝置采用了激光作為掃描光源,通過(guò)電流計(jì)掃描部件精確控制出射光線的方向,對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。光線經(jīng)物面反射后由拋物面鏡會(huì)聚到分布于拋物面鏡中心柱面上的圖像傳感器陣列上,會(huì)聚光線的方向由圖像傳感器測(cè)量。由會(huì)聚光線方向和已知的入射光線方向,通過(guò)復(fù)雜的空間關(guān)系計(jì)算物面上每一點(diǎn)的法線方向,再由數(shù)值積分運(yùn)算獲取物面分布。該裝置原理簡(jiǎn)單,入射光線和反射光線的對(duì)應(yīng)關(guān)系清晰。但測(cè)量系統(tǒng)一次只能測(cè)量一個(gè)物面點(diǎn)的法線方向,測(cè)量效率較低。3.2激光儀成像技術(shù)傳統(tǒng)的激光測(cè)距儀可以有效地用于測(cè)量漫反射物體,面形三維坐標(biāo)的計(jì)算僅僅依賴(lài)于圖像中像素的位置。而鏡面物體測(cè)量不能滿足這一條件,圖像具有嚴(yán)重的多義性。為了解決這一問(wèn)題。Baba等設(shè)計(jì)了一種新型的激光測(cè)距儀,圖4是其光路示意圖。該裝置采用遮擋板(ShieldMask)保證反射光線以相同角度進(jìn)入攝像機(jī)中成像,這樣就簡(jiǎn)化了建立空間坐標(biāo)和像素坐標(biāo)之間映射關(guān)系的難度。通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的映射關(guān)系式便可由激光光帶變形所帶的三維信息計(jì)算鏡面物體的面形。3.3物面法線增強(qiáng)和成像模型逆向跟蹤編碼圖案投影法對(duì)投影圖案進(jìn)行空間編碼,能夠大大提高測(cè)量速度。例如Seulin等用結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)掃描金屬零件表面以檢查曲面缺陷,其系統(tǒng)裝置如圖5所示。對(duì)結(jié)構(gòu)光源進(jìn)行二值編碼,通過(guò)這種特殊的照明系統(tǒng),物體表面的缺陷可以用圖像中黑色背景上的一系列亮點(diǎn)來(lái)表征。該技術(shù)中物體面形由物面法線表示,而求解物面法線的關(guān)鍵是獲取圖像像素對(duì)應(yīng)的光源出射點(diǎn),這可以由圖6的照明和成像模型逆向跟蹤每一條反射光線實(shí)現(xiàn)。另外應(yīng)用某些特殊圖樣對(duì)光源編碼,通過(guò)對(duì)光源和圖像之間進(jìn)行區(qū)域相關(guān)性匹配運(yùn)算也可建立像素點(diǎn)和光源出射點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如Kiyasu等采用了M排列編碼對(duì)鏡面多邊形體的面形進(jìn)行了重建,其測(cè)量精度可以達(dá)到1mm。編碼圖案投影法中,匹配像素和光源出射點(diǎn)的算法比較復(fù)雜,往往通過(guò)對(duì)物面面形和照明成像模型增加一定的約束來(lái)簡(jiǎn)化難度,造成測(cè)量精度不高,應(yīng)用范圍有限。3.4基于條紋交流相移的位相分布測(cè)量鏡面物體三維面形的條紋投射技術(shù)仍然以相位測(cè)量法原理為基礎(chǔ),但是在測(cè)量系統(tǒng)上與測(cè)量漫反射物體明顯不同。這類(lèi)技術(shù)的關(guān)鍵是如何將位相分布轉(zhuǎn)化為物體面形分布,但是其間映射關(guān)系嚴(yán)重依賴(lài)物面法線方向。圖7是反向反射輪廓術(shù)(retroreflectivemetrology)的兩種典型裝置,這兩種裝置中都會(huì)產(chǎn)生反向反射過(guò)程:經(jīng)物面一次反射的光線經(jīng)過(guò)一塊面積較大的反向反射屏幕再次反射后將光柵投射到物面上。攝像機(jī)可拍攝變形條紋圖像,其位相信息同物面的傾角存在一定的映射關(guān)系,計(jì)算出的物面傾角通過(guò)積分過(guò)程獲得面形分布。所不同的是圖7(a)裝置采用點(diǎn)光源,用傅里葉算法從單幅條紋圖中獲得位相分布,而圖7(b)裝置中的投影機(jī)可以實(shí)現(xiàn)相移,可以由相移算法計(jì)算相位分布,這將提高位相計(jì)算的精度。該方法主要用來(lái)測(cè)量類(lèi)平面鏡面物體的面形,測(cè)量深度一般小于10μm。圖8的裝置是將顯示器屏幕(包括計(jì)算機(jī)液晶平板顯示器屏幕等)作為投影設(shè)備。Perard等以貝塞爾曲線多項(xiàng)式擬合被測(cè)曲面,從而為計(jì)算物面曲率提供了足夠的約束條件,這一方法的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。Hung等認(rèn)為光柵條紋的變形是物面的梯度變化所造成的,通過(guò)一個(gè)在線標(biāo)定操作確定位相與物面梯度的映射關(guān)系,求解梯度后以數(shù)值積分方法求解面形,該技術(shù)操作相對(duì)簡(jiǎn)單。上述的幾種方法都使用了積分過(guò)程,只能得到近似的映射關(guān)系,精度有限。為了避免數(shù)值積分計(jì)算,Yamamoto等采用條紋變頻技術(shù),投射兩種不同方向的光柵條紋(如圖9)獲得兩幅變形光柵圖像,用相移算法分別計(jì)算出兩次投射的位相分布。對(duì)于每個(gè)像素點(diǎn)可以從兩次投射中獲得的位相尋找出投射參考光柵平面中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。將一個(gè)空間坐標(biāo)已知的物面點(diǎn)作為迭代過(guò)程的初始條件,計(jì)算出圖像所有像素對(duì)應(yīng)的物面點(diǎn)的空間坐標(biāo)。另外Yamamoto等為了測(cè)量面形變化大的物體如橢球鏡、非球面鏡等,采用了圖10中兩個(gè)半徑不同的圓柱形光柵,是一種非平板投射形式。圓柱光柵半徑的改變?cè)斐蓷l紋投射裝置在特定方向上的運(yùn)動(dòng),由位相計(jì)算出面形分布。這種方法為解決映射關(guān)系復(fù)雜性提供了一種很好的思路。4光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)鏡面物體的光學(xué)三維測(cè)量在工程中有著廣泛的應(yīng)用,但其仍然是一個(gè)尚未完全解決的難題。現(xiàn)系統(tǒng)地評(píng)述了鏡面反射物體三維信息測(cè)量過(guò)程中所用到的各種光學(xué)方法及基本原理。通過(guò)分析可知:現(xiàn)有鏡面物體的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的原理較為分散,許多