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基于CCD的三维形面测量系统研究

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    标    签:三角测距CCD

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    介绍利用ccd进行三角测距的好文章

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    DO I :10.13873/j .1000 -97872003.09.020  1 2          传感器技术(Jour nal of T ra ns du ce r T ec hn olo gy)          2003 年 第 22 卷 第 9 期 基于 CCD 的三维形面测量系统研究 童  亮 , 陆际联 (北京理工大学 机器人研 究中心 , 北京 100081) 摘 要 :首先介 绍了根据激光三角测距原理并采用片光照明 、面阵 CCD 接收的三维形面检 测原理及对 映 函数法 原理 , 系统只用一个 CCD 测量头即可完成对物体进行 360°的二维扫描 , 使测量系统结构 简单 、便 于 控制 。 其次分析了影响其测量准确度的几个主要因素 , 针对其 各自的特点 给出了相 应的解 决途径 。 实 验 证明系统设计方法是可行的 。 关键词 :三维形面 ;电荷耦合器件 ;光切法 ;对映函数法 中图分类号 :T P391   文献标识码 :A    文章编号 :1000 -9787(2003)09-0012 -04 Research on 3D shapes measuring system based on CCD TONG Liang , L U Ji-lian (The Robotics Res Center, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081 , China) Abstract:The principle of 3D shapes measurement based on laser-triangula tio n w ith sheet beam and face-ar ray CCD is introduced and the metho d of cor responding function is also provided.T he advantage using sheet beam and single face-array CCD camera is that the 2D scanning can be finished by moving object relative to the CCD 360°so that the measuring system is simplified and can be conveniently operated.T he factors of influencing and limiting the accuracy of measurement are discussed.Some ways to overcome these problems are presented .The ex periment results show these ways are feasible . Key words:3D-shapes ;charg e coupled device(CCD);light-sectioning method;method of cor responding function 0  引  言 三维测量方法主要有接触式和非接触式两种方 法[1] 。三维接触式测量方法是由传统的探针式接触测 量方法发展而来的, 目前三坐标测量机是该方法发展 的成功典范和主要的使用工具 ;非接触法测量三维工 件方法主要是指光学方法。传统的接触测量方法中有 测量力的存在 , 测量时间长 , 需要对测头的半径的补 偿, 不能测量软质材料等局限 ;光学的三维面形检测, 由于其非接触、高准确度 、易于自动控制等优点 , 日益 受到人们的重视 。现有的方法包括莫尔条纹法 、傅里 叶变换轮廓术、位相测量轮廓术 、光学三角测量法等。 就其本质言 , 都是通过分析受到三维物体面形调制的 空间光场 , 从而获得高度信息 。这些方法已广泛地应 用于机器人视觉 、实物仿形 、自动加工等领域 。 在光学三角测量法中 , 必须把探测器记录到的 物面上的光点的位置信息转换成高度信息 , 为了克 服系统误差 , 需要预先制作一个高度映射表 , 类似于 位相测量轮廓术中的位相 -高度映射表 。通常的方 法查表时只能得到某一点的高度值 , 而该点的横向 位置却不能得到 。 本文提出的全场直接函数映射方 法 , 利用激光片光在 CCD 探测器表面形成的光带 , 能够同时得到一点的高度值和一维横向坐标值 , 加 上由平移工作台得到的另一维横向坐标值 , 便能准 确地确定出物面各点的三维坐标 。 1  三维形面测量系统原理 1 .1  测量系统组成 激光扫描法采用了光学中著名的三角关系[ 2] , 其 典型的测量范围是 ±5 mm 到 ±250 mm , 相对测量准确 度是 0 .01 %, 测量频率为 40 kHz 或者更高 。用电荷耦 合器件(CCD)或者位置敏感器件(PSD)进行数字点激 光图像采集 。如采用 PSD , 测量准确度 主要依赖于 PSD 上图像的准确度 , 聚束点反射和散射光也是影响 测量准确度的重要因素 。由于基于敏感元件的 CCD 避免了聚束点反射和散射光 , 并且单个像素的分辨力 高 , 所以采用 CCD 可以得到更高的测量准确度 。 CCD 是一种阵列式的光电耦合器件 , 在采集图 收稿日期 :2003-03 -31 第 9 期                童  亮等 :基于 CCD 的三维形面测量系统研究                13  像时 , 类似传统相机底片的感光作用 。 当评估扫描 器的分辨力(scanning resolution)时 , 实际上也就是 评价 CCD 的分辨能力 。图像处理就是利用摄影机 (CCD camera)将任何视频信号源转换成模拟信号 , 此信号经过图像处理卡及计算机将 CCD 采集的图 像像素经过图像及数据处理 , 便可以将得到的图像 像素转换成样品所需部份的三维轮廓图像 。 三维形 面测量系统原理图如图 1 所示 。 图 1  三维形面测量系统原理图 Fig 1  Pri nciple diagram of 3D shapes measurement system 1 .2  测量系统测量原理 光切法(light-sectioning method), 又称 结构 光 图像法(st ruct ted light image), 是近 10 年来发展起 来的一种非接触摄像测量法[ 3] , 原理如图 2 所示 。   通过几何关系可得 OH =f s(inOγI +-Δf )siΔnsαicnoαsγ, 式中  f 为成像系统的焦距 , mm ;OI 为成像系统到 参考平面的距离 , mm ;γ为激光器射出的激光束与 CCD 摄象机镜头主光轴相交角 , rad ;α为象点 N 所 形成的轨迹与透镜主光轴夹角 , rad ;OH 为物面到 参考平面的距离 , 即物面高度 , rad 。 图中 M 点为参考平面上O 点在 CCD 平面上所 成的像点 , N 点为在参考平面 处放上被测物体后 , 物面上的 H 点在 CCD 平面上所成的像点 , Δ为M 和 N 之间的距离 , mm 。 2  全场对映函数法测量原理 全场对映函数法 , 是找出测量曲面的空间坐标 与 CCD 像平面图像坐标之间关系的一种方法 。 基 于成像原理 , 在 CCD 的测量范围内空间中的任意一 点 , 皆会对映成像到 CCD 像平面上的一个像素上 , 如图 4 所示 。 图 2  光切法测量原理图 Fig 2  Principle diagram of li ght-sectioning method   光源发出的光经柱面镜形成平面光 , 照射到被 测物体上 , 在被测物体的表面上产生一条极薄的明 亮光带 , 被 CCD 摄像机获取移动被测物体或摄像机 让光平面按一定间隔扫描物体表面 , 便可获得 360° 被测物体截面的图像 , 然后由计算机进行图像图形 处理 , 把这些截面的数据重建成三维实体 , 从而获取 被测物体的三维信息 。 采用激光片光的光学三角测量法如图 3 所示 , 激光束沿投影光轴投射到物面 , 在另一个方向上 , 光 场的像被 CCD 接收 。 图 4  对映函数法空间特征平面 Fig 4  Space characteri stic plane of corresponding function method   选取空间中已知距离的特征点构成一特征平 面 A , 用 CCD 进行图像采集 , 因为是透视成像 , 这些 整齐排列的特征点在 CCD 像平面呈现出如图 4 所示 B 排列。 相机内所有 CCD 像素的测量点 , 经过数字图像 处理并正确补齐空白数据点部分所对应的数值 , 则 可正确对映被测物体相关的空间坐标值 。如此再配 合激光光束扫描技术 , 即可据此进行物体外型轮廓 的扫描测量 。 物理空间特征平面和 CCD 像素特征平面测量 系统如图 5 。 图 3  光学三角法测量原理图 Fig 3  Principle diagram of laser-triangulation method 图 5   特征平面测量系统原理图 Fig 5  Pri nciple diagram of characteri stic plane measuring system  1 4                     传 感 器 技 术                     第 22 卷     系统由横向和纵向精确标尺组成 , 能够精确标 辨力 ;(4)投影片光的宽度与稳定性对测量准确度也有 定空间物理坐标 。精确移动横向标尺并用 CCD 进行 较大的影响 ,而测量仪器及环境决定着片光质量 。 记录 , 即可测量出测量范围内的全场对应物理空间 特征平面和 CCD 像素特征平面 。 对图 4 的 B 图像平面 , 设其上每一个特征点 k 在图像平面B 的坐标(uk , vk)皆能对映至空间平面 A 之坐标(Sk , Rk), 利用这些离散的映点 , 图像平面 B 与空间平面 A 的对映关系能够用平方回归多项式 表示 , 即 nm R(u , v)= ΢ ΢cijui vj , j =0 i =0 mn S (u , v)= ΢΢d ijuiv j , i =0 j =0 式中  回归系数 cij 与 dij 可由最小回归误差求得 , 当求出回归系数后 , 整个对映关系即能够完整地建 立起来 。图像上测得的任一点的坐标(u , v ), 都可由 此回归多项式求得其被测物体上对应的空间坐标点 针对误差来源(1),(3),(4), 本系统采用了自行 研制的精密速率转台 、WA TC640 ×520 面阵 CCD 摄 像机及精确片光产生系统 , 最大限度地减少由于设 备本身原因引起的误差 。同时采用计算机拟合与插 值的方法来增加 CCD 的像元数 , 提高 CCD 分辨力 。 由于一个光斑占几个像元 , 用其质心作为定位标准 可将准确度提高到亚像元级(0 .02)。此外 , 用解调法 与概率统计法也可提高 CCD 分辨力[ 4] 。 散斑引起的噪声误差是指当激光束(片光)投 射到物面上时[ 5] , 若物面粗糙度与光波长相比足够 大 , 则物面散射的光场服从圆复高斯分布 , 光波干涉 的结果引起像点光场随机起伏 , 形成散斑噪声 , 造成 像面光强分布不均 。当移动物面时 , 散斑随之变化 , 由此不均匀的散斑像计算出的像点位置 (质心 )在 坐标(S , R )。在实际三维轮廓测量前 , 必须 先建立 测量曲面的空间坐标与探头 CCD 像平面像素坐标 间的对映函数关系(方法如前述)。由于特征点是呈 一个小范围内无规则抖动 , 与物点的几何像之间有 一定误差 。Hausler 从理论与实验上得到同样的散斑 抖动公式为 格子点状的分布 , 其宽度较大而不可能只成像在单 独一个像素点上 , 所以必须在一团亮点中找出其合 理且正确的中心位置 , 故可以先将同一条线上各点 以最小平方回归的原理拟合出此线的方程式 , 再求 出各线之间的交点 。这样可以精确地确定出特征格 子在 CCD 像平面上的位置 , 甚至可以达到其分辨力 十分之一像素的准确度 。 3  系统误差分析及处理 在实际测量中 , 系统的主要误差来自于以下几 个方面(1)机械结构误差 , 主要包括机械加工物理 误差及第三维坐标测量的位移误差 ;(2)粗糙的物 面使得投影在它上面的光斑表现为散斑 , 散斑的存 在又使得探测器 CCD 像面光强分布不均 , 由其计算 δx = c ×2πsλin u , δz = c ×2πsinλusinθ, 式中  c 为散斑对比度 ;δz 为物面相对基准面的微 小深度变化 ;δx 为由 δz 引起的散斑像 质心偏移量 (无规则变化);u 为成像孔径 ;θ为投影光轴与物镜 光轴之间的夹角 。 按照上述公式 , 为了减小散斑引起的误差 , 可采 取的方法有 : (1)选择一个大通光孔径 u ;(2)增大 θ角 , 但 为了减小测量盲区 , θ角不可太大 ;(3)减小散斑对 比度 c 。c 与光源的相干度有关 , 可采用减小光源的 空间相干度和用非相干光照明来解决而牺牲横向分 出的光斑重心同物点的几何像 之间存在着一 定误 辨力 。 差 , 再由三角测距公式算出的物面深度变化也就存 在相应误差 ;(3)CCD 光敏元之间的中心距 决定着 像点位移的分辨力 , 进而决定了测量系统的分辨力 , 4  误差标定 本系统对一标准计量块进行了测量 , 经过精确 的仪器检测 , 并对系统误差进 行了标定 , 其结果如 因而提高 CCD 的分辨力可大大提高测量系统的分 表 1 , 表 2 所示 。 表 1  高度误差标定结果 Tab 1  Demarcating resul t of height error 参  数 实际值(mm)  11 .482 测量值(mm)  11 .500 绝对误差(mm) 0 .018 18 .360 18 .409 0 .050 21 .800 21 .818 0 .018 26 .003 25 .952 0 .051 数       据 28 .140 30 .480 28 .095 30 .476 0 .045 0 .004 39 .102 39 .047 0 .055 45 .594 45 .681 0 .097 52 .401 52 .391 0 .010 59 .001 58 .913 0 .088 第 9 期                童  亮等 :基于 CCD 的三维形面测量系统研究                15  参  数 实际值(mm)  测量值(mm)  绝对误差(mm) 1 .424 1 .428 0 .004 1 .781 1 .785 0 .004 表 2  深度误差标定结果 Tab 2  Demarcating result of depth error 5 .819 5 .833 0 .024 10 .016 10 .000 0 .016 数       据 11 .301 12 .341 11 .250 12 .307 0 .049 0 .034 4 .310 4 .333 0 .023 1 .423 1 .428 0 .005 1 .068 1 .071 0 .003 1 .066 1 .071 0 .005   第三维坐标的误差由转台的准确度决定 , 由于 转台本 身的高 准确度 , 第 三维 坐标的 定位 误差 在 0 .02 mm 以下 。 5  结  论 误差标定结果表明系统的相对误差在 0 .1 %~ 0 .3 %之间 , 三维重建后误 差在 0 .4 %以下 。 同时 , 由于系统采用的图像处理卡处理速度为 80 帧/ s , 测 量一个物体仅需要不到 5 s 的时间 , 与其它测量方法 相比具有准确度高 、速度快 、结构简单等优点 , 具有 一定的推广和使用价值 。 参考文献: [ 1]  Yee S R , G riff in P M .Three-dimensional i maging system[ J] .O pt Eng , 1994 , 33 (6):2070 -2075 . 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