3d機器視覺信號的生成方法及3d機器視覺傳感器的製作方法
2023-05-08 23:02:36
專利名稱：3d機器視覺信號的生成方法及3d機器視覺傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及3D機器視覺信號的生成方法及3D機器視覺傳感器。
背景技術：
當前市場上或見報導的工業彩色攝像機(2D)和3D機器視覺傳感器存在的形式及存在的問題
模擬攝像機模擬信號輸出，只帶有二維數據及位置信息； 數字式攝像機各類數字輸出接口，但只輸出二維數據及位置信息； 智能攝像機各類數字輸出接口，只輸出二維數據及位置信息，和圖象分析結果信息； 3D機器視覺傳感器數字接口，能輸出高度信息，但只是一串(或一條線)離散的數據， 不是一幅完整彩色BITMAP圖片。3D智能相機數字接口，能輸出圖象分析結果。上述前面三種都只能輸出二維信息，後面兩種雖然能提供3D的信息，但是具有如下的局限性
3D機器視覺傳感器配合使用線雷射，採用掃描方式，被檢測物體需要相對於雷射發生裝置進行運動，每次只能輸出反映高度信息的一條線的數據，後續還需要進行採集和拼接，才能變成一幅可供分析的圖像。3D智能相機也是配合使用線雷射，採用掃描方式，被檢測物體需要相對於雷射發生裝置進行運動，該方法在相機內對於三維數據進行了拼接，經過分析後直接輸出測量的結果。該方法靈活性和開放性不夠，往往造價較高。
發明內容
本發明的目的是要克服現有技術存在的不足，而提供一種3D機器視覺信號的生成方法及3D機器視覺傳感器。可以實現1.對於一個視野內的檢測，不需要進行掃描，提升檢測的速度。2.輸出結果是連續的圖像，每一幀圖像代表一次採集的結果。3.輸出彩色圖像為後續的檢測和測量提供原始數據。4. 僅需要採集一幀圖像，就可以得到待測物體的深度方向(Z軸)數據。實現本發明的方法是將編碼器、投影裝置、相機、數據傳輸接口、後續處理裝置集成在一個產品裡，再將求取的3D點雲轉化成BMP彩色像素，用不同的色階表現不同的物體高度，從而輸出蘊含三維信息的彩色圖像信號，其中
A.將正弦亮度變化的黑白圖像投射到待測物體表面，包括下列步驟 由計算機生成灰度值呈正弦變化的條紋圖像；
將條紋圖像的灰度變化範圍設為[-π，π ]，每一條條紋的灰度值在圖像中都是唯一
的；
將生成的條紋圖像一次投射在待測物體表面；
B.對物體表面進行拍照並將圖像數據經數據傳輸接口連接到後續處理裝置，包括下列步驟
對物體表面進行拍照，所獲得的二維圖像包含了經過物體表面調製後的黑白條紋相位 fn息；
經過圖像採集和處理單元進行採集並經過處理，獲得物體表面的輪廓數據； 將物體表面的輪廓數據經數據傳輸接口發送到後續處理裝置； C.後續處理裝置將三維數據處理成3D偽彩色圖像，經過對該偽彩色信號進行處理從而完成3D測量或檢測。該方法還包括
在生成偽彩色圖像時，所述的高度(Z)坐標信息通過調色板規定的對應關係，轉化成色階，並由RGB分量表示，它決定了點雲中單個像素的顏色色階，綜合了行列信息(XY)和顏色信息(RGB)的像素集合構成了一幅Bitmap圖，將Bitmap圖加上頭文件和結尾標識之後就構成了不同的彩色圖像格式，即偽彩色圖像。所述的B中涉及的經過處理包括對採集到的黑白條紋圖像的相位求解，利用圖像產生原理中提到的條紋灰度值的唯一性，可以確定每一條黑白條紋在序列中的位置，進而確定經物體輪廓調製後的條紋相位差，獲得條紋相位差之後，再進一步獲得每一條條紋的投影角，通過投影角和高度信息的對應關係，得到每一個像素的三維信息，即行(X)、列 (Y)、高度(Z)坐標信息，視野範圍內的所有含有三維信息的像素構成待測物體的輪廓點雲。實現本發明的3D機器視覺傳感器是將編碼器、投影裝置、相機、數據傳輸接口、 後續處理裝置集成在一個產品裡，最後輸出蘊含三維信息的彩色圖像信號；其中工作外圍系統包括被檢測對象、3D機器視覺傳感器、數據傳輸接口、PC工控機或其他數據處理裝置，其中視覺傳感器包括條紋圖像投射單元和CCD相機單元，，其中條紋圖像投射單元將正弦亮度分布條紋投射到被檢測對象表面，CCD相機單元將檢測對象表面的圖像經過處理後連續輸出，並經數字傳輸接口發送到PC工控機或其他數據處理裝置。該3D機器視覺傳感器還包括
所述的3D機器視覺傳感器，其特徵是所述的條紋圖像投射單元包括正弦亮度分布圖像發生器和圖像投影裝置，其中正弦亮度分布圖像發生器與圖像投影裝置連接；相機單元包括圖像採集及處理單元、CXD前端處理器、CXD感光元件和C Mount鏡頭接口，其中圖像採集及處理單元經CXD前端處理器、C⑶感光元件與C Mount鏡頭接口連接，圖像採集及處理單元還分別與正弦亮度分布圖像發生器和數據傳輸接口連接。所述的條紋圖像投影裝置(投影儀)包括三色LED光源、DLP處理器、輸入接口和變焦式投影鏡頭。本發明具有的有益效果
一次檢測任務內，不需要掃描就能對一個面進行完整的檢測。輸出反映檢測視野範圍內的三維信息，包括平面X Y的坐標信息和高度方向Z的坐標信息。用顏色反映高度方向的信息，內置調色板確定顏色色階和高度的對應關係。輸出的偽彩色圖像可供後續的處理。由於無需相對運動就可以進行檢測，處理速度得以提升。僅需要採集一幀圖像，就可以得到待測物體的深度方向(Z軸)數據。
圖1是本發明的方法流程圖。圖2是本發明的系統框圖。圖3是圖2的視覺傳感器框圖。圖4是3D工業攝像機的示意圖。圖5是圖4的內部結構示意圖。圖中1 PC工控機或其他數據處理裝置、2 3D工業攝像機、21圖像採集及處理單元、22 CXD前端處理器、23 CCD感光元件、24 C Mount鏡頭接口、25正弦亮度分布圖像發生器、26圖像投影裝置、3被檢測對象、4數據傳輸接口、5鏡頭、6相機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。方法及工作原理如下(如圖1所示)
將正弦型亮度分布的黑白投影圖像通過圖像發生器以及投影裝置投射到待測物體表面，該投影裝置主要採用微型投影模塊(包括三色LED光源、DLP處理技術、輸入接口、變焦式投影輸出等)。CCD圖像採集系統(包含CCD感光元件、前端處理器和輸出接口等)對物體表面進行拍照，獲得的二維圖像包含了待測物體表面的灰度圖像和輪廓，經過圖像採集及處理單元進行採集，並經過處理，獲得物體表面的輪廓數據。其處理過程包括對採集到的黑白圖像的相位信息反解出相位值，此相位值中隱含著物體的形貌信息。獲得相位差之後， 再進一步獲得投射光線的投影角，通過投影角和高度信息的對應關係，得到每一個像素的三維信息，即行(X)、列(Y)坐標，還有高度(Z坐標)。視野範圍內的所有含有三維信息的像素構成待測物體的輪廓點雲。高度信息通過調色板規定的對應關係，可以轉化成色階， 由RGB分量表示，它決定了點雲中單個像素的顏色色階。綜合了行列信息(XY)和顏色信息 (RGB)的像素集合構成了一幅Bitmap圖，加上頭文件和結尾標識之後就可以構成不同的彩色圖像格式。彩色圖像經過數字式的傳輸接口連接到後續的處理裝置，從而完成3D測量或檢測。具體步驟如下(如圖1所示) 開始；
標定相機和投影裝置；
獲取相機和投影裝置內外參數；
將正弦亮度分布圖像投影到物體表面；
獲取物體表面的拍照圖像；
對圖像進行濾波和去噪處理；
圖像二值化；
獲取圖像投影投射角；
三維重構計算、獲取三維點雲數據；
用色階表現點雲數據；
數據結果傳輸至後續處理裝置；結束。
系統包括(如圖2所示):被檢測對象3、3D工業攝像機(視覺傳感器》、數據傳輸接口 4、PC工控機或其他數據處理裝置1。工作過程由視覺傳感器的編碼器產生的正弦灰度條紋經過投影裝置(如投影儀)投射到物體表面，相機對物體拍照並輸出連續的圖像經過數字傳輸接口發送到PC工控機或者其他數據處理裝置。機器視覺傳感器包括(如圖3所示)圖像採集及處理單元21、(XD前端處理器22、 C⑶感光元件23、C Mount鏡頭接口 24、正弦亮度分布圖像發生器25、圖像投影裝置沈。工作過程
3D機器視覺傳感器的工作過程外圍系統輸出控制信號給到3D視覺傳感器，觸發視覺傳感器工作；視覺傳感器在被觸發之後，投射正弦亮度分布條紋到被測物體表面，並對物體進行拍照；經過3D視覺傳感器內置的處理系統對拍攝的圖像進行處理，生成含有高度信息的偽彩色圖像；3D視覺傳感器通過數字接口輸出偽彩色圖像；外圍系統通過查詢，當3D機器視覺傳感器準備好偽彩色圖像後，按照通信協議發出傳輸指令，通知3D視覺傳感器輸出偽彩色圖像；3D視覺傳感器接受到傳輸指令後，朝數字通信接口發送偽彩色圖像數據；外圍系統在接收到完整的一幀圖像後，啟動測量或檢測軟體模塊對其進行必要的處理。如此就完成了 3D視覺傳感器的整個工作過程。名詞解釋
標定確定視像空間和物理空間之間的關係，建立量化的傳輸方程。內外參數標定過程中的諸多參數。二值化將一幅圖像按照選定的灰階的閾值，劃分成黑白兩種不同的像素。如何獲取投射光線的投影角通過相位差的計算實現。三維重構就是基於獲取到的二維圖像信息及已知的空間幾何關係，建立起物體的空間(三維)模型。
權利要求
1.一種3D機器視覺信號的生成方法，其特徵是包括將編碼器、投影裝置、相機、數據傳輸接口、後續處理裝置集成在一個產品裡，再將求取的3D點雲轉化成BMP彩色像素，用不同的色階表現不同的物體高度，從而輸出蘊含三維信息的彩色圖像信號；其中A.將正弦亮度變化的黑白圖像投射到待測物體表面，包括下列步驟 由計算機生成灰度值呈正弦變化的條紋圖像；將條紋圖像的灰度變化範圍設為[-π，π ]，每一條條紋的灰度值在圖像中都是唯一的；將生成的條紋圖像一次投射在待測物體表面；B.對物體表面進行拍照並將圖像數據經數據傳輸接口連接到後續處理裝置，包括下列步驟對物體表面進行拍照，所獲得的二維圖像包含了經過物體表面調製後的黑白條紋相位 fn息；經過圖像採集和處理單元進行採集並經過處理，獲得物體表面的輪廓數據； 將物體表面的輪廓數據經數據傳輸接口發送到後續處理裝置；C.後續處理裝置將三維數據處理成3D偽彩色圖像，經過對該偽彩色信號進行處理從而完成3D測量或檢測。
2.如權利要求1所述的3D機器視覺信號的生成方法，其特徵是所述的B中涉及的經過處理包括對採集到的黑白條紋圖像的相位求解，利用圖像產生原理中提到的條紋灰度值的唯一性，可以確定每一條黑白條紋在序列中的位置，進而確定經物體輪廓調製後的條紋相位差，獲得條紋相位差之後，再進一步獲得每一條條紋的投影角，通過投影角和高度信息的對應關係，得到每一個像素的三維信息，即行(X)、列(Y)、高度(Z)坐標信息，視野範圍內的所有含有三維信息的像素構成待測物體的輪廓點雲。
3.如權利要求2所述的3D機器視覺信號的生成方法，其特徵是所述的高度(Z)坐標信息通過調色板規定的對應關係，轉化成色階，並由RGB分量表示，它決定了點雲中單個像素的顏色色階，綜合了行列信息(XY)和顏色信息(RGB)的像素集合構成了一幅Bitmap圖，將 Bitmap圖加上頭文件和結尾標識之後就構成了不同的彩色圖像格式，或稱偽彩色圖象。
4.如權利要求1所述的3D機器視覺信號的生成方法，其特徵是還包括下列步驟 開始；標定相機和投影裝置；獲取相機和投影裝置內外參數；將正弦亮度分布圖像投影到物體表面；獲取物體表面的拍照圖像；對圖像進行濾波和去噪處理；圖像二值化；獲取圖像投影投射角；三維重構計算、獲取三維點雲數據；用色階表現點雲數據；數據結果傳輸至後續處理裝置；結束。
5.實現權利要求1的3D機器視覺信號生成方法的3D機器視覺傳感器，其特徵是將編碼器、投影裝置、相機、數據傳輸接口、後續處理裝置集成在一個產品裡，最後輸出蘊含三維信息的彩色圖像信號；其中工作外圍系統包括外圍被檢測對象、3D機器視覺傳感器、數據傳輸接口、PC工控機或其他數據處理裝置，其中3D機器視覺傳感器包括條紋圖像投射單元和CCD相機單元，其中條紋圖像投射單元將正弦亮度分布條紋投射到被檢測對象表面，CCD 相機單元將檢測對象表面的圖像經過處理後連續輸出，並經數字傳輸接口發送到PC工控機或其他數據處理裝置。
6.如權利要求5所述的3D機器視覺傳感器，其特徵是所述的條紋圖像投射單元包括正弦亮度分布圖像發生器和圖像投影裝置，其中正弦亮度分布圖像發生器與圖像投影裝置連接；相機單元包括圖像採集及處理單元、CXD前端處理器、CXD感光元件和C Mount鏡頭接口，其中圖像採集及處理單元經CXD前端處理器、C⑶感光元件與C Mount鏡頭接口連接， 圖像採集及處理單元還分別與正弦亮度分布圖像發生器和數據傳輸接口連接。
7.如權利要求6所述的3D機器視覺傳感器，其特徵是所述的正弦亮度分布圖像投影裝置包括三色LED光源、DLP處理器、輸入接口和變焦式投影鏡頭。
全文摘要
一種3D機器視覺信號的生成方法，包括A.將正弦亮度變化的黑白圖像投射到待測物體表面，包括下列步驟由計算機生成灰度值呈正弦變化的條紋圖像；將條紋圖像的灰度變化範圍設為[-п，п]，每一條條紋的灰度值在圖像中都是唯一的；將生成的條紋圖像一次投射在待測物體表面；B.對物體表面進行拍照並將圖像數據經數據傳輸接口連接到後續處理裝置，包括下列步驟對物體表面進行拍照，所獲得的二維圖像包含了經過物體表面調製後的黑白條紋相位信息；經過圖像採集和處理單元進行採集並經過處理，獲得物體表面的輪廓數據；將物體表面的輪廓數據經數據傳輸接口發送到後續處理裝置；C.後續處理裝置將三維數據處理成3D偽彩色圖像，經過對該偽彩色信號進行處理從而完成3D測量或檢測。
文檔編號H04N15/00GK102316355SQ20111027241
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者丁少華, 李克天, 歐陽祥波, 陳健 申請人:丁少華