一種三維檢測裝置及方法與流程
2023-08-11 10:57:56 1
本發明屬於機器視覺領域，涉及一種三維檢測裝置，尤其涉及一種採用彩色編碼照明技術的三維檢測裝置及方法
背景技術：
：器視覺檢測是用機器代替人眼來做測量和檢測的高新技術。基於機器視覺的產品檢測，有利於工業自動化生產，具有非接觸、無需標記的優點。所以，在現代工業流水線生產中，機器視覺技術被廣泛應用在產品質量檢測和工業生產在線監控等領域。其中，以結構光為基礎的三維測量在實際中被廣泛使用。但是存在著以下問題：(1)測量精度受到物理光學的限制難以提高(2)遮擋和對應點匹配難以解決(3)視場不大(4)系統的複雜性較高。結構光法是一種主動式三角測量技術，其基本原理是由結構光投射器向被測物體表面投射可控制的光點、光條或光面結構，並由圖像傳感器(如攝像機)獲得圖像，通過系統幾何關係，利用三角原理計算得到物體的三維坐標。結構光測量方法在實際三維測量中被廣泛使用，但是測量精度受物理光學的限制，存在遮擋問題，測量精度與速度相互矛盾，難以同時得到提高。目前結構光主要有四種基本的照明形式：第一種是點結構光。雷射器發出的光束投射到物體上產生一個光點，光點經攝像機的鏡頭成像在攝像機的像平面上，形成一個二維點。攝像機的視線和光束在空間中於光點處相交，形成一種簡單的三角幾何關係。通過一定的標定可以得到這種三角幾何約束關係，並由其可以唯一確定光點在某一已知世界坐標系中的空間位置。由於需要通過逐點掃描物體進行測量，圖像攝取和處理需要的時間隨著被測物體的增大而急劇增加。第二種是線結構光。投射器向被測物體表面投射一個片狀光束，光條由於物體表面深度的變化以及可能的間隙而受到調製，表現在圖像中則是光條發生畸變和不連續，畸變的程度與深度成正比，不連續則顯示出了物體表面的物理間隙。本質上就是從畸變的光條圖像信息中獲取物體表面的三維信息。實際上，線結構光也可以說是點結構光的擴展。過相機光心的視線束在空間中與雷射平面相交產生很多交點，在物體表面處的交點則是光條上眾多的光點，因而便形成了點結構光模式中類似額度眾多的三角幾何約束。很明顯，與點結構光模式相比較，線結構光模式的測量信息量大大增加，而其實現的複雜性並沒有增加，因而得到廣泛應用。第三種是多線結構光。多線結構光是光帶模式的擴展。投射器向被測物體表面投射多條光條，其目的一方面是為了在一幅圖像中可以處理多條光條，提高處理效率，另一方面是為了實現物體表面的多光條覆蓋從而增加測量的信息量，以獲得物體表面更大範圍的深度信息。第四種是面結構光。投射器投射一個二維圖形到被測物體表面，這樣不需要進行掃描就可以實現三維測量。當投影的結構光圖像比較複雜時，為了確定物體表面點與其圖像像素點之間的對應關係，需要對投射的圖案進行編碼，因而這類方法又稱編碼結構光測量法。圖案編碼分為空域編碼和時域編碼。空域編碼只需要一次投射就可以獲得物體深度圖，適合動態測量。時域編碼需要將多個不同的投射編碼圖案組合起來解碼。近年來，伴隨著雷射技術、計算機技術以及圖像處理等高新技術的發展，光學非接觸式測量技術得到廣泛的應用，尤其是以結構光照明三維成像系統為代表的三維測量技術得到了較大發展。隨著計算機、光學元器件的性價比大幅提高，結構光照明三維成像系統的實用性、商業性日益明顯，但此技術中仍存在著諸多問題，亟待解決。大致可以概括為以下兩個方面：1、遮擋問題由於結構光照明三維成像系統是基於光學三角法進行測量，投影儀和攝像機之間存在著一定的夾角，通過拍攝受待測物體表面調製而變形的圖案，解出包含在變形圖案中的投影儀坐標信息，然後根據投影儀坐標和高度映射關係來獲取物體三維面形信息。此時若物體表面的高度劇烈變化或者不連續，便會造成陰影、遮擋等問題。增加投影儀和攝像機之間的夾角，可以提高系統的測量精度，但同時也導致了更多的遮擋和陰影，局部區域的測量數據不可靠。2、對應點匹配問題在面結構光照明三維成像系統工作過程中，通過編碼來確定投影儀與攝像機的對應點，因此可靠的對應點匹配關係是結構光照明三維成像系統測量中的一個極其重要的問題。實際中，由於陰影、遮擋、噪音及局部採樣不足等原因，造成解碼錯誤，導致對應點的誤匹配。技術實現要素：本發明的主要目的在於提供一種三維檢測裝置，其採用彩色編碼三維檢測技術，以解決結構光照明三維成像技術中的遮擋問題及對應點匹配問題，提高了測量數據的可靠性。為了實現上述目的，本發明提供了一種三維檢測裝置，其包括：成像裝置，彩色光源裝置，處理裝置，所述成像裝置，採集彩色光源裝置作用在被測物上的彩虹條紋，並傳輸至處理裝置，以進行彩色編碼，並轉換為HSV，以在色調H分量上與預設閥值比對。進一步的，所述彩色光源裝置包括：至少三組顏色不同的光源模組。進一步的，所述光源模組分別採用R、G、B三色LED。進一步的，各所述光源模組呈環狀，具有不同直徑，並相互間隔同軸設置，且相互間至少部分不重疊遮擋。進一步的，所述成像裝置的取景方向設在所述環狀光源模組的中軸，以透過所述環狀光源模組中心孔向下取景。進一步的，所述成像裝置與所述彩色光源裝置及被測物基本保持在同一垂直線。進一步的，所述成像裝置為攝像機。進一步的，所述光源模組內設驅動模組，以控制所述光源模組輸出的顏色。為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，提供了一種三維檢測方法，其特徵在於，包括步驟：S1採集至少三種顏色光源作用於被測物上的彩虹條紋；S2進行彩色編碼，並轉換為HSV；S3在色調H分量上與預設閥值對比。進一步的，所述S1採集RGB光源作用於被測物體上的彩虹條紋。通過本發明提供的一種三維檢測裝置及方法，能夠極大的減小陰影、遮擋、噪音等因素對檢測結果的影響，並最大程度簡化三維測量方式，且算法簡單，實際應用價值較高。附圖說明構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：圖1為結構光三角法原理示意圖。圖2為點結構光原理示意圖。圖3為線結構光原理示意圖。圖4為多線結構光原理示意圖。圖5為網格結構光原理示意圖。圖6為本發明的一種三維檢測裝置示意圖。圖7為本發明的一種三維檢測裝置檢測流程示意圖。圖8為HSV顏色空間模型示意圖。圖9至圖12為本發明的一種三維檢測裝置對被測零件正反面邊緣彩色編碼之圖和RGB、HSV顏色空間直方圖。圖中標號：1為成像裝置，2彩色光源裝置，3為被測零件，4為第一組環狀光源模組，5為第二組環狀光源模組，6為第三組環狀光源模組。具體實施方式需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。為了使本領域的技術人員更好的理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，在本領域普通技術人員沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明的保護範圍。需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。圖1～圖5分別介紹了結構光三角法原理以及四種基本的結構光照明形式。圖6為本發明的一種三維檢測裝置的較佳實施方式，其中該三維檢測裝置採用彩色編碼三維檢測技術，其能夠對被檢測物的差異進行高效識別，在應用中可以作為自動化產線中的品質鑑別或特徵識別等功能裝置，本實施例中以對一具有肉眼難以辨別特徵的金屬零件(以下簡稱被測零件3)進行正反面的識別為例說明。具體的，該三維檢測裝置包括：成像裝置1，其設置在該被測零件3垂直位上方，本實施例優選攝像機，彩色光源裝置2，設置在該成像裝置1與該被測零件3之間。其中該彩色光源裝置2優選採用RGB三色LED光源製成，呈三組半徑不同的環狀光源模組，且相互之間不重疊遮擋或至少部分不重疊遮擋，此外該三組環狀光源模組相互同軸，並間隔。具體來說，本實施例中第一組環狀光源模組4設為紅色，第二組環狀光源模組5為綠色，第三組環狀光源模組6為藍色的排布位置為例，該三組環狀光源模組每組分別輸出RGB中的一種顏色，通過該環狀光源模組內設的驅動模組，控制變色，以產生多樣化的顏色輸出，因此當被測物顏色與RGB中某色重疊時，為了提高檢測效率可及時變化顏色輸出。進一步的該成像裝置1的取景方向設置在該三組環狀光源模組的中軸，以透過該環狀光源中心孔向下取景，具體來說，該成像裝置1，彩色光源裝置2，被測零件3基本保持在同一垂直線，通過此位置設置，能夠很好地解決被測零件3，因表面高度劇烈變化或者不連續而造成的陰影、遮擋等問題，提高了測量數據的可靠性。具體來說，該成像裝置1與彩色光源裝置2的上述位置設置，能使彩色光源裝置2的不同照射角度的入射光在被測零件3邊緣反射後，被成像裝置1捕捉，以在圖像上被呈現出不同寬度的彩虹條紋。當本實施例中被測零件3的正面邊緣帶有圓滑處理的特徵，因而被測零件3邊緣與被測零件3表面存在客觀的較小的弧度或梯度變化，故當該彩色光源裝置2的RGB三色光照射至被測零件3邊緣特徵時，由於各組環狀光源模組位置及直徑尺寸不同，因而所對應的光源入射角也不同的RGB三色光均能在圓弧面或梯度上相應的位置以一條光路反射至相成像裝置1，從而在圖像上呈現出較寬且明顯的彩虹條紋以形成第一彩色編碼。而被測零件3的反面邊緣本實施例中為垂直切割，此處被測零件3的邊緣與被測零件3的表面幾乎成直角，梯度變化較大，故當彩色光源裝置2的RGB三色光照射至物體邊緣時，只有入射角最小的，該第一組環狀光源模組4激發的紅色光線能反射至相機鏡頭，而其他顏色光因入射角較大，無法反射至相機鏡頭，從而在圖像上呈現出較窄且不明顯的彩虹條紋以形成第二彩色編碼。進一步的，該三維檢測裝置還包括：處理裝置，其通過對該成像裝置1採集的彩虹條紋進行計算處理後獲得檢測結果，具體的，以上述該被測零件3正反面檢測流程為例，輔以圖7為參考。首先，通過成像裝置1獲取該彩色光源裝置2向被測零件3投射的三色光照RGB圖像，本實施例中為了更好地獲取被測零件3的正反面邊緣彩色編碼，將圖像由RGB轉換到HSV顏色空間處理。生成HSV顏色空間直方圖，對色調H分量直方圖進行比對分析，通過設定合理閾值獲得檢測結果。進一步的，請參閱圖8為HSV顏色空間模型示意圖。HSV(Hue，Saturation，Value)是由A.R.Smith在1978年根據顏色的直觀特性創建的一種顏色空間，也稱六角錐體模型(Hex-coneModel)。該HSV模型中顏色的參數分別是：色調(H)，飽和度(S)，亮度(V)。1、色調H。用角度度量，取值範圍為0°～360°，從紅色開始按逆時針方向計算，紅色為0°，綠色為120°，藍色為240°。2、飽和度S，取值範圍為0.0～1.0，值越大，顏色越飽和。3、亮度V，取值範圍為0(黑色)～255(白色)。RGB到HSV的轉換：V＝max(R,G,B)S=V-min(R,G,B)VifV00otherwise]]>H=60*(G-B)V-min(R,G,B)ifV=R120+60*(B-R)V-min(R,G,B)ifV=G240+60*(R-G)V-min(R,G,B)ifV=B]]>根據上述HSV模型，具體的，請參閱圖9是被測零件3正反面邊緣彩色編碼圖和RGB、HSV顏色空間直方圖。由被測零件3正反面邊緣彩色編碼圖可以看到，該彩色光源裝置2的該三組環狀光源模組，從不同照射角度入射不同顏色光在被測零件3邊緣反射後呈現出不同寬度的彩虹條紋。被測零件3正面邊緣帶有圓滑處理、梯度變化較小，故當RGB三色光照射至被測零件3邊緣時，在圖像上呈現出較寬且明顯的彩虹條紋。而被測零件3反面邊緣為垂直切割，梯度變化較大，故當RGB三色光照射至被測零件3邊緣時，在圖像上呈現出較窄且不明顯的彩虹條紋。由RGB顏色空間直方圖可以看到，被測零件3正反面R、G、B三通道分量均無規律可循。而由HSV顏色空間直方圖色調H分量可以看到，被測零件3正反面呈現出了完全不同的特徵分布，進而經過多次檢測及比對即可對需要檢測的被測物進行定標，以便後續自動化檢測識別，故可以很好地區分該被測零件3正反面。當然本領域技術人員應當了解，上述三維檢測裝置除能夠根據被測物體邊緣的彩色編碼進行識別判斷外，也可以用於針對被測物體的被測表面粗糙度檢測。具體的，該彩色光源裝置2的該三組環狀光源模組，從不同照射角度，入射不同顏色光在被測物體表面，其中該被測物體表面具有客觀的坑窪，當光線射入該坑窪地帶後，將引起反射，並在相應位置射入成像裝置1，以獲取不同寬度的彩虹條紋圖像，後經過該處理裝置處理計算後，形成彩色編碼，並將該圖像由RGB轉換到HSV顏色空間處理。生成HSV顏色空間直方圖，對色調H直方圖進行對比分析，通過設定合理閾值獲得檢測結果，以對當前被測物體表面粗糙度形成判斷。通過本發明提供的一種三維檢測裝置及方法，免去通過編碼尋找可靠對應點的匹配關係，且陰影、遮擋、噪音等因素對檢測結果影響較小。以結構光為基礎的三維測量通過系統幾何關係，利用三角原理計算得到物體的三維坐標，複雜性較高。而本發明通過彩色編碼三維檢測技術最大程度簡化三維測量，算法簡單，實際應用價值較高。上述實施例中，雖舉例對金屬零件進行檢測，但本領域技術人員應當了解，上述技術方案也可用於其他具有光線反射特性的材料零件的檢測，同時上述實施例雖依舉了RGB三色作為該三維檢測裝置的照明光源，但本發明並未對其進行限制，在其他實施方式中，亦可採用區分較為明顯的三種不同顏色的照明光源進行替代，同時也未對該環狀光源模組的形狀進行限制，任何能夠通過不同入射角度以射入不同顏色光在被測物體上進行反射後能夠被該成像裝置1所採集，的形狀都再本發明實施例揭露範圍之內。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3