一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法与系统

1.本发明涉及光学测量领域，具体为一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法与系统。


背景技术：

2.物体表面三维形貌测量的方法有接触式和非接触式两大类，随着非接触式测量方法的日益增进，传统的以三坐标测量机为代表接触式测量方法已经无法满足现代行业的要求。同时以光学为基础的非接触测量方法广泛涌现而且成为主流的测量方法，并广泛应用于各个领域。
3.三维激光扫描技术，依据光学三角形测量原理，利用接收激光脉冲的时间来得到被测物到扫描仪的距离值，获取激光脉冲的水平方向和垂直方向角度，最终得到被测物的空间坐标信息。但是其不足之处在于利用的是单色光，而且不能直接得到被测的高度信息。当被测物是曲面而且遇到曲率较大、圆角较大的地方时，会出现光点反射信号丢失的问题，导致采集的图像点是空图像，还原被测物三维形貌的真实度会大打折扣。
4.摄影测量法，通过视差原理被动测量三维数据的技术，利用两个或以上的视角去观察被测物，获取不同视角下被测物的二维相片，根据三角测量原理得到同一点的坐标偏差，经过算法获得被测物的三维形貌信息。类似于人眼立体视觉成像原理。不足之处在于需要获得至少两个视角的照片，并进行测算组合。被测物的每一个被测点都需要获得至少两个视角的图像，测量的时间较长；当遇到被测物形貌突变处，不容易找到两个合适的视角进行拍照，很多情况下只能找到一个合适的视角。
5.彩色共聚焦在三维形貌测量上的应用，很大程度的弥补了上述三维测量方法的不足。从2017年李煌发表的《彩色共聚焦测量系统光学实验设计与实验研究》一文中利用色散聚焦分离的方式搭建了彩色共聚焦测量平台，并运用rgb颜色空间转换hsi颜色空间的方式，直接一次拍照获得被测物的轴向高度。采用的是垂直照明方式，入射光路和反射光路的重合使得光点信号产生串扰。
6.对于现有技术中的彩色共聚焦测量系统，申请公布号为cn112857263a、申请日为2021-01-25，《一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统及检测方法》中，整个系统中用到了角锥棱镜，使得光线沿着光路返回，光线反射次数越多，光能和光强的削弱效应就越明显；授权公布号为cn214470666u、申请日为2021-01-25，《一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统》中，公开了通过改进的斜照明式的彩色共聚焦测量系统解决了狭小空间受限等测量场景的问题，但是整个测量系统的照明光路和接收光路的角度是固定不变的，遇到无法检测到的竖直面，需要将整个系统旋转90
°
；授权公布号为cn213956279u、申请日为2021-01-25，《一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统》，存在一是整个测量系统的照明光路和接收光路的角度是固定不变的，只是对被测物在竖直方向上移动，当遇到被测物的表面弧度较大处，会产生接收端无法接收到光点信号的问题；二是其反射镜和二维移动平台之间的距离，对被测物的尺寸大小具有较大限制，而且对反射镜的平整度由较高的要求，对于精密测量
中，反射镜的平整度存在一定的干扰。


技术实现要素：

7.本发明目的在于克服现有的固定光路的限制，设计一种可调节的斜照明式的彩色共焦测量系统与方法，实现0-90
°
的光路角度调节，拓展应用在空间上的限制，结合二维二维移动平台自动记录横向和纵向信息，得到被测物的三维形貌。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，包括如下步骤：
9.(a)设置入射光路，通过复色光经过色散管镜将不同波长的单色光聚焦在被测物的表面上方，通过接收光路收集到被测物的表面的反射光并形成彩色图像；
10.(b)所述被测物设置于二维移动平台上，将二维移动平台的运动起点设置为坐标原点，所述二维移动平台带动所述被测物根据预设的扫描路线进行移动，随着被测物的移动同步记录其横向和纵向的位移坐标，作为被测物的相对位置坐标，通过接收光路得到对应的彩色图像集；
11.(c)运用颜色转换算法把图像集的rgb颜色模型转为hsi颜色模型，将颜色信息转化为高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。
12.优选地，步骤(a)中所述入射光路和接收光路竖直空间面内的夹角能够在0-90
°
之间调节。
13.优选地，步骤(c)中彩色图像中的rgb信息转化为hsi颜色模型中色调参数h。
14.优选地，步骤(c)中通过建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。
15.优选地，步骤(c)中rgb空间转换为hsi空间，色调参数h数值转换公式如下：
[0016][0017][0018]
其中r、g和b分别对应rgb颜色空间中红色的颜色分量，rgb颜色空间中绿色的颜色分量，rgb颜色空间中蓝色的颜色分量。
[0019]
优选地，所述计算机通过将图像集中rbg三个通道的颜色信息和光强值转化为hsi颜色模型的色调函数h值从而得到被测物的高度信息。
[0020]
优选地，光轴轴向变化的高度m满足如下公式：
[0021]
m＝δx
·
sinθ
[0022]
其中δx为被测物x方向上移动的距离，θ为被测物平面与x方向之间的倾斜角度；通过被测物色调函数h值与光轴轴向变化的高度m之间一一对应的关系从而建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。
[0023]
一种应用如上所述的可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法进行测量的
测量系统，包括光路可调节机构、光学测量机构以及数据采集处理机构，光路可调节机构包括拱形滑轨；光学测量机构依次设置复色光源、第一光源小孔、准直透镜、色散管镜、第一物镜、二维移动平台；数据采集处理机构依次设置第二物镜、第二光源小孔、彩色相机、计算机；所述拱形滑轨支撑色散管镜与彩色相机并通过调节两者之间的距离来调节入射光路与出射光路之间的夹角；复色光源发出的复色光经过色散管镜后按照不同波长在不同的轴向高度呈现不同颜色的单色光后聚焦在被测物表面，所述数据采集处理机构接收被测物表面反射的单色光，记录被测物的坐标并存储图像集；将被测物的横向和纵向的坐标值以及对应被测物高度信息作为被测物表面的三维坐标信息通过计算机重构被测物的表面三维形貌。
[0024]
本发明具有如下有益效果：本发明所述的可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法与系统，采用白光光源，用先色散后聚焦的方式，把不同色光的波长和轴向高度对应起来；同时采用可调节式的斜照明光路方法，既满足了非同轴照明时可以避免光点信号串扰的目标，又满足了在0-90
°
任意角度下的斜照明可行性，融合二维自动平台呈现的相对位置横纵坐标，实现被测物表面的三维形貌测量。为更适合复杂测量环境的彩色共聚焦测量系统提供了可能性。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域第一技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0026]
图1为本发明系统的结构示意图；
[0027]
图2为本发明系统中色散模块的结构示意图；
[0028]
图3为本发明系统中沿光轴高度的变化、倾斜角度以及水平移动距离三者之间关系的示意图。
[0029]
图中：10-拱形滑轨；20-复色光源；21-第一光源小孔；22-准直透镜；23-色散管镜；24-第一物镜；25-二维移动平台；30-第二物镜；31-第二光源小孔；32-彩色相机；33-计算机；40-被测物体。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域第一技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域第一技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0031]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0032]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0033]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的第一技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0035]
实施例
[0036]
以下仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于下述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
[0037]
参考说明书附图1，一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，包括如下步骤：
[0038]
(a)设置入射光路，通过复色光经过色散管镜将不同波长的单色光聚焦在被测物的表面上方，通过接收光路收集到被测物的表面的反射光并形成彩色图像，所述入射光路和接收光路竖直空间面内的夹角能够在0-90
°
之间调节；
[0039]
(b)所述被测物设置于二维移动平台上，将二维移动平台的运动起点设置为坐标原点，所述二维移动平台带动所述被测物根据预设的扫描路线进行移动，随着被测物的移动同步记录其横向和纵向的位移坐标，作为被测物的相对位置坐标，通过接收光路得到对应的彩色图像集；
[0040]
(c)运用颜色转换算法把图像集的rgb颜色模型转为hsi颜色模型，将颜色信息转化为高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。
[0041]
参考说明书附图2-3，步骤(c)中彩色图像中的rgb信息转化为hsi颜色模型中色调参数h，rgb空间转换为hsi空间，色调参数h数值转换公式如下：
[0042]
[0043][0044]
其中r、g和b分别对应rgb颜色空间中红色的颜色分量，rgb颜色空间中绿色的颜色分量，rgb颜色空间中蓝色的颜色分量。
[0045]
参考说明书附图2-3，步骤(c)中通过建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。光轴轴向变化的高度m满足如下公式：
[0046]
m＝δx
·
sinθ
[0047]
其中δx为被测物x方向上移动的距离，θ为被测物平面与x方向之间的倾斜角度；通过被测物色调函数h值与光轴轴向变化的高度m之间一一对应的关系从而建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。
[0048]
由于被测物色调函数h值与光轴轴向变化的高度m之间一一对应的关系，因此在测量前先对h值进行定标，得到h值与光轴轴向变化的高度m之间的对应关系，进而在通过测量待测物获得待测的彩色图像，将该彩色图像rgb空间转换为hsi空间获得待测物各像素点的h值，进而根据定标后的h值转化为光轴轴向变化的高度m，进而通过光轴轴向变化的高度m与水平位移之间的关系从而得出被测物水平坐标点出对应的高度坐标来重构被测物的表面三维形貌。
[0049]
一种应用如上所述的可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法进行测量的测量系统，包括光路可调节机构、光学测量机构以及数据采集处理机构，光路可调节机构包括拱形滑轨10；光学测量机构依次设置复色光源20、第一光源小孔21、准直透镜22、色散管镜23、第一物镜24、二维移动平台；数据采集处理机构依次设置第二物镜30、第二光源小孔31、彩色相机32、计算机33；所述拱形滑轨10支撑色散管镜23与彩色相机32并通过调节两者之间的距离来调节入射光路与出射光路之间的夹角；复色光源发出的复色光经过色散管镜后按照不同波长在不同的轴向高度呈现不同颜色的单色光后聚焦在被测物表面，所述数据采集处理机构接收被测物表面反射的单色光，记录被测物的坐标并存储图像集；将被测物的横向和纵向的坐标值以及对应被测物高度信息作为被测物表面的三维坐标信息通过计算机重构被测物的表面三维形貌。
[0050]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)设置入射光路，通过复色光经过色散管镜将不同波长的单色光聚焦在被测物的表面上方，通过接收光路收集到被测物的表面的反射光并形成彩色图像；(b)所述被测物设置于二维移动平台上，将二维移动平台的运动起点设置为坐标原点，所述二维移动平台带动所述被测物根据预设的扫描路线进行移动，随着被测物的移动同步记录其横向和纵向的位移坐标，作为被测物的相对位置坐标，通过接收光路得到对应的彩色图像集；(c)运用颜色转换算法把图像集的rgb颜色模型转为hsi颜色模型，将颜色信息转化为高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。2.根据权利要求1所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，步骤(a)中所述入射光路和接收光路竖直空间面内的夹角能够在0-90
°
之间调节。3.根据权利要求1所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，步骤(c)中彩色图像中的rgb信息转化为hsi颜色模型中色调参数h。4.根据权利要求3所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，步骤(c)中通过建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。5.根据权利要求4所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，步骤(c)中rgb空间转换为hsi空间，色调参数h数值转换公式如下：骤(c)中rgb空间转换为hsi空间，色调参数h数值转换公式如下：其中r、g和b分别对应rgb颜色空间中红色的颜色分量，rgb颜色空间中绿色的颜色分量，rgb颜色空间中蓝色的颜色分量。6.根据权利要求5所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，所述计算机通过将图像集中rbg三个通道的颜色信息和光强值转化为hsi颜色模型的色调函数h值从而得到被测物的高度信息。7.根据权利要求6所述可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，光轴轴向变化的高度m满足如下公式：m＝δx
·
sinθ其中δx为被测物x方向上移动的距离，θ为被测物平面与x方向之间的倾斜角度；通过被测物色调函数h值与光轴轴向变化的高度m之间一一对应的关系从而建立h值、倾斜角度和光轴轴向高度的函数关系，测得被测物表面每个测量点的高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。8.一种应用如权利要求1-7之一所述的可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法进行测量的测量系统，其特征在于，包括光路可调节机构、光学测量机构以及数据采集处理机构，光路可调节机构包括拱形滑轨；光学测量机构依次设置复色光源、第一光源小孔、准直透镜、色散管镜、第一物镜、二维移动平台；数据采集处理机构依次设置第二物镜、第二光
源小孔、彩色相机、计算机；所述拱形滑轨支撑色散管镜与彩色相机并通过调节两者之间的距离来调节入射光路与出射光路之间的夹角；复色光源发出的复色光经过色散管镜后按照不同波长在不同的轴向高度呈现不同颜色的单色光后聚焦在被测物表面，所述数据采集处理机构接收被测物表面反射的单色光，记录被测物的坐标并存储图像集；将被测物的横向和纵向的坐标值以及对应被测物高度信息作为被测物表面的三维坐标信息通过计算机重构被测物的表面三维形貌。

技术总结
本发明公开了一种可调节斜照明式的彩色共焦三维形貌测量方法与系统，包括如下步骤：(a)设置入射光路，通过复色光经过色散管镜将不同波长的单色光聚焦在被测物的表面上方，通过接收光路收集到被测物的表面的反射光并形成彩色图像；(b)所述被测物设置于二维移动平台上，将二维移动平台的运动七点设置为坐标原点，所述二维移动平台带动所述被测物根据预设的扫描路线进行移动，随着被测物的移动同步记录其横向和纵向的位移坐标，作为被测物的相对位置坐标，通过接收光路得到对应的彩色图像集；(c)运用颜色转换算法把图像集的RGB颜色模型转为HSI颜色模型，将颜色信息转化为高度信息，结合二维位移平台记录的位移坐标信息，实现被测物的三维形貌测量。现被测物的三维形貌测量。现被测物的三维形貌测量。


技术研发人员：余卿 张耀祖 颜华生 王寅 程方 王翀 王子凡 刘浩
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/7