CN109579700B - 盘扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了盘扫描的高分辨力立体视觉测量装置与方法，具体涉及一种利用立体视觉与盘扫描放大测量系统联用快速测量大尺度三维物体形貌、形变、位移等的装置和方法；该装置两个及以上盘扫描高分辨力立体视觉单目测量装置组成，每一个盘扫描高分辨力立体视觉单目测量装置包括激光照明模块、视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块；该方法首先将待测物体放置在本装置视场范围及清晰成像范围内；其次，利用扫描放大测量模块通过摄像模块点扫描整个物体；利用视觉三维成像原理对采集到的图片进行处理得到高分辨力的物体三维形貌；本发明可以显著提高大尺度视觉系统的测量分辨力。

Description

盘扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法

技术领域

本发明涉及立体视觉测量系统与方法，并具体涉及一种盘扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法属于光学非接触三维测量领域。

背景技术

立体视觉是计算机视觉领域的一个重要课题，它的目的在于重构场景的三维几何信息。立体视觉的研究具有重要的应用价值，其应用包括移动机器人的自主导航系统，航空及遥感测量，工业自动化系统等。目前，立体视觉系统的分辨力相对都不高，最先进的立体视觉系统的分辨力一般为万分之一的视场大小，也就是针对大视场（米级）进行测量时，系统的分辨力为毫米级，但是随着科技的发展，高精度、高分辨力测量越来越受重视，导致目前存在的立体视觉系统无法满足日益提高的分辨力要求。

因此，如何设计出一种高分辨力立体视觉测量系统与方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明公开了盘扫描高分辨力立体视觉测量系统与方法，该装置与方法通过引入盘扫描放大测量模块，使得整个系统的等效焦距和扫描速度得到提升，从而提高了整个系统的分辨力，而且CCD前针孔阵列的引入可以提高信噪比有利于后续的图像处理（配准、特征点定位等等）并且场镜的视场一般较大可完全匹配摄像物镜因此不需要附加扫描机构即可实现大视场。

盘扫描高分辨力立体视觉测量系统，其特征在于，包括至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置；

所述高分辨力立体视觉单目测量装置包括激光照明模块、视觉摄像模块和盘扫描放大测量模块；

所述激光照明模块包括：激光器、准直器、可旋转的盘-微透镜阵列、PBS、第一可旋转的盘-针孔阵列、透镜、第一场镜、管镜、1/4波片、物镜、第二场镜和摄影镜头；

所述激光照明模块中激光器发出激光，准直后形成平行光，经过可旋转的盘-微透镜阵列后形成多束汇聚光，经过PBS反射后再经过第一可旋转的盘-针孔阵列形成多个点光源，后经过透镜后聚焦于第一场镜主面位置处，光束经过管镜后形成多束平行光后经1/4波片后被物镜聚焦于第二场镜主面位置，再经摄影镜头聚焦于三维被测样品表面形成多聚焦光斑，所述聚焦光斑照射样品表面，发出反射光；

所述视觉摄像模块包括：摄影镜头、第二场镜、物镜、1/4波片、

管镜、第一场镜、透镜、第一可旋转的盘-针孔阵列、PBS、聚焦透镜、第二可旋转的盘-针孔阵列和CCD；

所述三维被测样品表面发出的反射光依次经过摄影镜头、第二场镜、物镜、1/4波片、管镜、第一场镜、透镜、第一可旋转的盘-针孔阵列、PBS、聚焦透镜、第二可旋转的盘-针孔阵列后被CCD收集。

所述盘扫描放大测量模块包括：激光器、准直器、可旋转的盘-微透镜阵列、PBS、第一可旋转的盘-针孔阵列、透镜、第一场镜、管镜、1/4波片、物镜、第二场镜、PBS、聚焦透镜、第二可旋转的盘-针孔阵列和CCD；

所述盘扫描放大测量模块按照信号光传播方向依次为激光器、准直器、可旋转的盘-微透镜阵列、PBS、第一可旋转的盘-针孔阵列、透镜、第一场镜、管镜、1/4波片、物镜、第二场镜、物镜、1/4波片、管镜、第一场镜、透镜、第一可旋转的盘-针孔阵列、PBS、聚焦透镜、第二可旋转的盘-针孔阵列和CCD；

所述照明模块、视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用第二场镜、物镜、1/4波片、管镜、第一场镜、透镜、第一可旋转的盘-针孔阵列、PBS；

所述照明模块、视觉摄像模块还共用摄影镜头；

所述照明模块、盘扫描放大测量模块共用激光器、准直器、可旋转的盘-微透镜阵列；

所述视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用聚焦透镜、第二可旋转的盘-针孔阵列和CCD；

优选的，所述立体视觉系统的成像方式为盘扫描成像。

需要说明的是，所述立体视觉系统的成像方式为盘扫描成像，可显著提高成像速度。

优选的，各个盘之间需要相互配合，其中第二可旋转的盘-针孔阵列与第一可旋转的盘-针孔阵列需同步，可提高成像信噪比。

基于盘扫描高分辨力立体视觉测量系统的盘扫描高分辨力立体视觉的测量方法，包括以下步骤：

步骤a、使用至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置组成盘扫描高分辨力立体视觉测量系统；

步骤b、对每一个高分辨力立体视觉单目测量装置装置进行单目矫正；

步骤c、对整体盘扫描高分辨力立体视觉测量系统进行矫正；

步骤d、将三维被测样品放置在清晰成像处并对三维被测样品进行成像并计算形貌。

有益效果：

本发明的所述立体视觉系统中在定焦摄像镜头后加上了一整套盘扫描放大测量系统用来提高整个系统的等效焦距，提高的倍率取决于所选的扫描放大测量系统，从而提高整个立体视觉系统的分辨力，本发明通过引入盘扫描放大测量模块，使得整个系统的等效焦距和扫描速度得到提升，从而提高了整个系统的分辨力，而且针孔阵列的引入本身可以提高系统的分辨率并且可以提高信噪比有利于后续的图像处理配准、特征点定位等等。所述立体视觉系统场镜的引入可以匹配视场从而无需额外的运动扫描机构即可实现全摄像物镜视场成像。

附图说明

图1是本发明盘扫描高分辨力立体视觉测量装置的单目结构示意图；

图2是本发明盘扫描高分辨力立体视觉测量装置的整体结构示意图；

其中：1被测样品、2摄影镜头、3第二场镜、4物镜、5 1/4波片、6管镜、7第一场镜、8透镜、9第一可旋转的盘-针孔阵列、10 PBS、11聚焦透镜、12第二可旋转的盘-针孔阵列、13CCD、14可旋转的盘-微透镜阵列、15准直器、16激光器。

具体实施方式

根据本发明的一具体实施例，提供一种盘扫描高分辨力立体视觉测量装置，用以三维被测样品高分辨力成像。

盘扫描高分辨力立体视觉测量系统，包括至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置；

高分辨力立体视觉单目测量装置包括激光照明模块、视觉摄像模块和盘扫描放大测量模块；

激光照明模块包括：激光器16、准直器15、可旋转的盘-微透镜阵列14、PBS10、第一可旋转的盘-针孔阵列9、透镜8、第一场镜7、管镜6、1/4波片5、物镜4、第二场镜3和摄影镜头2；

激光照明模块中激光器16发出激光，准直后形成平行光，经过可旋转的盘-微透镜阵列后形成多束汇聚光，经过PBS10反射后再经过第一可旋转的盘-针孔阵列9形成多个点光源，后经过透镜8后聚焦于第一场镜7主面位置处，光束经过管镜6后形成多束平行光后经1/4波片5后被物镜4聚焦于第二场镜3主面位置，再经摄影镜头2聚焦于三维被测样品1表面形成多聚焦光斑，聚焦光斑照射样品表面，发出反射光；

视觉摄像模块包括：摄影镜头2、第二场镜3、物镜4、1/4波片5、

管镜6、第一场镜7、透镜8、第一可旋转的盘-针孔阵列9、PBS10、聚焦透镜11、第二可旋转的盘-针孔阵列12和CCD13；

三维被测样品1表面发出的反射光依次经过摄影镜头2、第二场镜3、物镜4、1/4波片5、管镜6、第一场镜7、透镜8、第一可旋转的盘-针孔阵列9、PBS10、聚焦透镜11、第二可旋转的盘-针孔阵列12后被CCD14收集；

盘扫描放大测量模块包括：激光器16、准直器15、可旋转的盘-微透镜阵列14、PBS10、第一可旋转的盘-针孔阵列9、透镜8、第一场镜7、管镜6、1/4波片5、物镜4、第二场镜3、PBS10、聚焦透镜11、第二可旋转的盘-针孔阵列12和CCD13；

盘扫描放大测量模块按照信号光传播方向依次为激光器16、准直器15、可旋转的盘-微透镜阵列14、PBS10、第一可旋转的盘-针孔阵列9、透镜8、第一场镜7、管镜6、1/4波片5、物镜4、第二场镜3、物镜4、1/4波片5、管镜6、第一场镜7、透镜8、第一可旋转的盘-针孔阵列9、PBS10、聚焦透镜11、第二可旋转的盘-针孔阵列12和CCD13；

照明模块、视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用第二场镜3、物镜4、1/4波片5、管镜6、第一场镜7、透镜8、第一可旋转的盘-针孔阵列9、PBS10；

照明模块、视觉摄像模块还共用摄影镜头2；

照明模块、盘扫描放大测量模块共用激光器16、准直器15、可旋转的盘-微透镜阵列14；

视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用聚焦透镜11、第二可旋转的盘-针孔阵列12和CCD13。

更进一步地，立体视觉测量系统的成像方式为盘扫描成像。

更进一步地，各个盘之间相互配合，其中第二可旋转的盘-针孔阵列与第一可旋转的盘-针孔阵列同步。

盘扫描高分辨力立体视觉测量系统实现盘扫描高分辨力立体视觉的测量方法，包括以下步骤：

步骤a、使用至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置组成盘扫描高分辨力立体视觉测量系统；

步骤b、对每一个高分辨力立体视觉单目测量装置装置进行单目矫正；

步骤c、对整体盘扫描高分辨力立体视觉测量系统进行矫正；

步骤d、将三维被测样品放置在清晰成像处并对三维被测样品进行成像并计算形貌。

如图2所示，图2为本发明盘扫描高分辨力立体视觉测量装置的整体示意图，图2由至少2个盘扫描高分辨力立体视觉测量单目装置组成，图1为盘扫描高分辨力立体视觉测量单目装置实施例示意图。

如图2所示，S1、S2和S3均为盘扫描高分辨力立体视觉测量装置的高分辨力立体视觉单目测量装置。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.盘扫描高分辨力立体视觉测量系统，其特征在于，包括至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置；

所述高分辨力立体视觉单目测量装置包括激光照明模块、视觉摄像模块和盘扫描放大测量模块；

所述激光照明模块包括：激光器（16）、准直器（15）、可旋转的盘-微透镜阵列（14）、PBS（10）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、透镜（8）、第一场镜（7）、管镜（6）、1/4波片（5）、物镜（4）、第二场镜（3）和摄影镜头（2）；

所述激光照明模块中激光器（16）发出激光，准直后形成平行光，经过可旋转的盘-微透镜阵列后形成多束汇聚光，经过PBS（10）反射后再经过第一可旋转的盘-针孔阵列（9）形成多个点光源，后经过透镜（8）后聚焦于第一场镜（7）主面位置处，光束经过管镜（6）后形成多束平行光后经1/4波片（5）后被物镜（4）聚焦于第二场镜（3）主面位置，再经摄影镜头（2）聚焦于三维被测样品（1）表面形成多聚焦光斑，所述聚焦光斑照射样品表面，发出反射光；

所述视觉摄像模块包括：摄影镜头（2）、第二场镜（3）、物镜（4）、1/4波片（5）、

管镜（6）、第一场镜（7）、透镜（8）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、PBS（10）、聚焦透镜（11）、第二可旋转的盘-针孔阵列（12）和CCD（13）；

所述三维被测样品（1）表面发出的反射光依次经过摄影镜头（2）、第二场镜（3）、物镜（4）、1/4波片（5）、管镜（6）、第一场镜（7）、透镜（8）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、PBS（10）、聚焦透镜（11）、第二可旋转的盘-针孔阵列（12）后被CCD（13）收集；

所述盘扫描放大测量模块包括：激光器（16）、准直器（15）、可旋转的盘-微透镜阵列（14）、PBS（10）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、透镜（8）、第一场镜（7）、管镜（6）、1/4波片（5）、物镜（4）、第二场镜（3）、PBS（10）、聚焦透镜（11）、第二可旋转的盘-针孔阵列（12）和CCD（13）；

所述盘扫描放大测量模块按照信号光传播方向依次为激光器（16）、准直器（15）、可旋转的盘-微透镜阵列（14）、PBS（10）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、透镜（8）、第一场镜（7）、管镜（6）、1/4波片（5）、物镜（4）、第二场镜（3）、物镜（4）、1/4波片（5）、管镜（6）、第一场镜（7）、透镜（8）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、PBS（10）、聚焦透镜（11）、第二可旋转的盘-针孔阵列（12）和CCD（13）；

所述照明模块、视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用第二场镜（3）、物镜（4）、1/4波片（5）、管镜（6）、第一场镜（7）、透镜（8）、第一可旋转的盘-针孔阵列（9）、PBS（10）；

所述照明模块、视觉摄像模块还共用摄影镜头（2）；

所述照明模块、盘扫描放大测量模块共用激光器（16）、准直器（15）、可旋转的盘-微透镜阵列（14）；

所述视觉摄像模块、盘扫描放大测量模块共用聚焦透镜（11）、第二可旋转的盘-针孔阵列（12）和CCD（13）。

2.根据权利要求1所述的盘扫描高分辨力立体视觉测量系统，其特征在于，所述立体视觉测量系统的成像方式为盘扫描成像。

3.根据权利要求1所述的盘扫描高分辨力立体视觉测量系统，其特征在于，各个盘之间相互配合，其中第二可旋转的盘-针孔阵列与第一可旋转的盘-针孔阵列同步。

4.根据权利要求1所述的盘扫描高分辨力立体视觉测量系统实现盘扫描高分辨力立体视觉测量的测量方法，其特征在于，所包括以下步骤：

步骤a、使用至少两个高分辨力立体视觉单目测量装置组成盘扫描高分辨力立体视觉测量系统；

步骤b、对每一个高分辨力立体视觉单目测量装置装置进行单目矫正；

步骤c、对整体盘扫描高分辨力立体视觉测量系统进行矫正；

步骤d、将三维被测样品放置在清晰成像处并对三维被测样品进行成像并计算形貌。

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