三维表面检测装置及三维表面检测方法

摘要

本发明提供一种结构简单、成本低廉而且检测速度快、检测精度高的三维表面检测装置，用于检测表面镜面反射较强物体的表面的凹痕、伴随着较大的划痕而产生的形状变化等三维缺陷。本发明主要包括部分：拍摄被测对象物体X的图像的照相装置3；笼罩在被测对象物体周围被设置为曲面状的滤光薄膜；通过上述滤光薄膜向上述被测对象物体投射曲面状结构光的曲面结构光投影单元5，该曲面结构光的强度沿着曲面状的滤光薄膜的形状呈周期性分布；对于通过照相装置3所拍摄的被测对象物体的图像进行解码处理，将其曲面状强度分布变换为直线状强度分布；通过图像处理检测出上述被测对象物体表面三维缺陷的缺陷检出单元13。

说明书

技术领域

本发明提供一种非接触三维检测装置及三维检测方法，用于检测汽车及其部件等物体的表面凹痕及伴随着较大的划痕而产生的三维形变等三维立体缺陷。 

背景技术

在汽车生产、汽车零部件循环再利用等领域，汽车车身表面的划痕、凹痕、涂装剥落等的检测是非常重要的。然而，现在诸如上述这些质量检测大都靠质量检查员的目测来进行。由于质量检查员业务水平的差异，检测出来的结果也参差不齐。另外，目测检测不仅工作量庞大，而且由于工作性质的重要，还会给检查员带来很大的精神负担。因此，人们期待着使用数字照相机或数字摄像机等数字摄像装置，去实现非接触、高速、高精度的物体表面检测。 

像汽车车身这样具有立体形状的物体的测量，可以使用三维图象测量的方法。三维图象测量可以分为被动测量法和能动测量法两大类。被动测量法的代表方法为双目视觉法，它使用2台照相机从不同的视角拍摄物体的照片、在照片上寻找对应点进行匹配、进而计算出其三维空间坐标。这种方法非常适用于测量物体的轮廓形状等有明显特征的部分，但不太适用于测量特征点稀少的部分或物体，如变化缓慢的曲面等。 

作为能动测量法的代表方法，我们可以举出结构光投影测量法。结构光投影测量法通过向被测物体投射结构光，人为地在被测物体表面制造了一些特征点，这样即便是像变化缓慢的曲面等等的特征点稀少的部分，也能够测量了。 

另外，相位移动测量法也广为人知。这种方法是向被测物体投射诸如正弦波那样的具有空间周期变化的结构光，然后移动结构光的空间相位、利用多张空间相位不同的反射光图像进行解析。例如，为了缩短基于结构光投影原理的三维图象测量方法的测量时间、提高测量精度，人们发明了专利文献1及2所记载的方法。专利文献1的方法的特征是，它使用了最优化强度调制结构光，只需要投影一次结构光便可以实现被测物体的三维图象测量，从而缩短了测量时间提高了测量精度。但是这种方法并不适用于汽车车身表面的测量，因为汽车车身的表面反射太强。 

专利文献2记载的方法的特征是，它使用密度更高的测量用结构光和基准线结构光，以实现更高精度的三维图象测量。但是它很难受用于具有亮点反射的表面发射较强的物体。也就是说，一般的基于结构光投影的三维图象测量方法，很难受用于像汽车车体那样的具有很强光泽的物体，亦即这种方法无法适用于表面镜面反射较强的物体。 

对于表面镜面反射强度较强的物体的测量，人们提出了专利文献3及4的方法。专利文献3提出了一种照明方法，使得照明光源所发出的光线不会直接照射到被测物体上，从而使得表面反射较强的物体的测量成为可能。另外，专利文献4提出了一种方法，它使用直线状的明暗结构光对被测物体进行投影，对其反射图像中的明暗结构光的分界线的特征进行解析，从而检测出物体表面的凹痕。它可以用于检测汽车车体表面的凹凸缺陷。 

上述引用的专利文献列表如下： 

专利文献1：日本，特开2006-145405号公报 

专利文献2：日本，特开2011-185872号公报 

专利文献3：日本，特开2010-185820号公报 

专利文献4：日本，特开2010-85165号公报 

发明内容

然而，上述专利文献3所提出的方法，由于使用的是两维图像处理技术，所以尽管它能够检测出汽车车体表面的伤痕等两维的缺陷，却无法检测出凹痕的深度等三维信息。另外，专利文献4提出的方法，由于它采用的是利用明暗结构光的边沿信息、使用两维图像解析的处理方法，所以尽管它可以检测出凹凸变形，却很难测量出凹痕的深度或凸起的高度。另外，专利文献4的方法，无法检测结构光的边沿以外的部分，测量的范围有限。 

为此，本发明的目的是提出一种用于检测表面镜面反射较强的被测物体的三维表面检测设备和三维表面检测方法，只使用简单的构造和较低的成本构成，便可以高速高精度地检测出物体表面的凹痕及伴随着较大划痕而产生的三维立体形变等三维缺陷。 

本发明提出的三位表面检测装置包括以下几个部分：拍摄被测对象物体的图像的照相装置；被做成曲面状并笼罩在被测物体周围的滤光薄膜；透过滤光薄膜向被测对象物体投射曲面结构光的曲面结构光投影单元，该曲面结构光的空间强度沿着滤光薄膜的曲面形成周期性的空间强度分布；以及对所拍摄到的图像进行解码处理将其曲面状强度分布变换为直线状分布，进而检测出物体表面的三维缺陷的缺陷检出单元。 

另外，本发明所提出的检测方法具有以下特征：对于被做成曲面状并笼 罩在被测物体周围的滤光薄膜，透过该滤光薄膜向被测对象物体投射曲面结构光，该曲面结构光的空间强度沿着滤光薄膜的曲面形成周期性的空间强度分布；利用照相装置获取被测对象物体的图像信息，对所拍摄到的图像进行解码处理将其曲面状强度分布变换为直线状分布，进而检测出物体表面的三维缺陷。 

本发明由于不直接向被测对象物体投影结构光而是通过滤光薄膜进行投影，因此光源不会直接被物体表面所映射，所以即便是对镜面反射非常强的物体，也可以像没有镜面反射的物体一样进行拍摄而不必考虑表面反射的问题。这样便很容易拍摄被测物体的图像并从拍摄到的图像中检测出被测对象物体表面所存在的缺陷。在这个过程中，被投影到被测物体上的投影光的强度是沿着滤光薄膜的曲面呈周期分布的。然后，通过对拍摄到的图像进行解码处理，可以使其强度分布由曲面状变为直线状。这样，由于被测物表面上存在的三维缺陷部分的强度分布是非直线状的，我们便可以根据图像的强度分布是否是直线状来判断是否存在三维缺陷。 

使用本发明的方法和装置，由于投影光不会直接被映射到被测物体表面，所以即便是对于镜面发射很强的被测对象物体，也可以像对没有镜面反射的物体一样简单地进行拍照，并从所得到的图像中简单地检测出被测物体表面的缺陷。这样便可以用很低的成本高速、高精度地检测出被测物体表面存在的凹痕以及伴随着较大划痕所产生的三维形变等三维缺陷。 

附图说明

图1本发明的实施方式的三维表面检测装置的全体构成图； 

图2说明图1的全体构成图的详细构造的结构框图； 

图3本发明的实施方式的三维表面检测装置的检测处理的流程图； 

图4本发明的实施方式的三维表面检测装置的曲面状空间强度分布结构光的示意图； 

图5本发明的三维表面检测装置的投影结构光的其它的实施例； 

图6(a)表示被测对象物体的表面没有凹痕等形状变化的情况下的强度分布示意图，(b)为(a)的解码结果的强度分布； 

图7(a)表示被测对象物体的表面存在凹痕等形状变化的情况下的强度分布示意图，(b)为(a)的解码结果的强度分布。 

具体实施方式

下面，就本发明的三维表面检测装置的实施方式，借助于附图加以说明。图1为本发明的实施方式的三维表面检测装置的全体构成图，图2为为说明 图1的全体构成图的详细构造的结构框图。 

图1所示的本发明的实施方式的三维表面检测装置，是一个用于检测汽车车身或其他零部件等被测对象物体X的表面的划痕、凹痕等三维缺陷的非接触检测装置，它由以下部分组成：直线状的光源1；为保证直线状光源1的光线不会直接照射到被测对象物体X，而在直线状光源1和被测对象物体X之间设置的，同时可以使直线状光源1的光线变为均匀分布的滤光薄膜2；拍摄被测对象物体X的图像的照相装置3；连接并控制直线状光源1及照相装置3的计算机4。 

直线状光源1可以使用在市场流通的一般的商品，如日光灯、LED照明等形状为直线状的照明器具。滤光薄膜2使用半透明材料，做成宫殿形、隧道形等曲面形状，它对直线状光源1的光线进行减光和扩散。多个直线状光源1沿滤光薄膜2的曲面形状按一定的间隔配置。 

滤光薄膜2的透光率要根据直线状光源2的光强以及被测对象物体的表面反射利率来选定，一般说来可在5%至95%的范围之内选择。照相装置3可以使用各种数字式照相机，可以选择8位、10位、12位或16位数字照相机，可以使用3CCD、1CCD、CMOS等图像传感器，可以使用静止图像照相机、非静止图像摄像装置或摄像机等。 

计算机4具有连接直线状光源1以及照相装置3的接口（在图上没有表示），通过事先编制好的检测软件（在图上没有表示），实现图2所示的记忆单元10、投影结构光控制单元11、图像摄影单元12、缺陷检出单元13、尺寸推算单元14、检测结果表示单元15以及输出单元16的各种功能。 

投影结构光控制单元11控制若干只直线状光源1的“开”和“关”等状态，以形成强度沿滤光薄膜2的曲面呈周期分布的曲面状强度分布结构光，并向被测对象物体投影。投影结构光控制单元11所使用的控制直线状光源1的各种控制数据，也都保存在记忆单元10之中。 

图像摄影单元12使用为拍摄到检测用的理想到图像所需要的最佳摄影参数控制照相装置3，拍摄被测对象物体X的表面的数字图像，并将所拍摄到的数字图像输入到记忆单元10中。该最佳摄影参数包括为获得最佳的检测效果所需要的照相机的各种最佳参数（以下简称摄影参数），也保存在记忆装置10中。另外，记忆装置10同时还用于保存后述各个单元的处理结果等各种数据。 

缺陷检出单元13对图像摄影单元12所拍摄的数字图像数据进行解析，计算出被测对象物体X表面的凹痕、伴随着较大划痕而产生的三维形变等三维缺陷。尺寸推算单元14利用图像解析的方法对检测出的三维缺陷的尺寸（直径、深度等）进行推算。 

检测结果表示单元15，采用用户容易理解的方式，将检测出的缺陷的位置、形状及尺寸等信息显示在计算机的显示器上。另外，它还具有根据用户的需要在显示屏上给出检测结果的扩大或缩小表示、全体或部分表示。输出单元16，将所拍摄的图像照片、检测结果等信息以图像文件、文本文件、图形文件、表格文件、数据库等方式存储到各种媒体上，或予以输出。 

另，如图2所示，曲面结构光投影单元5由直线状光源1和投影结构光控制单元11构成。另外，为了生成所需要的投影结构光，直线状投影光源1的综合位置关系、各个直线状光源间的相互间隔以及和滤光薄膜之间的距离等，都需要事先进行调整。 

下面对使用本实施方式的三维表面检测装置，对被测对象物体X的表面凹痕等三维缺陷部分进行检测处理的过程加以说明。图3为使用本实施方式的三维表面检测装置进行检测处理的流程图。 

在使用本装置进行检测之前，要对直线状光源1进行设置。设置时，首先要调节直线状光源1的位置、各个直线状光源之间的间隔即各个直线状光源之间的距离（S101）。然后调节各个直线状光源1和滤光薄膜2之间的距离、以完善为生成曲面状强度分布结构光所需要的硬件环境（S102）。上述设定只需要在表面检测系统组装时实施一次，并不是在每次检测之前都需要实施的。 

检测时，首先由计算机4的投影结构光控制单元11发出指令、控制各个直线状光源1的“开”和“关”、生成检测所需要的曲面状空间强度分布结构光（S 103）。图4是曲面状空间强度分布结构光的生成示意图，(a)为直线状光源1的配置和沿着滤光薄膜2的表面曲面形状在其周围生成的结构光的强度分布示意图，(b)为将(a)的滤光薄膜2表面的曲面形状做平面展开（即将圆弧R直线化）后的结构光的强度分布示意图。通过图4(b)我们可以看出，图4(a)的曲面状强度分布的结构光的强度分布，在平面上展开后即成为正弦波状强度分布。亦即曲面状强度分布的结构光实际上是一种被弯曲了的正弦波状强度分布结构光。 

接着，由计算机4通过图像摄影单元12调节照相装置3的摄影参数，再由照相装置拍摄被测对象物体X反射的曲面状强度分布结构光的图像并输入给计算机4（S104）。图像摄影单元12分析所拍摄图像的强度分布，判断它是否已能作为用于缺陷检测的理想图像。如果它的强度分布已经是理想的了则进入下一步的处理程序，如果它的强度分布还不理想，那就再一次调节照相装置的摄影参数、拍摄由图像被测对象物体X反射的曲面状强度分布结构光的图像并进行强度分析，直至得到理想强度分布的图像为止（S105）。 

在得到理想的图像之后，即由缺陷检出单元13对该图像实施解码处理， 将其原有的曲面状强度分布正弦波状结构光变换为直线状强度分布（S106）。在被测物体X的表面没有凹痕等形状变化的情况下，被拍摄到的图像的强度分布将会像图6(a)一样为很规则的正弦波状分布，这样经解码处理后的强度分布将会变成一条直线，如图6(b)所示。然而，如果被测物体X的表面上存在凹痕等形状变化的话，在图像上凹痕形状变化部分的强度的相位就会发生变化，也就得不到规则的正弦波状分布，如图7(a)所示。这样，经解码处理后，有凹痕形状变化的部分将会偏离直线，如图7(b)所示。因此我们就可以断定，在偏离直线的地方存在着凹凸等形状变化（S107）。 

尺寸推算单元14推算凹痕的大小尺寸及深度。如图7(b)所示，因为偏离直线部分的范围和凹痕的尺寸成正比、偏离直线部分的程度与凹痕的深度成正比，所以，尺寸推算单元14根据偏离直线的范围和程度的大小来推算凹痕的大小尺寸和深度（S108）。检测的结果，可以由检测结果表示单元15在计算机4的显示器上以直观的图形图像方式予以表示（S109），也可以由输出单元16将其保存在各种存储器上、或者予以输出（S100）。 

在上述实施方式中，我们使用的曲面状强度分布的结构光具有正弦波状的空间强度分布。投影结构光也可以使用其它形式的具有周期性的空间强度分布的波形，如图5所示的台形波、矩形波等等。 

在本实施方式的三维表面检测装置中，检测用的结构光并不直接向被测对象物体X投影，而是先通过滤光薄膜2的减光和扩散处理后再向被测物体投影。由于投影结构光经过了滤光薄膜2的上述处理，所以即便是对于表面镜面反射较强的物体，光源也不会直接被物体表面所映射。这样我们便可以像拍摄没有表面镜面发射的物体一样去拍摄被测对象物体X，并且很容易从所拍摄到的图像中检测出被测对象物体X表面的凹痕等三位变形。这种的处理通常只需要几秒至几十秒的时间。 

还有，投影到被测对象物体X上的结构光，沿滤光薄膜的曲面形状呈周期性强度分布。对于拍摄到的结构光的反射图像，通过解码处理将其曲面状强度分布变换为直线状强度分布。这样，被测对象物体X表面上有三维变形缺陷的部分在强度分布曲线上将偏离直线分布。利用这意特点，只需要几秒至几十秒的时间便可以简单的检测出三维变形缺陷。 

本发明的提出的三维测量装置和三维测量方法，特别适用于表面镜面反射较强的物体的表面形状的三维检测，如汽车及其零部件的表面凹痕及伴随着较大划痕而产生的三维形变的非接触检测。 

其中，符号说明如下： 

X  被测对象物体 

1  直线状光源 

2   滤光薄膜 

3   照相装置 

4   计算机 

5   曲面结构光投影单元 

10  存储单元 

11  投影结构光控制单元 

12  图像摄影单元 

13  缺陷检出单元 

14  尺寸推算单元 

15  检测结果表示单元 

16  输出单元。