機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)三維檢測(cè)中的運(yùn)用及原理
中國(guó)院校在2003年開(kāi)始開(kāi)設(shè)基于圖像處理和底層函數(shù)運(yùn)算的機(jī)器視覺(jué)類課程,2005年后機(jī)器視覺(jué)開(kāi)始迅猛發(fā)展。其中,工業(yè)缺陷檢查和尺寸測(cè)量是其主要運(yùn)用領(lǐng)域之一,視覺(jué)檢測(cè)及測(cè)量系統(tǒng)已被廣泛運(yùn)用,如:印刷電路板的視覺(jué)檢查、鋼板表面的自動(dòng)探傷、大型工件平行度和垂直度測(cè)量、容器容積或雜質(zhì)檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別分類和幾何尺寸測(cè)量等。此外,在許多其它方法難以檢測(cè)的場(chǎng)合,利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)。其中基于條型結(jié)構(gòu)投影原理的光學(xué)三維測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)非接觸的測(cè)量屬于一種相對(duì)簡(jiǎn)便和古老的方法。這種技術(shù)就象是把近景攝影測(cè)量技術(shù)與三維激光抄數(shù)技術(shù)合在了一起,是一種經(jīng)濟(jì)型的三維測(cè)量技術(shù),在機(jī)器視覺(jué)時(shí)代有著先天的優(yōu)越性。這是一種主動(dòng)式測(cè)量技術(shù),無(wú)論形狀如何,都可以得到被測(cè)物的數(shù)字化的三維輪廓尺寸。
與傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量不同,基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的光學(xué)測(cè)量可以在一個(gè)大的工作區(qū)域內(nèi)很快的測(cè)量出物體的三維形態(tài)參數(shù)。此外,這種技術(shù)還可用來(lái)測(cè)定物體的一些附加的細(xì)節(jié)特性,比如物體表面的粗糙程度等。但是,其測(cè)量精度與成像倍率成正比,要做到微米級(jí)精度測(cè)量就將成影倍率提升到30*倍以上(電子倍率),亞像素處理技術(shù)有利于提高精度而降低對(duì)倍率的依求。但是,亞像素處理技術(shù)受環(huán)境影響很大,過(guò)高依賴亞像素處理會(huì)導(dǎo)致儀器性能不夠移定和應(yīng)用環(huán)境受限。
在使用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行3D測(cè)量時(shí),依照三角測(cè)量原理,光源把黑白間隔的條紋圖案投射到被測(cè)量的區(qū)域上,然后工業(yè)相機(jī)裝置來(lái)記錄結(jié)果圖案。在這測(cè)量過(guò)程中,工業(yè)相機(jī)被固定在一個(gè)與光源投影光軸有一預(yù)定夾角的傾斜位置。通過(guò)條紋的密度或條紋形狀的改變信息我們可反推出被測(cè)物體的三維特性。其原理就是通過(guò)固定的夾角測(cè)出水平偏移量和通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算出垂直分量,即Z值。如原理圖如下:
為了準(zhǔn)確地確定被測(cè)量剛體上的每個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo),需要對(duì)這些黑白相間的結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行編碼。這種編碼是利用干涉儀的相移原理,將一依余弦(COS)函數(shù)強(qiáng)度分布的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行疊加。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的圖像就是記錄了一重疊的相位圖,由此,采用合適的算法解析記錄的疊加相位就可得到被測(cè)物體的三維特性。
在醫(yī)學(xué)和牙醫(yī)檢測(cè)中,條形結(jié)構(gòu)光測(cè)量得到很好的應(yīng)用,同時(shí)在如新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(反構(gòu)工程)等各工業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是作為一種測(cè)量工具和工件外形尺寸的手段,光學(xué)3D測(cè)量以其它接觸測(cè)量方法在低精度測(cè)量領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的高性能、可靠性以及高速測(cè)量速度,并在汽車和航空工業(yè)的柔性測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。
在基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的視覺(jué)檢測(cè)及測(cè)量系統(tǒng)中,無(wú)論是工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、還是視覺(jué)光源,其每個(gè)組件的性能都決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)檢測(cè)、測(cè)量結(jié)果的精度。然而,光學(xué)系統(tǒng)有三種,即照相系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng),顯微光學(xué)系統(tǒng)下的高速和高精度正是賽克數(shù)碼產(chǎn)品的主要研發(fā)與應(yīng)用地帶。
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