机器视觉在非接触三维测量中的研究与应用

(1. 广州市市政工程维修处 2. 广东工贸职业技术学院 机械工程系，广东  广州 510100)
摘 要： 文章研究了一种三维视觉测量方法，该方法可以通过单幅灰度图像获取表面三维形貌 信息。通过应用实例进行分析，结果证明本方法能够广泛应用于三维缺陷测量、逆向 工程、图案雕刻等领域，具有操作简单，硬件成本低，处理速度快，精度较高的特 点，能够广泛应用于工业生产领域。
关键词：机器视觉；视觉测量；非接触测量；图像检测
中图分类号：TP391.4  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)11—0077—02

计算机视觉领域中利用物体单幅或多幅二维灰度图像获取物体三维表面形状信息的技术可归 纳为：从X恢复形状(shape from X)技术［1］。其中由明暗恢复形状(shade from  shadin g,简称SFS)是通过分析物体的单幅二维图像的灰度信息，重建物体表面三维形状信息。近年 来，由于计算机视觉理论和光电技术的发展，使得基于明暗恢复形状的三维测量成为可能。 

本文采用机器视觉中的SFS方法对产品进行三维恢复，进而可以实现工件的三维质量检测。 虽然目前有很多关于三维形貌恢复的研究，但是多数研究仍处于实验室研究阶段，并且因为 精度、测量范围、工作条件、操作过程的限制，不易应用到自动化生产线上。本研究通过对 采集的三维图像进行预处理并增加透视投影约束条件来改善反射模型，并对该方法在工业领 域的应用进行探索研究。 
1 视觉三维测量原理

本文测量的基本原理是从灰度信息中找到与物体表面形状相关的线索，该问题最早是由MIT 的 Horn［2］等人在1970年提出来的，并假定物体满足朗伯体表面反射条件［3 ］，建立了物体表面方向和图像灰度之间的函数关系，表面光照模型如图1所示。  

据Lambertian反射原理，物体表面灰度可表示为以下公式：

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考虑光学透视成像约束条件有：

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其中，u，v为图像坐标系的坐标，x，y为对应的物理坐标，原点在光心位置。由式(1)和 式(2)得到一个含有两个未知量的非线性方程［4］：

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度值，求解该非线性方程组后，即可得到表面高度值，而x，y的坐 标可以直接由图像的二维图像通过标定后来获取，最后即可获得图像上每个象素点的空间三 维坐标尺寸，考虑到x、y方向的精度只与图像的质量有关，以下主要对z方向的精度进行分 析。
2 测量系统设计

基于单幅图像进行三维测量在硬件设计方面的一个突出特点是结构简单，成本低，检测速度 快等。硬件系统主要由光学系统、CCD摄像头、图像采集卡和PC机组成。考虑到实时图像采 集的测量精度和速度要求，该系统采用MTV-1881EX黑白CCD摄像机，IMAQ PCI-1407图像采集 卡［5］等，硬件结构原理如图2所示。
其工作原理是：将被测量物体置于尽可能均匀照明的平行光照下,摄像头在测量程序的控制 下将被测量物体的图像采集到计算机的特定内存中,计算机通过视觉处理软件对图像进行预 处理，再把预处理后的图像信息导入三维测量算法中进行形貌恢复，进而取得该物体的几何 信息，最后进行测量分析并输出结果。
实验所选用的图像采集卡是PCI-1407黑白图像采集卡，是一种低价格、高品质的单色图像采 集卡，其性能可以满足实际的需要，采集原理如下图3所示。当光源中的光照射到场景中的 物体上后，物体所反射的光先由CCD接收并进行光电转换，所得到的电信号再经图像采集卡 量化就可形成空间和幅度均离散化的灰度图，最后经总线输入计算机内存。

本测量系统因只需要拍摄单幅图像，所以只需一路视频输入，图像经图像采集卡进入计算机 的信号可以保存为8位BMP格式的灰度图。
3 三维视觉测量在工业领域的应用
3.1 表面缺陷检测

在工业现场拍摄的单幅轴承工件图像如图4所示，尺寸为。在轴承外圈工件的加工过程中， 轴承表面的加工质量和缺陷必须及时进行测量，所以需要进行三维检测。利用本文所研究的 方法测量结果如图4(c)和图5所示,图5(c)是缺陷区域测量高度数据。

对零件进行三维测量，采用一般的手段是相当困难的。而采用非接触式视觉测量技术能快速 地测量到物体表面的三维数据，还可实现在线测量。该方法可以获得物体表面的任意位置的 表面形貌信息，因而有利于对物体表面的加工情况进行分析、评价，有利于验证表面加工的 合格性，分离出有缺陷的产品。这不但可以减少人工参与，降低成本，还能保证产品的加工 质量。
3.2 逆向工程

虽然逆向工程能大大改善产品的设计流程，并能够满足我们的一定需求，但由于它必须采用 接触式测量方式的三坐标测量机来采集样品的表面三维数据点云，数据点云的扫描时间比较 长，费用大，不适用于软的物体表面测量。因而，把计算机视觉技术中的SFS三维重建技术 应用到逆向工程，则能更加快速、低成本地加快产品模型设计。如图6所示为拍摄电脑鼠标 进行逆向设计，把获取的三维几何信息导入数字化逆向软件，得到点云图，再通过软件工具 进行三维实体设计，即可得到鼠标的三维数字化模型。同时，再将非接触式图像测量系统与 快速成型相结合，便可以构成快速制造系统，这必将大大促进RP技术的发展，在逆向工程领 域将具有重要意义。

3.3 医学美容和识别

非接触测量技术能快速测量人体的各部分，包括牙齿、面部、肢体等的尺寸，对美容、矫形 、修复、口腔医学、假肢等都非常有用。利用三维恢复的人体模型，可以进行人脸识别，如 图7所示，还可以进行模拟手术，并可对手术跟踪，对手术结果进行预测。在牙科手术中， 可利用牙齿的三维成像模型分析矫正方法，并可检测牙齿发育情况，此外还可以根据三维恢 复方法，对服装，座椅，头盔，鞋帽等进行设计。

3.4 文物保护和产品展示

人类文化遗产是宝贵的历史资源，非接触视觉测量技术能以不损伤物体的手段，获得古文物 的三维信息，便于长期保存、再现，这是传统手段所无法表达的。

如图8所示，采用一幅陶 瓷罐体图像进行测量，得到其三维数字模型图，便于我们从任何方向观察、欣赏。现有文物 的数字化，对历史文物通过照片进行三维形貌恢复，是保护历史遗产的有效方法。如英国自 然历史博物馆利用了非接触测量技术将文物的立体色彩模型扫描到虚拟显示系统中，建立了 虚拟博物馆，令参观者犹如进入了真实的环境。

4 结论

总之，随着计算机视觉技术的发展，图像的研究正在逐步从二维向三维迈进，非接触式视觉 测量技术作为一种获取三维信息的工具和手段，为工业检测、三维物体识别及图形图像提供 了方便。由物体的二维灰度图像重构物体表面三维几何形状的测量方法与技术的研究与应用 ，对提高曲面的设计制造水平、缩短产品开发周期、完善产品数据模型的建模方法，以及反 求工程和快速原型制造技术的发展具有重要意义。可在科研、医学诊断、工程设计、刑事侦 查现场痕迹分析、自动在线检测、质量控制、机器人等领域中得到广泛的应用。
［参考文献］
［1］ 马颂德，张正友.计算机视觉——计算理论与算法基础［M］.北京：科学出版 社，2003.
［2］ R.Zhang and P.S.Tsai.Shape from Shading:A Survey［J］.IEEE Trans.Pat ter Analysis and Machine Intelligence, 1999,21(8):690-705.
［3］ B.K.P. Horn.Shape from shading:A method for Obtaining the Shape of a  Smooth Opaque Object from One View［J］. Ph.D.dissertation,Massachusetts Inst.o f Technology, 1970.
［4］ A.Tankus, N.Sochen, and Y.Yeshurun.A new perspective ［on］ Shape-fr om -Shading ［J］. In Proceedings of the of IEEE International Conference on Comput er Vision, volume II, pages 862- 869,Nice,France,Oct.2003.
［5］ NI公司.NI-IMAQ User Manual［M］.1998.