CN102316355A

CN102316355A - 3d机器视觉信号的生成方法及3d机器视觉传感器

Info

Publication number: CN102316355A
Application number: CN201110272416A
Authority: CN
Inventors: 丁少华; 陈健; 李克天; 欧阳祥波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-01-11

Abstract

一种3D机器视觉信号的生成方法，包括：A.将正弦亮度变化的黑白图像投射到待测物体表面，包括下列步骤：由计算机生成灰度值呈正弦变化的条纹图像；将条纹图像的灰度变化范围设为[-п，п]，每一条条纹的灰度值在图像中都是唯一的；将生成的条纹图像一次投射在待测物体表面；B.对物体表面进行拍照并将图像数据经数据传输接口连接到后续处理装置，包括下列步骤：对物体表面进行拍照，所获得的二维图像包含了经过物体表面调制后的黑白条纹相位信息；经过图像采集和处理单元进行采集并经过处理，获得物体表面的轮廓数据；将物体表面的轮廓数据经数据传输接口发送到后续处理装置；C.后续处理装置将三维数据处理成3D伪彩色图像，经过对该伪彩色信号进行处理从而完成3D测量或检测。

Description

3D机器视觉信号的生成方法及3D机器视觉传感器

技术领域

本发明涉及3D机器视觉信号的生成方法及3D机器视觉传感器。

背景技术

当前市场上或见报道的工业彩色摄像机（2D）和3D机器视觉传感器存在的形式及存在的问题：

模拟摄像机：模拟信号输出，只带有二维数据及位置信息；

数字式摄像机：各类数字输出接口，但只输出二维数据及位置信息；

智能摄像机：各类数字输出接口，只输出二维数据及位置信息，和图象分析结果信息；

3D机器视觉传感器：数字接口，能输出高度信息，但只是一串（或一条线）离散的数据，不是一幅完整彩色BITMAP图片。

3D智能相机：数字接口，能输出图象分析结果。

上述前面三种都只能输出二维信息，后面两种虽然能提供3D的信息，但是具有如下的局限性：

3D机器视觉传感器：配合使用线激光，采用扫描方式，被检测物体需要相对于激光发生装置进行运动，每次只能输出反映高度信息的一条线的数据，后续还需要进行采集和拼接，才能变成一幅可供分析的图像。

3D智能相机：也是配合使用线激光，采用扫描方式，被检测物体需要相对于激光发生装置进行运动，该方法在相机内对于三维数据进行了拼接，经过分析后直接输出测量的结果。该方法灵活性和开放性不够，往往造价较高。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术存在的不足，而提供一种3D机器视觉信号的生成方法及3D机器视觉传感器。可以实现：1.对于一个视野内的检测，不需要进行扫描，提升检测的速度。2.输出结果是连续的图像，每一帧图像代表一次采集的结果。3.输出彩色图像为后续的检测和测量提供原始数据。4. 仅需要采集一帧图像，就可以得到待测物体的深度方向（Z轴）数据。

实现本发明的方法是：将编码器、投影装置、相机、数据传输接口、后续处理装置集成在一个产品里，再将求取的3D点云转化成BMP彩色像素，用不同的色阶表现不同的物体高度，从而输出蕴含三维信息的彩色图像信号，其中：

A.将正弦亮度变化的黑白图像投射到待测物体表面，包括下列步骤：

由计算机生成灰度值呈正弦变化的条纹图像；

将条纹图像的灰度变化范围设为[-п，п]，每一条条纹的灰度值在图像中都是唯一的；

将生成的条纹图像一次投射在待测物体表面；

B. 对物体表面进行拍照并将图像数据经数据传输接口连接到后续处理装置，包括下列步骤：

对物体表面进行拍照，所获得的二维图像包含了经过物体表面调制后的黑白条纹相位信息；

经过图像采集和处理单元进行采集并经过处理，获得物体表面的轮廓数据；

将物体表面的轮廓数据经数据传输接口发送到后续处理装置；

C.后续处理装置将三维数据处理成3D伪彩色图像，经过对该伪彩色信号进行处理从而完成3D测量或检测。

该方法还包括：

在生成伪彩色图像时，所述的高度（Z）坐标信息通过调色板规定的对应关系，转化成色阶，并由RGB分量表示，它决定了点云中单个像素的颜色色阶，综合了行列信息（XY）和颜色信息（RGB）的像素集合构成了一幅Bitmap 图，将Bitmap 图加上头文件和结尾标识之后就构成了不同的彩色图像格式，即伪彩色图像。

所述的B中涉及的经过处理包括对采集到的黑白条纹图像的相位求解，利用图像产生原理中提到的条纹灰度值的唯一性，可以确定每一条黑白条纹在序列中的位置，进而确定经物体轮廓调制后的条纹相位差，获得条纹相位差之后，再进一步获得每一条条纹的投影角，通过投影角和高度信息的对应关系，得到每一个像素的三维信息，即行（X）、列（Y）、高度（Z）坐标信息，视野范围内的所有含有三维信息的像素构成待测物体的轮廓点云。

实现本发明的3D机器视觉传感器是：将编码器、投影装置、相机、数据传输接口、后续处理装置集成在一个产品里，最后输出蕴含三维信息的彩色图像信号；其中：工作外围系统包括被检测对象、3D机器视觉传感器、数据传输接口、PC工控机或其他数据处理装置，其中视觉传感器包括条纹图像投射单元和CCD相机单元，，其中条纹图像投射单元将正弦亮度分布条纹投射到被检测对象表面，CCD相机单元将检测对象表面的图像经过处理后连续输出，并经数字传输接口发送到PC工控机或其他数据处理装置。

该3D机器视觉传感器还包括：

所述的3D机器视觉传感器，其特征是所述的条纹图像投射单元包括正弦亮度分布图像发生器和图像投影装置，其中正弦亮度分布图像发生器与图像投影装置连接；相机单元包括图像采集及处理单元、CCD前端处理器、CCD感光元件和C Mount 镜头接口，其中图像采集及处理单元经CCD前端处理器、CCD感光元件与C Mount 镜头接口连接，图像采集及处理单元还分别与正弦亮度分布图像发生器和数据传输接口连接。

所述的条纹图像投影装置（投影仪）包括三色LED光源、DLP处理器、输入接口和变焦式投影镜头。

本发明具有的有益效果：

一次检测任务内，不需要扫描就能对一个面进行完整的检测。

输出反映检测视野范围内的三维信息，包括：平面X Y的坐标信息和高度方向Z的坐标信息。

用颜色反映高度方向的信息，内置调色板确定颜色色阶和高度的对应关系。

输出的伪彩色图像可供后续的处理。

由于无需相对运动就可以进行检测，处理速度得以提升。

仅需要采集一帧图像，就可以得到待测物体的深度方向（Z轴）数据。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的系统框图。

图3是图2的视觉传感器框图。

图4是3D工业摄像机的示意图。

图5是图4的内部结构示意图。

图中：1 PC工控机或其他数据处理装置、2 3D工业摄像机、21图像采集及处理单元、22 CCD前端处理器、23 CCD感光元件、24 C Mount 镜头接口、25正弦亮度分布图像发生器、26图像投影装置、3被检测对象、4数据传输接口、5镜头、6相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

方法及工作原理如下（如图1所示）：

将正弦型亮度分布的黑白投影图像通过图像发生器以及投影装置投射到待测物体表面，该投影装置主要采用微型投影模块（包括三色LED光源、DLP处理技术、输入接口、变焦式投影输出等）。CCD图像采集系统(包含CCD感光元件、前端处理器和输出接口等)对物体表面进行拍照，获得的二维图像包含了待测物体表面的灰度图像和轮廓，经过图像采集及处理单元进行采集，并经过处理，获得物体表面的轮廓数据。其处理过程包括对采集到的黑白图像的相位信息反解出相位值，此相位值中隐含着物体的形貌信息。获得相位差之后，再进一步获得投射光线的投影角，通过投影角和高度信息的对应关系，得到每一个像素的三维信息，即行（X）、列（Y）坐标，还有高度（Z坐标）。视野范围内的所有含有三维信息的像素构成待测物体的轮廓点云。高度信息通过调色板规定的对应关系，可以转化成色阶，由RGB分量表示，它决定了点云中单个像素的颜色色阶。综合了行列信息（XY）和颜色信息（RGB）的像素集合构成了一幅Bitmap 图，加上头文件和结尾标识之后就可以构成不同的彩色图像格式。彩色图像经过数字式的传输接口连接到后续的处理装置，从而完成3D测量或检测。

具体步骤如下：（如图1所示）

开始；

标定相机和投影装置；

获取相机和投影装置内外参数；　　　

将正弦亮度分布图像投影到物体表面；

获取物体表面的拍照图像；

对图像进行滤波和去噪处理；

图像二值化；

获取图像投影投射角；

三维重构计算、获取三维点云数据；

用色阶表现点云数据；

数据结果传输至后续处理装置；

结束。

系统包括（如图2所示）：被检测对象3、3D工业摄像机（视觉传感器）2、数据传输接口4、PC工控机或其他数据处理装置1。

工作过程：由视觉传感器的编码器产生的正弦灰度条纹经过投影装置（如：投影仪）投射到物体表面，相机对物体拍照并输出连续的图像经过数字传输接口发送到PC 工控机或者其他数据处理装置。

机器视觉传感器包括（如图3所示）：图像采集及处理单元21、CCD前端处理器22、CCD感光元件23、C Mount 镜头接口24、正弦亮度分布图像发生器25、图像投影装置26。

工作过程：

3D 机器视觉传感器的工作过程：外围系统输出控制信号给到3D 视觉传感器，触发视觉传感器工作；视觉传感器在被触发之后，投射正弦亮度分布条纹到被测物体表面，并对物体进行拍照；经过3D 视觉传感器内置的处理系统对拍摄的图像进行处理，生成含有高度信息的伪彩色图像；3D 视觉传感器通过数字接口输出伪彩色图像；外围系统通过查询，当3D机器视觉传感器准备好伪彩色图像后，按照通信协议发出传输指令，通知3D 视觉传感器输出伪彩色图像；3D 视觉传感器接受到传输指令后，朝数字通信接口发送伪彩色图像数据；外围系统在接收到完整的一帧图像后，启动测量或检测软件模块对其进行必要的处理。如此就完成了3D 视觉传感器的整个工作过程。

名词解释：

标定：确定视像空间和物理空间之间的关系，建立量化的传输方程。

内外参数：标定过程中的诸多参数。

二值化：将一幅图像按照选定的灰阶的阈值，划分成黑白两种不同的像素。

如何获取投射光线的投影角：通过相位差的计算实现。

三维重构：就是基于获取到的二维图像信息及已知的空间几何关系，建立起物体的空间（三维）模型。

Claims

1.一种3D机器视觉信号的生成方法，其特征是包括将编码器、投影装置、相机、数据传输接口、后续处理装置集成在一个产品里，再将求取的3D点云转化成BMP彩色像素，用不同的色阶表现不同的物体高度，从而输出蕴含三维信息的彩色图像信号；其中：

由计算机生成灰度值呈正弦变化的条纹图像；

将生成的条纹图像一次投射在待测物体表面；

2.如权利要求1所述的3D机器视觉信号的生成方法，其特征是所述的B中涉及的经过处理包括对采集到的黑白条纹图像的相位求解，利用图像产生原理中提到的条纹灰度值的唯一性，可以确定每一条黑白条纹在序列中的位置，进而确定经物体轮廓调制后的条纹相位差，获得条纹相位差之后，再进一步获得每一条条纹的投影角，通过投影角和高度信息的对应关系，得到每一个像素的三维信息，即行（X）、列（Y）、高度（Z）坐标信息，视野范围内的所有含有三维信息的像素构成待测物体的轮廓点云。

3.如权利要求2所述的3D机器视觉信号的生成方法，其特征是所述的高度（Z）坐标信息通过调色板规定的对应关系，转化成色阶，并由RGB分量表示，它决定了点云中单个像素的颜色色阶，综合了行列信息（XY）和颜色信息（RGB）的像素集合构成了一幅Bitmap 图，将Bitmap 图加上头文件和结尾标识之后就构成了不同的彩色图像格式，或称伪彩色图象。

4.如权利要求1所述的3D机器视觉信号的生成方法，其特征是还包括下列步骤：

开始；

标定相机和投影装置；

获取相机和投影装置内外参数；　　　

将正弦亮度分布图像投影到物体表面；

获取物体表面的拍照图像；

对图像进行滤波和去噪处理；

图像二值化；

获取图像投影投射角；

三维重构计算、获取三维点云数据；

用色阶表现点云数据；

数据结果传输至后续处理装置；

结束。

5.实现权利要求1的3D机器视觉信号生成方法的3D机器视觉传感器，其特征是将编码器、投影装置、相机、数据传输接口、后续处理装置集成在一个产品里，最后输出蕴含三维信息的彩色图像信号；其中：工作外围系统包括外围被检测对象、3D机器视觉传感器、数据传输接口、PC工控机或其他数据处理装置，其中3D机器视觉传感器包括条纹图像投射单元和CCD相机单元，其中条纹图像投射单元将正弦亮度分布条纹投射到被检测对象表面，CCD相机单元将检测对象表面的图像经过处理后连续输出，并经数字传输接口发送到PC工控机或其他数据处理装置。

6.如权利要求5所述的3D机器视觉传感器，其特征是所述的条纹图像投射单元包括正弦亮度分布图像发生器和图像投影装置，其中正弦亮度分布图像发生器与图像投影装置连接；相机单元包括图像采集及处理单元、CCD前端处理器、CCD感光元件和C Mount 镜头接口，其中图像采集及处理单元经CCD前端处理器、CCD感光元件与C Mount 镜头接口连接，图像采集及处理单元还分别与正弦亮度分布图像发生器和数据传输接口连接。

7.如权利要求6所述的3D机器视觉传感器，其特征是所述的正弦亮度分布图像投影装置包括三色LED光源、DLP处理器、输入接口和变焦式投影镜头。