устройство для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта

Формула изобретения

1. Устройство для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта методом структурированной подсветки, содержащее источник структурированной подсветки и последовательно установленные по ходу излучения первый объектив, проецирующий изображение источника структурированной подсветки на поверхность объекта, второй объектив и фоторегистратор, преобразующий в цифровое изображение искаженное рельефом поверхности объекта изображение источника структурированной подсветки, спроецированное на его вход вторым объективом, при этом выход фоторегистратора соединен с входом цифрового электронного блока, выполненного с возможностью определения координат рельефа поверхности объекта, отличающееся тем, что источник структурированной подсветки выполнен в виде матрицы элементов двух геометрически отличающихся друг от друга типов, изображения которых первый объектив проецирует на поверхность объекта, при этом последовательность элементов источника структурированной подсветки в каждой строке матрицы отличается от их последовательности, по крайней мере, в каждой из соседних с ней строк матрицы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что последовательность элементов источника структурированной подсветки в каждой строке матрицы отличается от их последовательности в любых других строках матрицы.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительно последовательность элементов источника структурированной подсветки в каждом столбце матрицы отличается от их последовательности, по крайней мере, в каждом из соседних с ним столбцов матрицы.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что последовательность элементов источника структурированной подсветки в каждом столбце матрицы отличается от их последовательности в любом другом столбце матрицы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы источника структурированной подсветки, образующие прямоугольную матрицу, выполнены в виде прямоугольника и круга.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля рельефа трехмерных объектов, а также для их визуализации. Оно может использоваться в технологических процессах контроля и формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и т.п.). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики, а также при решении задач распознавания образов, в том числе в системах охраны.

Известны устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются для контроля рельефа трехмерных объектов, а также в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности.

Известно устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат контролируемой поверхности по формуле: Z(x;y)= Y(x,y)/tg , где Z(x;y) - значение высоты рельефа поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, Y(x,y) - величина искривления линейчатой структуры в этой точке, - угол между направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива (см., например, WO 99/58930 А1, опубл. 18.11.1999). Недостатками известного устройства является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного транспарантом вдоль одной координаты, возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями и, тем более, сквозными отверстиями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Поскольку высота рельефа определяется по величине искажений линий, отсутствие в изображении собственно линий из-за наличия отверстий не позволяет распознать отверстия на контролируемой поверхности.

Известно устройство (US 6751344 В1, опубл. 15.06.2004) для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант в виде матрицы идентичных объектов (точек), два объектива, проецирующие изображение матрицы, возникающее на поверхности контролируемого объекта и искаженное рельефом поверхности контролируемого объекта, и фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора. Недостатками известного устройства является высокая погрешность контроля, сложность его осуществления, а также ограниченные функциональные возможности за счет невозможности однозначно идентифицировать используемые при обработке области изображения из-за использования матрицы периодически расположенных идентичных элементов, так как именно периодичность структурированной подсветки (т.е. отсутствие уникальных зон) затрудняет однозначное определение отдельных фрагментов поверхности. Например, взаиморасположения носа, уголков рта, бровей и других деталей на лице человека при решении задач биометрического распознавания в реальном времени.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности является выбранное в качестве прототипа устройство (WO 03/078927 А1, опубл. 27.02.2003) для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта методом структурированной подсветки (см. фиг.1), включающее источник излучения 1 и транспарант 2 в виде слайда с линейчатой структурой, образующих источник структурированной подсветки, и последовательно установленные по ходу излучения первый проекционный объектив 3, второй объектив 4, проецирующий изображение искаженной рельефом поверхности структурированной подсветки, формируемой на поверхности контролируемого трехмерного объекта на вход фоторегистратора 5, выполненного с возможностью преобразования спроецированного на его вход изображения в цифровое, выход которого соединен со входом цифрового электронного блока - компаратора 6, в памяти которого хранится цифровое изображение периодической по одной координате линейчатой структуры и выход которого соединен с входом основного электронного блока 7, выполненного с возможностью определения координат рельефа путем пересчета фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат поверхности контролируемого объекта по формуле: Z(x;y)= Y(x,y)/tg , где Z(x;y) - значение высоты рельефа поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X, Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, Y(x,y) - величина искривления линейчатой структуры в этой точке; - угол между оптическими осями первого и второго объективов.

Известное устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Источник излучения 1 освещает транспарант 2 (фиг.2), изображение которого с помощью первого проекционного объектива 3 проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой искажает изображение транспаранта. Второй объектив 4 проецирует сформированное на поверхности контролируемого объекта искаженное ее рельефом изображение структурированной подсветки на чувствительную площадку фоторегистратора 5. Дополнительный цифровой электронный блок - компаратор 6 преобразует сигнал с выхода фоторегистратора путем вычитания из цифрового изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта цифрового изображения линейчатой структуры структурированной подсветки, периодической вдоль двух координат, цифрового изображения линейчатой структуры, периодической вдоль одной из координат (фиг.3), хранящейся в памяти дополнительного цифрового электронного блока - компаратора 6. В основной электронный цифровой блок 7 поступает сигнал, кодирующий цифровое изображение искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки, в котором областям с отрицательным значением освещенности соответствуют области сквозных отверстий. Таким образом, при вычислении в электронном цифровом блоке значений высота рельефа и соответствующей пары координат, зоны с отрицательными значениями освещенности однозначно интерпретируются как области, соответствующие сквозным отверстиям.

Недостатками известного устройства являются недостаточная точность определения координат и неоднозначное определение координат рельефа отдельных фрагментов поверхности, например, взаиморасположения носа, уголков рта, бровей и других деталей на лице человека при решении задач биометрического распознавания в реальном времени из-за использования периодичной структурированной подсветки. Кроме того, не обеспечивается достаточная скорость контроля, тогда как во многих технологиях, в том числе и в системах охраны время контроля играет важную роль, так как при решении задач распознавания время регистрации изображения объекта контроля и его распознавания часто бывает ограничено.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в повышении точности определения координат рельефа поверхности трехмерных объектов при одновременном увеличении скорости определения указанных координат.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта методом структурированной подсветки, содержащем источник структурированной подсветки и последовательно установленные по ходу излучения первый объектив, проецирующий изображение структурированной подсветки на поверхность объекта, второй объектив и фоторегистратор, преобразующий в цифровое изображение искаженное рельефом поверхности объекта изображение структурированной подсветки, спроецированное на его вход вторым объективом, при этом выход фоторегистратора соединен со входом цифрового электронного блока, выполненного с возможностью определения координат рельефа поверхности объекта, источник структурированной подсветки выполнен в виде матрицы, строки и столбцы которой состоят из элементов двух геометрически отличающихся друг от друга типов. Изображение матрицы первый объектив проецирует на поверхность объекта. Последовательность элементов источника структурированной подсветки двух типов в каждой строке матрицы отличается от их последовательности, по крайней мере, в каждой из соседних с ней строк матрицы.

Кроме того, последовательность элементов источника структурированной подсветки двух типов в каждой строке матрицы может отличаться от последовательности элементов двух типов в любых других строках матрицы.

Помимо этого дополнительно последовательность элементов двух типов в каждом столбце матрицы отличается от последовательности элементов двух типов, по крайней мере, в каждом из соседних с ним столбцов матрицы. Кроме того, наиболее целесообразно, если дополнительно последовательность элементов двух типов в каждом столбце матрицы отличается от последовательности элементов двух типов в любом другом столбце матрицы.

При этом элементы источника структурированной подсветки, образующих прямоугольную матрицу, могут быть выполнены, например, в виде прямоугольника и в виде круга.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена схема прототипа предлагаемого устройства для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта.

На фиг.2 показана структура слайда, реализующего транспарант в прототипе.

На фиг.3 показано цифровое изображение линейчатой структуры, хранящееся в памяти дополнительного цифрового блока устройства, изображенного на фиг.1.

На фиг.4 изображена схема предлагаемого устройства для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта.

На фиг.5 показано изображение одной из возможных реализации структурированной подсветки в предлагаемом устройстве для бесконтактного контроля рельефа поверхности трехмерного объекта.

Рассматриваемое устройство для бесконтактного контроля рельефа трехмерных объектов методом структурированной подсветки (фиг.4) содержит источник структурированной подсветки (ИСП) 8, формирующий линейчатую структуру подсветки на поверхности контролируемого объекта, и последовательно установленные по ходу излучения первый объектив 9, проецирующий изображение структурированной подсветки на поверхность объекта, второй объектив 10, проецирующий изображение искаженной рельефом поверхности объекта структурированной подсветки, формируемой на поверхности контролируемого трехмерного объекта, на вход фоторегистратора 11. Фоторегистратор 11 выполнен с возможностью преобразования спроецированного на его вход изображения в цифровое, при этом его выход соединен со входом цифрового электронного блока 12, выполненного с возможностью определения высоты рельефа поверхности объекта путем пересчета фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений структурированной подсветки в величины высоты рельефа поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X, Y по формуле

Z(x;y)= Y(x,y)/tg ,

где Y(x,y) - величина искривления линейчатой структуры в этой точке;

- угол между оптическими осями первого объектива 9 и второго объектива 10.

Отличием предлагаемого устройства является то, что источник структурированной подсветки (ИСП) 8 выполнен в виде матрицы элементов источника структурированной подсветки, проецируемой с помощью первого объектива 9 на поверхности трехмерного контролируемого объекта. Элементы источника структурированной подсветки двух типов, геометрически отличающихся друг от друга, расположены вдоль строк и столбцов матрицы и формируют линейчатую структуру.

При этом последовательность элементов источника структурированной подсветки двух типов в каждой строке матрицы отличается от последовательности элементов двух типов в каждой из соседних к ней строк матрицы, т.е. в зависимости от порядкового номера строки (ее расположения в матрице) последовательность элементов двух типов, например, в первой и в последней строках отличается от последовательности элементов двух типов, по крайней мере, соответственно, во второй и предпоследней строках, а последовательности элементов в любой другой строке отличается от последовательности элементов двух типов по крайней мере в предыдущей и последующей строках матрицы.

При этом наиболее оптимально, если последовательность элементов двух типов в каждой строке матрицы отличается от последовательности элементов двух типов в любых других строках матрицы.

Кроме того, целесообразно, чтобы одновременно с указанным выше выполнением строк матрицы последовательность элементов двух типов в каждом столбце матрицы отличалась от последовательности элементов двух типов по крайней мере в каждом из соседних к нему столбцов матрицы, т.е. в зависимости от порядкового номера столбца последовательность элементов двух типов, например, в первом и в последнем столбцах отличалась от последовательности элементов двух типов по крайней мере, соответственно, во втором и предпоследнем столбцах, а последовательности элементов в любом другом столбце отличалась от последовательности элементов двух типов по крайней мере в предыдущем и последующем столбцах матрицы. При этом в варианте, обеспечивающем наиболее точное определение рельефа, наиболее целесообразно, чтобы последовательность элементов двух типов в каждом столбце матрицы отличалась от последовательности элементов двух типов в любых других столбцах матрицы.

При этом в качестве множества элементов двух типов, образующих прямоугольную матрицу, могут быть использованы, например, элементы в виде прямоугольника и в виде круга. Причем при уменьшении размеров используемых элементов они могут иметь вид, соответственно, «тире» (т.е., иными словами, отрезка прямой линии) и точки. Однако в общем случае в качестве возможных элементов могут быть использованы любые другие элементы и их сочетания, например, треугольники, многоугольники, полукруги, дуги кривых и т.п.

Кроме того, следует отметить, что источник структурированной подсветки 8 может быть выполнен из источника излучения и транспаранта в виде слайда с матрицей элементов двух видов. Однако вместо слайда может использоваться, например, управляемый транспарант, например, в виде жидкокристаллического дисплея. Кроме того, источник структурированной подсветки может быть выполнен в виде матрицы светодиодов, причем геометрия излучателей (излучающих переходов) выполняется двух типов, например в виде отрезка линии (прямоугольника) и круга (точки).

Благодаря такому выполнению источника подсветки каждой строке и каждому столбцу матрицы соответствует свой уникальный двоичный код. Так, например, верхней строке матрицы на фиг.5 соответствует код 1100100010000000. В данном примере коду «1» соответствует прямоугольник в виде «штриха» или «тире», а коду «0» - круг (точка).

Таким образом, получена возможность уникальным образом формировать каждые строку и столбец матрицы, изображение которых проецируют на поверхность контролируемого объекта, что в свою очередь позволяет с более высокой точностью и скоростью определять координаты рельефа контролируемой поверхности объекта.

Кроме того, сформированный таким образом матричный источник структурированной подсветки дает возможность однозначно идентифицировать любые интересующие области контролируемой поверхности, в том числе, соответствующие сквозным отверстиям или участкам с отражательной способностью, недостаточной для регистрации отраженного излучения. А также обеспечивается возможность выявления локальных экстремумов рельефа на поверхности контролируемого объекта при наличии априорной информации об их существовании.

Устройство работает следующим образом. Источник структурированной подсветки с помощью объектива 9 формирует изображение описанной выше матрицы (см., например, фиг.5), составленной из элементов двух видов, на поверхности контролируемого объекта, рельеф которой искажает изображение матрицы. Второй объектив 10 проецирует сформированное на поверхности контролируемого объекта искаженное ее рельефом изображение структурированной подсветки на чувствительную площадку фоторегистратора 11. Фоторегистратор 11, регистрирующий изображение структурированной подсветки, искаженной поверхностью контролируемого объекта, преобразует спроецированное на его вход изображение в цифровую форму. В качестве фоторегистратора 11 может быть использована, например, цифровая телевизионная камера или телевизионная камера, выход которой соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом фоторегистратора. При этом выход фоторегистратора 11 соединен со входом цифрового электронного блока 12, который осуществляет обработку фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений структурированной подсветки и определение величины высоты рельефа поверхности контролируемого объекта путем определения координат рельефа в точках с координатами X, Y по формуле: Z(x;y)= Y(x,y)/tg , где Y(x,y) - величина искривления линейчатой структуры в этой точке; - угол между оптическими осями первого и второго объективов, которые обычно совпадают с оптическими осями, соответственно, источника структурированной подсветки и фоторегистратора.

При этом, как уже указывалось выше, для обработки изображения структурированной подсветки, искаженной рельефом контролируемой поверхности, регистрируются уникальные данные о каждом участке контролируемой поверхности, что позволяет ее однозначно идентифицировать. В качестве примера на фиг.5 показан вариант выполнения матрицы источника структурированной подсветки, при этом позициями 13-16 обозначены области (условно 4 на 4 элемента), участвующие в цифровой обработке изображения в соответствии с фиксированным тактом выполнения используемой программы обработки.

Сравнение изображений показывает, что в каждой из выделенных областей возможно формирование уникальной конфигурации подсветки.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства обеспечена возможность однозначно идентифицировать участки контролируемой поверхности, в которых с наперед заданной точностью возможно определение рельефа и выделение сквозных отверстий, что обеспечивает повышение точности и скорости определения и контроля рельефа трехмерного объекта.