一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法与流程

本发明涉及一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，属于精密测量。

背景技术：

1、碳纤维复合材料结构已广泛应用于卫星及武器装备领域，产品研制需求日益增长，对研制质量、周期和效率提出了高要求，产品的检验检测效率和能力已经成为制约产品研制的生产瓶颈。

2、碳纤维复合材料结构在制作、加工和试验过程中，受工艺、材料特性和服役条件等因素影响，容易出现型面精度超差，从而影响其使用性能，因此对碳纤维复合材料结构的有效检测和质量评估尤为重要。但目前碳纤维复合材料结构一般采用人工方式进行型面精度检测，检测效率低，部分产品不可检不可测，缺乏有效检测手段，难以满足任务快速增长的研制需求。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，碳纤维复合材料结构的型面精度检测方式效率低下、可行性差的问题，提出了一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法。

2、本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

3、一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，包括：

4、于待测结构外侧布置光栅投射器、相机，预设光栅投射器的投射条纹参数、相机的曝光时间及原始条纹图像的采集次数；

5、通过光栅投射器向待测结构表面投射光栅条纹；

6、通过相机拍摄待测结构表面的条纹图像并进行解析处理；

7、根据解析后条纹图像各物点的条纹相位值，确定任一物点于各条纹图像中的同名像点；

8、对各物点的同名像点进行解算，获取各物点的三维坐标，根据所有三维坐标确定待测结构表面的三维模型结构。

9、当相机采集的条纹图像为饱和条纹图像时，相机通过n步相移算法，确定饱和条纹图像对应的包裹相位偏差，具体为：

10、相机采集的条纹图案为：

11、

12、式中，ii表示相机采集到的第i幅相移条纹图，n则代表投射相移条纹图案的步数，(x,y)表示相机像平面坐标系的坐标，i′(x,y)表示背景光平均亮度，i″(x,y)表示条纹图案的调制度，表示包裹相位；

13、当条纹图像饱和时，包裹相位的确定方法为：

14、

15、

16、

17、式中，δi(x,y)为条纹图案亮度偏差，为实际解算包裹相位，为包裹相位偏差；

18、相机通过调整投射相移条纹图案的步数n以减小条纹图案解算所得包裹相位偏差以实现条纹图像解析处理。

19、所述光栅投射器投射光栅条纹时，设置不同组的光栅条纹投射参数a和b，投射前根据同组数亮度不同的条纹图像，将各组条纹图像按照亮度从低到高排列，记录为k表示亮度等级数，取值为0,1,2,...,n，i表示相移数，取值为0,1,2,...,n-1，通过图像掩膜处理将条纹图像进行合成后，向待测结构表面投射光栅条纹。

20、图像掩膜处理进行条纹图像合成投射的方法为：

21、生成一组与光栅条纹图像大小、投射亮度、数量均相同的掩膜图像，掩膜图像中各张掩膜均对应各投射亮度等级；

22、统计各投射亮度等级下，各像素点(x,y)在n幅相移条纹图像中未饱和数量mk(x,y)；

23、选取未饱和数量大于等于3的像素点进行相位解算，根据未饱和数量对掩膜图像mk(x,y)进行赋值；

24、选取赋值后掩膜有效值数目大于1的像素点，将该像素点对应的条纹图像中调制度最大的亮度等级对应的像素点进行二次赋值，对二次赋值后的像素点进行条纹图像合成，作为投射用光栅条纹。

25、赋值后像素点对应的条纹图像的调制度为：

26、

27、于当前调制度上进行二次赋值，确定赋值后掩膜图像mk(x,y)；

28、

29、其中，投射用光栅条纹通过两次掩膜处理及赋值后，确定对于任一像素点，掩膜有效值数目都小于或等于1，投射用光栅条纹具体为：

30、

31、根据相机拍摄的待测结构表面的条纹图像对应调制度，建立条纹图像中的物体反射率、相移步数、投射频率、条纹投射亮度分别与调制度的参数理论模型，根据各参数理论模型确定相移步数、投射频率、条纹投射亮度参数对调制度关联度，确定各类参数与条纹图像对应调制度的权重关系，根据所得权重关系建立相机响应函数用于后续条纹图像的投射估计。

32、所述相机响应函数用于调节拍摄所得待测结构表面的条纹图像以满足待测结构表面的三维测量需求。

33、所述物体反射率通过待测结构表面标定获得，同一待测结构表面根据单次标定所得物体反射率实现后续所有三维测量。

34、所述光栅投射器、相机分别于光栅条纹投射过程、条纹图像拍摄过程中，通过逐次投射、逐次拍摄，实现光栅条纹的完整投射及条纹图像采集后的数据拼接。

35、所述任一物点于各条纹图像中的同名像点列为：

36、

37、通过光束调整算法进行解算以获取各同名像点对应三维坐标。

38、本发明与现有技术相比的优点在于：

39、(1)本发明提供的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，针对大尺寸复杂反射表面的高动态范围三维测量及复杂光分离难题，通过采用多亮度多步相移技术提升低反射率下信噪比、扩展传统条纹投射法的动态范围，结合条纹投射及图像采集参数最优组合搜索，实现复杂反射表面测量参数自适应设置，建立复杂反射光分离模型，进一步提升测量精度和完整率，实现完全无标志点的大尺寸复杂反射表面扫描测量，提升测量过程效率；

40、(2)本发明通过构建高精度光学自动检测系统，解决航天器碳纤维复合材料结构高精度检测效率低、存在不可测环节等问题，大幅提高产品检测效率和质量一致性保证能力。

技术特征：

1.一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

8.根据权利要求6所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

9.根据权利要求6所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

10.根据权利要求6所述的一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，其特征在于：

技术总结一种碳纤维结构复杂反射表面无标点光学三维测量方法，将条纹投射到被测表面上，相机同步拍摄条纹图像，解算条纹相位，进而分析由被测表面调制的条纹图像确定同名像点作为匹配点，对各物点的同名像点进行解算，获取各物点的三维坐标，根据所有三维坐标确定待测结构表面的三维模型结构；基于光栅投影的复杂反射表面自适应光学三维测量技术原理，使用大动态范围表面稠密三维测量方法，实现三维点云高效获取，同时建立相移步数、投射频率、投影仪亮度等参数的相机响应函数，实现复杂反射场景的智能参数设置；基于条纹投射三维摄影测量平差方法，实现大尺寸免标志点全局测量。技术研发人员：刘丽霞,王彬,杨凤龙,倪爱晶,洪友勰,赵婕,李强受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25