圖1.簡單的投影莫爾系統(tǒng)執(zhí)行3D輪廓測量。
我們通常認(rèn)為，使用正確的照明是機(jī)器視覺應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。低角度照明可能會帶來表面紋理或有用的陰影，背光提供干凈的部分輪廓，偏振濾光片可以減少不必要的眩光。這些眾所周知且廣泛使用的工具已經(jīng)存在了幾十年。
此類工具的高端包括3D方法，但這是以組件更復(fù)雜為代價(jià)的，通常需要更多時(shí)間來收集好的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也需要更多數(shù)據(jù)來分析。對于許多應(yīng)用程序來說，并不真正需要完整的3D數(shù)據(jù)，但是具有表面灰度圖像的2D圖像之外的東西可能非常有價(jià)值。
例如，鑄造金屬部件的圖像通常很少提供有關(guān)表面特征的信息。輪廓線以外的任何結(jié)構(gòu)的邊緣都可能提供較差的清晰度。由于表面形狀引起的任何光的變化都可能由于表面紋理、石墨粉塵或零件上的油脂引起的表面亮度變化而丟失。
許多系統(tǒng)可能部署激光線傳感器或三維結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)，但有一種可能的工具已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但很少使用，那就是摩爾紋。
圖2.邊緣方向或間距變化的莫爾條紋圖案表示零件表面的傾斜或偏轉(zhuǎn)，并隨著零件的移動固定在零件表面上。瓶子（右）上的標(biāo)簽邊緣可以看作是通過制動器在標(biāo)簽頂部的圖案中從表面上抬起。
摩爾紋是由兩個(gè)光柵圖案的干涉產(chǎn)生的。通過將光柵投射，遮蔽或接觸到待測物體上并通過覆蓋兩個(gè)光柵圖像將該光柵與一些參考光柵進(jìn)行比較來產(chǎn)生對象光柵。在輪廓加工的情況下（圖1），從與投影或遮蔽到零件上的角度不同的角度觀察光柵，從而產(chǎn)生三角測量效果。如果參考光柵是直線光柵，則兩個(gè)光柵之間的拍子圖形形成物體表面的等高線圖，其方式與地形圖描繪陸地輪廓的方式相同。
摩爾輪廓的解釋在視覺上很簡單。物體的傾斜產(chǎn)生均勻間隔的線，而彎曲或扭曲顯示可變間距。摩爾線或條紋的方向和間距純粹是主體形狀的函數(shù)，而不是線條的方向（圖2）。摩爾輪廓線具有一系列光量計(jì)的效果，該光線將一條線以一定角度投射到零件上并擴(kuò)展該效果以在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)提供一定程度的預(yù)處理。
圖3.圖案的簡單旋轉(zhuǎn)增加了交叉條紋的數(shù)量（左），但由于透視角度改變到零件的部件或形狀而引起的頻率變化引入了不同的圖案（右）。
這種摩爾效應(yīng)還通過采用線的非常小的位移來放大圖案的靈敏度并且放大效果使得可以容易地看到它。許多光學(xué)玻璃刻度尺測量系統(tǒng)在兩個(gè)這樣的光柵之間使用莫爾圖案，因?yàn)楦菀卓吹胶蜏y量大的莫爾“節(jié)拍”圖案而不是解決非常小的光柵線的移動。
對于3D測量，這種摩爾圖案允許測量零件形狀的微小變化，對于簡單的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，該變化低于相機(jī)或傳感器的分辨率極限，因此無法測量。作為一種增強(qiáng)工具，摩爾圖案在輕柔彎曲的零件表面上產(chǎn)生直觀的圖案，增強(qiáng)了大多數(shù)簡單定向照明方法不可見的特征，并創(chuàng)建一個(gè)可以使用基本工具（如邊緣檢測器和許多智能相機(jī)中的模式匹配）進(jìn)行定量解釋的模式。
圖4.這幅圖像顯示了在一個(gè)彎曲部分上應(yīng)用的光柵的多條條紋上的莫爾條紋。在摩爾條紋圖像中，條帶對齊的變化在視覺上是明顯的。
使用該摩爾效應(yīng)來觀察由于凹痕，曲率變化或?qū)ο蟊砻嫔系那史较蛞鸬男∪毕荩恍枰删哂袛?shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的3D地圖。在觀察具有通過另一個(gè)光柵投射或附著到部件的線圖案的部件時(shí)，可以看到部件上的圖案相對于參考光柵（圖3）的取向變化，表明表面的傾斜或取向，在該表面上存在任何異常，例如凹痕。這里可以看到一種模式，因?yàn)樾虚g距的變化和與部件形狀相關(guān)的傾斜更像是地形圖，而不是在使用信息之前必須適合數(shù)學(xué)表面的某些復(fù)雜的線條圖案。
與具有摩爾條紋輪廓線的簡單結(jié)構(gòu)光圖案不同，圖案的輪廓效果隨著零件移動。通過將被認(rèn)為是正確的參考部分的莫爾圖案與被測部件進(jìn)行比較，從使用圖案匹配工具看到的摩爾圖案中減去部件的一致形狀，并僅留下關(guān)于部件表面形狀變化的信息，可能。在向瓶子上貼標(biāo)簽時(shí)（圖2），可以看到標(biāo)簽上的皺紋，而無需首先將數(shù)據(jù)擬合到瓶子的形狀上，并對一百萬個(gè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的3D比較。圖4顯示了應(yīng)用于平坦部分表面的兩個(gè)光柵的莫爾圖案。產(chǎn)生莫爾條紋的參考是一個(gè)簡單的直線光柵。線的取向變化是由于兩個(gè)施加的光柵之間僅有幾度的角度差。
圖5.此圖像顯示的是一張平坦的紙張（頂部）。使用簡單的莫爾條紋設(shè)置（左）顯示紙張不平整，甚至在中間（底部）有折痕。
摩爾效應(yīng)的力量可以通過一個(gè)簡單的演示看到。圖5顯示了一個(gè)陰影云紋設(shè)置與光柵上方的一張紙。在沒有光柵的情況下，典型的灰度圖像幾乎沒有結(jié)構(gòu)。但是在這下面是同一張紙，左邊是陰影莫爾設(shè)置產(chǎn)生的莫爾圖案。盡管從簡單的圖像中看不到它們，但是紙張的曲線和折痕的存在是明顯的。
圖6.由莫爾條紋增強(qiáng)的斜邊（左）和皺紋標(biāo)簽（右）使這兩種特征明顯，可以使用簡單的智能相機(jī)測量而無需計(jì)算3D表面。
圖6顯示了斜邊和帶有和沒有莫爾效應(yīng)的皺紋標(biāo)簽。通過找到莫爾線的角度變化，可以使用許多智能相機(jī)中提供的簡單邊緣角度工具來測量斜角或識別皺折。
圖7中示出了一個(gè)更具戲劇性的例子，其中2英寸直徑的區(qū)域在部件的頂部表面下方約0.25英寸處凹陷，但是平行于千分之幾英寸。該平行度誤差僅相對于頂面的凹陷區(qū)域的大約十分之一度，但是線的角度的微小變化使得該平行度誤差明顯。
圖7.這兩個(gè)表面不平行，誤差僅為幾千英寸。
觀察角度變化所需的唯一測量包括計(jì)算平面給定區(qū)域的線數(shù)。如果每條莫爾線表示0.02英寸的距離變化（圖6中的分辨率），那么一個(gè)表面上的一條條紋線與另一條表面上的另一條條紋線的變化超過4英寸意味著變化約為4.5°。在一英寸或更大的區(qū)域內(nèi)看到小于一度的變化是切合實(shí)際的。
圖8顯示了兩個(gè)錐形為30°和45°的孔。使用莫爾紋增強(qiáng)圖像可以通過計(jì)算從孔中心到邊緣的線來識別使用的錐度。
由于莫爾條紋可突出部件相對于視野區(qū)域的深度變化非常小，因此通過增強(qiáng)莫爾條紋可以大大簡化4到6英尺大的鈑金面板上的凹痕檢查。該圖像顯示了一個(gè)大約4英尺寬的車門。右下方的凹痕深約0.004英寸。雖然肉眼很難看到，甚至感覺不到，但一旦在汽車上涂上高光漆，從那個(gè)地方反射出來的光線就會對顧客產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。
圖8。兩個(gè)孔的錐度差可以通過計(jì)算直線數(shù)來確定。
結(jié)論
許多機(jī)器視覺應(yīng)用中，關(guān)鍵因素涉及測量相對于斜邊的特征、將兩個(gè)表面相互對齊以進(jìn)行焊接或分類錐形零件。摩爾成像方法可以創(chuàng)建地形圖，直觀地突出表面坡度或曲率的變化，可與標(biāo)準(zhǔn)視覺工具（如邊緣計(jì)數(shù)或間距）一起使用，而無需生成完整的3D表面圖。通過突出顯示，智能相機(jī)可以檢查形狀特征，而無需完整的實(shí)體模型和廣泛的編程工作。
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