CN101033954A - 一种液体辅助断层扫描三维形状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法。包括步骤1)将被测三维空间表面与能使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线的液体接触；2)用成像装置获取轮廓线包含区域的图像，并用测距仪器测量和记录本次液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置信息；3)利用图像分析装置经分析得到上述轮廓线包含的图像的数字化信息；4)改变液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置，重复上述2)、3)步骤直至覆盖整个被测空间；5)通过图像数据处理系统对上述所有图像的数字化信息及对应的相对位置信息进行处理得到被测三维空间形状的数字化信息。由于本方法不仅适用于对物体的三维外表面形状进行测定，还特别适合对物体的三维内腔的形状进行测定，实施简单、设备价格便宜、适合大量应用。

Description

一种液体辅助断层扫描三维形状测量方法

                         技术领域

本发明涉及一种物体三维形状的测量方法，特别是一种液体辅助断层扫描三维形状测量方法。

该方法特别适合对鞋或艺术品类物体等这类比较封闭窄小的物体，进行精度要求不太高而主要关注形状的测量；该方法实施简单、价格便宜、适合大量应用。

                         背景技术

很多情况下我们要求对物体的形状进行测量，对于物体外形的测量现在已经有比较成熟的方法，包括机械测量的方法和光电测量的方法等，这些方法测量精度可以很高，测量数据的处理软件也已经很成熟，但实施这些方法的相应设备价格十分的高昂。并且对于物体内部特别是比较窄小空间内部的形状测量一直是一个难题，至今没有很好的方法，而工业界有很多领域对窄小的物体内部需要进行测量，例如制鞋业或艺术品类物体需要对其内部或外部形状进行测量，但又不能对其进行破坏。目前测量鞋内部形状的方法是将石膏注入鞋内部，石膏固化后拔出石膏，对石膏的外形进行测量后就可以反求出鞋内部的形状。这种测量方法由于石膏在固化过程中的收缩，和拔出过程中的破损，精度无法保证；同时由于操作周期比较长，效率比较低。

                         发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的不足而提供一种方法实施简单、设备价格便宜、适合大量应用的液体辅助断层扫描三维形状测量方法。

为达到上述目的，本发明公开了一种液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于：

1)将被测三维空间表面与能使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线的液面接触；

2)用成像装置获取轮廓线包含区域的图像，并用测距仪器测量和记录本次液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置信息；

3)利用图像分析装置经分析得到上述轮廓线包含的图像的数字化信息；

4)改变液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置，重复上述2)、3)步骤直至覆盖整个被测空间；

5)通过图像数据处理系统对上述所有图像的数字化信息及对应的相对位置信息进行处理得到被测三维空间形状的数字化信息。

由于本方法是采用液体辅助断层扫描的方式，不仅适用于对物体的三维外表面形状进行测定，还特别适合对物体的三维内腔的形状进行测定，所使用的成像装置及图像数据处理系统都是成熟的技术和产品，因此实施简单、价格便宜、适合大量应用。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

                         附图说明

图1为本发明测量装置具体实施例1结构示意图；

图2为本发明测量装置具体实施例1结构示意图。

                       具体实施方式

液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法的具体步骤如下：

首先将被测三维空间表面与能使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线的液面接触，具体可以是将被测三维空间表面与低透光性、颜色与被测三维空间表面对比度大的液体物质接触，使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线，其次用光学成像装置获取轮廓线包含区域的图像，光学成像装置可以是数码相机、普通照相机或摄像头；或者是将被测三维空间表面与密度大于被测三维空间的液体物质接触，其次用透视成像装置获取液面与被测三维空间表面接触的交界处轮廓线包含区域的图像，并用测距仪器测量和记录本次液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置信息；接着利用图像分析装置经分析得到上述轮廓线包含的图像的数字化信息；然后改变液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置，重复上述第2、3步骤直至覆盖整个被测空间；最后通过图像数据处理系统对上述所有图像的数字化信息及对应的相对位置信息进行处理得到被测三维空间形状的数字化信息。

本方法不仅适合于对物体外部形状进行测量，还特别适合对物体内部特别是比较窄小空间内部型腔的形状进行测量。

对于型腔形状的测量，首先将被测三维型腔表面与能使液面与被测三维内部表面接触的交界处出现明显的轮廓线的液面接触，具体可以是在被测的型腔注入低透光性、颜色与被测型腔表面对比度大的液体物质，使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线，其次用光学成像装置获取轮廓线包含区域的图像；或者是在被测的型腔注入密度大于被测三维空间的液体物质，其次用透视成像装置获取液面与被测三维空间表面接触的交界处轮廓线包含区域的图像，并用测距仪器测量和记录本次液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置信息；接着利用图像分析装置经分析得到上述轮廓线包含的图像的数字化信息；然后改变液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置，重复上述第2、3步骤直至覆盖整个被测空间；最后通过图像数据处理系统对上述所有图像的数字化信息及对应的相对位置信息进行处理得到被测三维型腔形状的数字化信息。

下面结合具体测量装置对产品的测量对本发明作进一步说明：

实施例1：如图1所示，测量装置包括计算机1、红外光电测距仪2、摄像头3和工作台。计算机1作为图像数据处理系统，红外光电测距仪2和摄像头3与计算机1之间由数据线连接，红外光电测距仪2的测量精度越高越好，但考虑到经济性，对于一般场合测量精度不低于0.5mm即足够；摄像头3可以是普通的CCD或COMS摄像头3，只是在考虑经济性的前提下尽量选择分辨率和线数比较高的，根据测量的精度要求，选择1000线CCD摄像头3应该足够了；工作台由底座4、摄像头支架5和固定座组成。摄像头支架5设有悬臂6、立柱7、一个X滑块8和一个Y滑块9，X滑块8与底座4上表面设有的X向滑槽滑动配合，X滑块8上表面设有与X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑块9与Y向滑槽滑动配合，立柱7与Y滑块9垂直，下端固定在Y滑块9上，悬臂6固定在立柱7上端，使立柱7可以在X滑块8和Y滑块9带动下做水平二维移动，悬臂6沿立柱7作Z向第三维移动，也即摄像头3可以作三维移动，行程以测量物体的形状大小为准，例如鞋测量时选择100(宽)×100(长)×300mm(高)已经足够了。红外光电测距仪2和摄像头3安装在悬臂6上，之所以要固定在一个三维工作台上是为在液面改变时保证摄像头3与液位的距离恒定，同时尽量保证摄像头3始终处于液位的几何中心附近以保证始终能将液面整个摄入摄像头3；固定座包括固定基座10、安装板11和角度仪12，固定基座10安装在底座4上，安装板11铰接在固定基座10上使其可以调整倾斜角度，安装板11上设有用于固定被测物体的夹具，角度仪12可以选用万能量角器或光学量角器测量和标定倾斜角度，使工作台具有位置反馈功能随时记录摄像头3的位置和安装板11倾斜角度，摄像头3位置和安装板11倾斜角度的记录作为测量的基准提供给数据处理系统。

以鞋内腔的测定为例，具体测量步骤如下：

首先将鞋通过夹具垂直固定在安装板11上，用摄像头3观察鞋前部，如果用摄像头3能够直接观察到鞋尖，则在整个测量过程中保持鞋垂直状态。调节Y滑块9，X滑块8及悬臂6使摄像头3位置置于可以将鞋内轮廓整个观察全的位置，鞋的倾斜保证能将鞋尖用摄像头3观察到，如果用摄像头3观察不到鞋尖，则适当调整安装板11的倾斜角度直至用摄像头3能够直接观察到鞋尖，在测量鞋尖的过程中保持鞋处于这个倾斜状态，在测量鞋中部时可以使鞋恢复到垂直状态，也可以在整个测量过程中保持鞋倾斜状态，不论采取哪种状态重要的是要保证摄像头3始终能够看到整个鞋的内部，避免测量死角，然后注入鲜艳颜色液体(例如鲜艳的黄色、白色液体)，液体最好是水溶性容易清洗的，例如石膏、石灰、面粉的水溶液体等，液位的控制通过一个液体注入装置提供，这种液体注入的方式可以有很多种，甚至可以采用手动，保证液位到达指定位置。液位的位置确定通过一个液位测量系统完成，物体的液位可以通过一个辅助测距系统进行实时测控，液位测量也可以有很多种，可以使用光纤探测头、超声波探测头进行测量，也可以通过一个液面直尺确定液面高度，本实施例中选用红外光电测距仪2，以底座4上表面作为液位和被测物的倾斜角度参考平面，通过摄像头3纪录下鞋的内部液面图像，通过数据线将图像输入至计算机1数据处理系统中，同时通过数据线或键盘将倾斜状态液位高度输入至计算机1数据处理系统中，再次注入液体提高液面高度，每次液位高度的变化量最好相同，如0.5mm或1.0mm，再重复上两个步骤，直至注满整个鞋内腔。如果测量过程中倾斜状态有变化，必须将测量时的倾斜状态记录并提供给计算机1数据处理系统进行校正。计算机1数据处理系统对输入的数据进行处理，得到鞋前部空间的原始层析数据，并对原始的层析数据(即每一液面位置的图像)进行滤波去噪，然后对经滤波后的图像按像素的某个邻域构造边缘检测算子，如梯度算子、方向算子、拉普拉斯算子和坎尼算子等，考察图像每个像素在某个邻域内灰度的变化，运用边缘邻近的一阶或二阶方向导数变化规律来提取边界轮廓信息，生成相应的轮廓线。根据得到的轮廓线、该轮廓所处的液位、摄像头3位置和倾斜角度生成鞋内部形状准确的三维坐标数据(点云数据)，最终将数据以DXF(DrawingeXchange File)的格式保存。Pro/ENGINEER、UG、Solidworks和AutoCAD能够读取这些数据，完成三维实体重构。

对于不封闭的物体，应该制作一个辅助密封部件将所测量物体内部密闭以保证液体的液位保持。

对于一个复杂的内部空间可以改变物体的放置角度，保证对物体内部空间所有位置的测量，避免测量死角。

对于一个截面中心位置随液位不同不断变化的物体，摄像头3的位置应相应调整，保证摄像头3随时摄入所有液面。

如果液面很大无法同时摄入，可以分段摄像后拼合整体液面图像。另外，也可以以同样的步骤注入比包含被测三维空间的被测物密度比高的多的液体物质，通过透视成像装置如X射线成像仪成像后输入到计算机1中，经过同样的数据处理系统处理，完成三维实体重构。

三维物体外形具体测量步骤如下：

如图2所示，测量装置包括计算机1、红外光电测距仪2、摄像头3和工作台，计算机1作为图像数据处理系统。红外光电测距仪2和摄像头3与计算机1之间由数据线连接。工作台由底座4、摄像头支架5和测量池13组成，测量池13设有注入口14和排液口15。摄像头支架5设有悬臂6、立柱7、一个X滑块8和一个Y滑块9，X滑块8与底座4上表面设有的X向滑槽滑动配合，X滑块8上表面设有与X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑块9与Y向滑槽滑动配合，立柱7与Y滑块9垂直，下端固定在Y滑块9上，悬臂6固定在立柱7上端，使立柱7可以在X滑块8和Y滑块9带动下做水平二维移动，悬臂6沿立柱7作Z向第三维移动，也即摄像头3可以作三维移动，行程以测量物体的形状大小为准，例如鞋测量时选择100(宽)×100(长)×300mm(高)已经足够了。

以鞋外表面的测定为例：

首先将被测鞋置于内，调节Y滑块9，X滑块8及悬臂6使摄像头3位置置于鞋的正上方，可以将鞋内轮廓整个观察全的位置，通过注入口14逐渐注入与被测三维物体表面颜色对比度大的液体，液体最好是水溶性容易清洗的，将鞋逐渐浸入液体中，每次注入量使液面上升0.5mm或1.0mm，每改变一次高度，都通过摄像头3纪录下液面图像，通过数据线将图像输入至计算机1数据处理系统中，同时通过数据线或键盘将倾斜状态液位高度输入至计算机1数据处理系统中。当然也可以先注入液体将鞋浸没在液体中，然后通过打开排液口15来改变液面高度，液面高度可以通过辅助测距系统进行实时测控，辅助测距系统可以是光纤探测头、超声波探测头，也可以通过一个液面直尺确定液面高度，本实施例中选用红外光电测距仪2，以测量池13中液面作为高度和被测物的倾斜角度参考平面，每改变一次高度，都通过摄像头3纪录下液面图像，通过数据线将图像输入至计算机1数据处理系统中，同时通过数据线或键盘将倾斜状态和夹具至液面的高度输入至计算机1数据处理系统中。如果测量过程中倾斜状态有变化，必须将测量时的倾斜状态记录并提供给计算机1数据处理系统进行校正。数据处理系统对输入的数据进行处理，并对原始的层析数据(即每一液面位置的图像)进行滤波去噪，然后对经滤波后的图像按像素的某个邻域构造边缘检测算子，如梯度算子、方向算子、拉普拉斯算子和坎尼算子等，考察图像每个像素在某个邻域内灰度的变化，运用边缘邻近的一阶或二阶方向导数变化规律来提取边界轮廓信息，生成相应的被测鞋表面与液面交界的轮廓线。根据得到的轮廓线、该轮廓所处的液位、摄像头3位置和倾斜角度生成鞋外表面形状准确的三维坐标数据(点云数据)，最终将数据以DXF(Drawing eXchange File)的格式保存。Pro/ENGINEER、UG、Solidworks和AutoCAD能够读取这些数据，完成三维实体重构。

Claims (5)

1.一种液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于：

1)将被测三维空间表面与能使液面与被测三维空间表面接触的交界处出现明显的轮廓线的液体接触；

2)用成像装置获取轮廓线包含区域的图像，并用测距仪器测量和记录本次液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置信息；

3)利用图像分析装置经分析得到上述轮廓线包含的图像的数字化信息；

4)改变液面与被测三维空间中某一固定截面的相对位置，重复上述2)、3)步骤直至覆盖整个被测空间；

5)通过图像数据处理系统对上述所有图像的数字化信息及对应的相对位置信息进行处理得到被测三维空间形状的数字化信息。

2.根据权利要求1所述的液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于：

所述液体为低透光性、颜色与被测三维空间表面对比度大的液体物质，所述成像装置为光学成像装置。

3.根据权利要求2所述的液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于：所述被测三维空间为一个物体的内部型腔，所述液体物质注入被测的型腔中。

4.根据权利要求1所述的液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于：

所述液体为密度大于被测三维空间的液体物质，所述成像装置为透视成像装置。

5.根据权利要求4所述的液体辅助断层扫描三维空间形状测量方法，其特征在于所述被测三维空间为一个物体的内部型腔，所述液体物质注入被测的型腔中。

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