CN101520319A

CN101520319A - 复合式三维激光测量系统及测量方法

Info

Publication number: CN101520319A
Application number: CN200810007873A
Authority: CN
Inventors: 邹小平
Original assignee: Individual
Current assignee: Shenzhen Stereo3d Technology Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: CN101520319B

Abstract

一种复合式三维点激光测量系统及测量方式，包括三维扫描和三维检测。采用普通光扫描，迅速的获取物体的轮廓信息并三维建模，用此轮廓数据进行运动轨迹规划，指导点激光测头进行更精细的测量，获取更高精度、更高质量的三维点云数据。基于扫描点云与模型数据比较，进一步获取对工件特征位置、指定截面型线、整体的三维非接触式检测。该系统及方法的优点在于非接触式测量，获取的点云质量好、精度高，物体可以任意摆放，无需精密的装夹装置，测量速度快，过程自动化，测量物体适应范围广。

Description

复合式三维激光测量系统及测量方法

一、所属技术领域

本发明专利是集光学、图像处理、机械、计算机视觉技术及软件工程为一体化的高新技术，属于计算机视觉三维扫描及检测技术领域，应用于机械工业及相关行业实现产品的非接触式、快速、高精度3D/2D检测、缺陷检测等，同时可以完成产品的高精度三维扫描。

二、背景技术

随着计算机视觉技术、光电技术、CAD/CAM技术的快速发展，三维扫描及检测技术已经日益普遍应用到工业、医学、服装制鞋、影视广告、游戏动漫、网络电子商务等各个领域，发挥着重要的作用。

常用的三维扫描及检测技术根据传感方式的不同，分为接触式和非接触式两种。

接触式测量采用探测头直接接触物体表面，通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字面形信息，从而实现对物体面形的扫描和测量。接触式测量具有较高的准确性和可靠性；其缺点是：测量费用较高；探头易磨损，对工作环境要求高，测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制，也不能测量柔软的物体。

非接触式测量方法主要采用结构光扫描技术(Frank Chen，Gordon M.Brown，Mumin Song.Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods.Opt.Eng，2000，39(1)，10-22)和普通光扫描技术即Shape From Silhouette(LAURENTINI A.：Thevisual hull concept for silhouette-based image understanding.IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.16，2(1994)，150-162.)。结构光扫描技术基于三角测量法原理(苏显渝，李继陶《信息光学》科学出版社，1999)，将结构光(激光或光栅条纹)投影到物体表面，受物体面形调制影响，结构光发生一定变形，通过解调变形后的结构光信息，从而迅速的还原物体的面形及相关信息。该方法由于采用光电传感的方式，具有非接触、扫描速度快、获取信息丰富等优点，成为现代三维扫描及检测技术的发展方向。

结构光扫描技术包括点、线、面扫描技术。点结构光扫描技术主要为点激光扫描技术，将一束光投影到物体表面形成一个明亮的光点，光点检测器在另外一个方向接收物体表面反射的光点信号，通过图像分析重建物体表面光点空间信息，附加多维运动控制，采用一系列的光点组合从而形成完整的物体面形信息。线激光扫描技术(Jie-Lin Li，Xian-Yu Su，Wen-Sen Zhou.The 3-D sensing using lasersheet projection：influence of speckle.Optics Review，1995，2(2)，144.)则是通过投影一条线状激光到物体表面，称为光刀，通过解析光刀的中心偏移从而重建物体的三维面形信息。线激光扫描技术一次性获取一条线的面形三维信息，比点激光技术具有更快的扫描速度。面结构光系统也可以是简单的线激光系统的扩展，即采用面激光技术，目前通行的做法是采用带相位分布的光栅条纹进行(V.Srinivasan，H.C.Liu，M.Halioua，“Automated phase-measureing profilometry of 3-d object shape”，Appl.Opt.，23(18)，1984：3105-3108)，可以一次性获取一个方向的三维面形信息，因此具有更好的执行效率。

目前国内外已经有一些成型的结构光扫描系统，如利用线激光或光栅条纹对物体进行扫描，但普遍的精度在0.05mm左右，甚至比之更低，主要应用在精度要求不太高的三维扫描领域。国外有利用点激光技术，对航空叶片等进行高精度检测的，该系统嫁接在三坐标硬件系统上，物体不能随意摆放，需要采用精密的装夹系统来保证系统的精度，受测量距离的影响，往往需要工程人员预先根据对测量物体的了解进行运动轨迹编程(如依据测量物体的模型数据进行运动轨迹编程)，控制点激光测头按照规划轨迹运动。对测量物体的先验知识要求及对应编程技能，导致系统测量过程的复杂度增高。

普通光技术(Shape From Silhouette)采用镜头获取物体的一个侧面影像图像，通过图像分析，将物体和背景二值分开，从而形成表面上大量的视角数据点。从每一个摄像机的焦点出发，通过各轮廓点的视线在后面形成一个锥形的体积，各个锥形的体积相交就形成了物体的三维体积模型，该方法可以较快的获取物体的外轮廓，对于物体上凹进去的部分则难以表述。

鉴于目前非接触测量技术存在如上不完备性，实际工业高精度测量中，还是常常依靠接触式三坐标系统进行，测量效率的低下，导致测量成本的提高，抽检的效果又导致产品质量的不确定性，同时三坐标系统获取的信息不够丰富导致工业检测过程的过于简化。

本发明复合了点激光扫描技术与普通光技术，既综合了接触式扫描、结构光扫描以及普通光扫描的优点，又同时弥补了单独各种方法的缺点。相比接触式三坐标系统，该系统具有更高的测量速度，采用光学非接触式的办法，可以测量柔软的物体，测量过程无需操作人员轨迹编程，同时采用点激光发射器，相比接触式探头，操作及测量方法方面都具有很好的共同性，无需使用厂家对本厂的工艺流程进行过多的调整。相比结构光技术，采用普通光辅助，可以更快的识别物体的轮廓，解决了结构光不能很好的识别边界的缺点，对于任意物体任意摆放都可以实现轻松的测量，无需精密的装夹装置，同时也弥补了三坐标系统必须要有模型数据为依据才能自动测量的现状。相比普通光技术，则可以突破凹形物体的限制，获取的点云质量高。总体来说，本发明的优点在于非接触式测量，获取的点云质量好、精度高，物体可以任意摆放，无需精密的装夹装置，测量速度快，过程自动化，测量的物体范围广。

三、发明内容

本发明复合了点激光扫描技术与普通光技术，采用普通光技术进行物体的扫描及轮廓线的识别，通过摄像装置获取物体某一视角的外轮廓信息，采用多视角坐标叠加，从而快速的完成物体的三维建模。采用建模的三维数据，同时可以完成后面点激光扫描的运动轨迹规划，实现对任意物体任意摆放的自动化高速测量。

采用龙门式五轴传动系统及点激光技术，依据规划运动轨迹，控制五轴系统进行运动，使测量物体始终处于点激测头的测量范围之内，获取精确的测量点云。

将普通光扫描的数据与点激光扫描的数据自动叠加，可实现对被测物体的彩色三维扫描。

将扫描出来的三维点云与标准模型进行对比，在对单点实时检测的同时，进一步对截面型线及三维整体检测，获取检测结果。

本发明系统可以同时完成物体的三维扫描和自动化检测，具体技术方案及发明内容为：

1.本系统为复合式点激光器三维测量系统，包括：控制装置；

普通光扫描装置，采用普通光于对被测量物体进行多视角成像，生成的被测量物体的多视角图像；

建立初步模型装置，该装置根据所述普通光扫描装置所成的图像，还原出物体的空间轮廓线，生成被测量物体的整体的三维图像数据；

轨迹规划装置，根据所述建立初步模型装置生成的被测量物体的三维图像数据，规划点激光扫描时的扫描轨迹，并对点激光器扫描装置的运动轨迹进行控制；

点激光器扫描装置，该点激光器扫描装置与所述轨迹规划装置相连接，并在其控制下实现对被测物体的点激光扫描，生成精确的被测物体的三维点云数据；

三维检测装置，将所述建立初步模型装置与所述点激光器扫描装置分别生成的被测物体的三维图像数据相叠加，获得被测量物体的彩色三维数据，并将所述彩色三维数据与标准模型的三维数据相比较得出被测量物体的检测结果。

2.本系统所述点激光器扫描装置基于三角测量原理来实现对被测物体的点激光扫描，所述点激光器扫描装进一步包括：点激光器扫描测量头，该测量头由高度融缩的CCD与激光器构成。

3.该系统进一步包括龙门式五轴传动装置，用于点激光器扫描装置，以实现被测物体固定不动时的点激光的三维扫描；或

该龙门式五轴传动装置用于旋转被测物体，以实现被测物体的点激光的三维扫描。

4.本系统所述轨迹规划装置对点激光器扫描装置的运动轨迹进行控制，具体实现方式为：根据建立初步模型装置所获得三维模型数据，细分成直线段子集，计算每段直线运行的速度及加速度，控制五轴系统联动，平缓运行。

5.本系统点激光器扫描装置中的点激光器能够实现自动光强调节；能够根据被测物体的不透明、半透明、透明的透明参数和被测物体表面的漫反射、镜面反射的反射特性，来调节点激光器的光强输出；

与点激光器扫描装置相连的伺服装置，用于控制所述点激光器扫描测量头与被测量物体之间的距离，使被测量物体始终处于所述点激光器扫描测量头的最佳测量范围内。

6.基于扫描点云与标准模型的对比，将所述彩色三维数据与标准模型的三维数据相比较得出被测量物体的检测结果，在对单点实时检测的同时，进一步对截面型线及整体三维进行检测，来获取检测结果。

7.本发明包括一种复合式点激光三维测量方法，包括如下步骤：

A 采用普通光对被测量物体进行多视角成像，生成的被测量物体的多视角图像；

B 根据步骤A中所生成的被测量物体的多视角图像，还原出物体的空间轮廓线，生成被测量物体的整体的三维图像数据；

C 根据步骤B中所生成的被测量物体的整体的三维图像数据，规划点激光扫描时的扫描轨迹，并对点激光器的运动轨迹进行控制，以实现对测量物体的点激光扫描，获得被测物体的三维图像数据；

D 将步骤B、C获得的被测物体的三维图像数据相叠加，获取被测量物体的彩色三维数据。

E 将所述被测量物体的彩色三维数据与标准模型的三维数据相比较，得出被测物体的测量结果。

四、附图说明

图1.系统硬件组成

图2.系统软件组成

图3.系统工作流程

图4.普通光三维建模示意图

图5.点激光扫描示意图

图6.本系统获取的工件点云；

图7-a.工件2D检测报告

图7-b.工件3D检测报告

五、具体实施方式

本发明是利用计算机视觉、光学传感技术实现物体的智能化三维扫描及检测，系统由软、硬件组成，图1为本系统的硬件结构组成图，包括。基本硬件组成：

101 机械平台由大理石平台组成，主要保证系统平台的平整性及平稳性；

102 龙门式构架存载测头及相关运动轴安装的整体构架

103 计算机系统对本系统进行操作控制，人机对话

104 链接线缆计算机主机与机械平台控制台之间的链接

105 伺服控制系统驱动运动轴精确运动

五轴系统组成：

106 X轴承担激光测量头左右运动的水平运动轴。按图示操作者的观察方向，与操作者平行的水平运动轴。X轴是测量运动的主要运动轴之一；

107 Y轴按图示操作者的观察方向，趋向/远离操作者的水平运动轴。Y轴是测量运动中调节激光焦距的主要运动轴；

108 Z轴承担激光测量头上下运动的垂直运动轴。Z轴是测量运动的主要运动轴之一；

109 α轴承担激光测量头回转运动的轴。α轴是测量运动的主要运动轴之一；

110 β轴：承担激光测量头摆动的轴。

111 为完成α轴，β轴运动的回转单元，如Rainshow测量头。

112 光学系统测头其中包括：

普通光成像单元用于获取物体的普通光成像图像

点激光器：发射点激光并照射到物体表面

CCD相机用于获取点激光器图像

图像采集卡将获取的CCD模拟信号转换为数字图像

113 为测量物体物体放置在载物台上

图2为本系统软件组成包括：

201 运动控制模块产生运动指令，控制五轴系统完成相应的精密运动；

202 系统校正模块对光学系统及机械平台进行校正，从而得到本系统的内外部参数，实现2D图像向3D世界坐标的变换；

203 轨迹规划模块根据输入模型或者点云三维坐标或者表达式，完成对点激光运动控制的轨迹规划；

204 三维扫描模块驱动普通光及点激光对物体进行扫描，其中包括：

208 普通光扫描采用普通光单独扫描，获取三维数据，并三维建模

209 点激光扫描采用点激光单独扫描，获取三维点云数据

210 复合式扫描复合上述两种技术进行扫描

205 三维检测模块驱动普通光及点激光对物体进行检测，得出检测分析报告；

206 数据处理模块完成对后续点云的处理及编辑，如删点，特征识别，三维数据的可视化建模等；

207 显示及人机交互模块如完成图像及三维数据的可视化等。

本发明的首要特点在于复合了普通光技术及点激光扫描技术，并利用普通光技术获取的数据模型对点激光的更精确扫描进行指导，重建三维物体及特征部位，实现对物体的三维扫描及检测。图3为本系统的工作流程图。

图4为采用普通光技术三维建模示意图，分为图像捕获及立体合成两个部分：

1)采用光学镜头401获取一幅普通光图像，

2)采用图像处理算法，分割出该图像中的轮廓信息，形成剪影图，附加视角参数及各运动轴参数，可以重建该视角的三维轮廓线。其中二维图像轮廓向三维轮廓线的转换关系可以通过本系统的校正获取，表达为如下形式

x_w＝f_r(x，y，z，α，β，x_f，y_f)

y_w＝g_r(x，y，z，α，β，x_f，y_f)

z_w＝h_r(x，y，z，α，β，x_f，y_f)

其中x，y，z，α，β为当前运动轴信息，α，β包括视角信息，x_f，y_f为二维图像信息，x_w，y_w，z_w为重建的三维坐标。

通过各轮廓点的视线在后面形成一个锥形的体积，为该视角的锥形体积。

3)旋转一个角度，得到另一视角的三维轮廓线及锥形体积；

4)各个视角的锥形体积相交得到三维体积模型；

5)组合提取各个视角的纹理信息，形成彩色三维数据。

系统的校正基于光线追踪原理及特征几何方法进行，依据光线追踪原理，可以校正点激光测头的方向及相对位置，采用带有特征的标准校正块，从而校正普通光，点激光及机械平台之间的对应关系及内外部参数。

本系统更精细的测量采用点激光技术，基于三角测量法原理，如图5所示，其中501为点激光器，502为CCD探测器，503为物体，504为参考平面，点激光器发射一束光束A，经过参考平面504反射，在CCD探测器上成像为一个明亮的光点p。当测量物体时，受物体高度调制，成像光点在CCD上偏移到p′的位置，通过解调该偏移，便可以求取物体上该点的高度，从而重建物体的三维坐标。

为提高测量精度，本系统采用光强自动调节技术，其方式为：

1)获取点激光成像图像

2)对图像进行分析，分析光点的饱和度；

3)根据分析结果自动调节激光强度，如调节激光头供应电压，CCD曝光时间等，从而使获取图像达到理想程度。

采用点激光技术，获取的点云精度与CCD与激光器之间的夹角及CCD传感元大小有关，CCD传感元大小受现代工艺限制，不容易得到提高，CCD与激光器之间的夹角越大，精度越高，意味着工作距离及测量景深的缩小。为达到较高的测量精度，实际过程中，激光测头与物体之间的距离很近，因此在测量过程中，对测量头运动轨迹规划就很必要，可以有效的防止测量头与物体发生碰撞。本系统采用的轨迹规划方式包括：

1)简单轨迹规划，基于直线、园、平面、球、椭球等一系列规则轨迹运动；

2)基于普通光扫描建模的轨迹规划，采用数据点云输入，直接规划运动轨迹；采用点云输入为世界坐标，需要进一步解析到机器坐标系统下，即

，其中x，y，z，α，β为机器坐标，α，β包括视角信息，x_w，y_w，z_w为点云空间坐标。

为映射关系，通过校正系统提供。规划的具体实现为把点云输入细分成一系列直线段子集，计算每个子集的速度及加速度，控制运动轴联动。

3)基于标准模型的轨迹规划。当存在标准模型时，采用标准模型输入，软件自动计算局部运动的位置、速度及加速度，避免了用户自己直接编程。采用该测量方式，与接触式三坐标系统测量非常相似，需要预先建立工件世界坐标系C_w与模型坐标系C_m的对应关系

C_w＝RC_m+T

其中R，T为如下形式变换矩阵

R = |\begin{matrix} R_{11} & R_{12} & R_{13} \\ R_{21} & R_{22} & R_{23} \\ R_{31} & R_{32} & R_{33} \end{matrix}|

T = |\begin{matrix} T_{x} \\ T_{y} \\ T_{z} \end{matrix}|

建立该对应关系常规的做法是：在与模型对应的工件上取六点建立工件坐标系，将模型直接映射到工件坐标系上。该方法简易，但精度不容易控制，因此可以采用点激光扫描三个工件基准平面，然后将模型基准平面反向映射到工件基准平面上，建立上述对应关系。通过上述变换，可以将整个模型映射到工件系统系下，从而可以采用按点云输入的方式(方式2)进行轨迹规划。

采用如上方式，实现了对任意物体的精确三维扫描，图6为该系统对某工件扫描的三维点云。本系统可同时实现对工件任意摆放、非接触式光学检测。检测方案为：

采用普通光技术，迅速完成物体的三维建模；依据建模结果指导点激光对工件基准面进行扫描，然后将模型的基准与工件基准对应并建立映射关系，从而获取需要检测的工件位置，驱动点激光对这些位置进行扫描，最后将获取的点云数据与模型数据进行对比，即可以得到工件指定位置的检测报告。

根据检测需求的不同，可分为对特定位置如点，截面型线及整体三维的检测。

a)特定位置的检测：依据模型数据，规划运动轨迹，使运动轴运动到制定位置，用点激光获取该点的三维坐标，与模型对比，得出对比结果；

b)型线检测：依据模型数据，确定型线截面，规划运动轨迹，用点激光获取型线上每点的三维坐标，获取型线的数据与模型型线对比，得出二维检测报告，如图7-a；

c)整体的检测：依据模型数据，进行整体扫描规划，伺服控制系统驱动运动轴联动，按照规划轨迹对物体进行测量，获取的完整三维点云信息与模型进行对比，得出三维对比检测报告，如图7-b。

该系统采用软件对齐及轨迹规划的方式驱动点激光扫描，物体可以任意摆放，降低了对硬件平台的要求。

该系统的测量方法包括三维扫描方法及三维检测方法，如图2是本系统的工作流程，下面将分别进行描述。

三维扫描工作方法：

1)采用普通光技术，迅速的完成物体的三维建模；

2)利用建模数据，进行轨迹规划，将三维坐标映射到机器坐标上，从而控制各个运动轴联动；

3)利用点激光技术，依据运动轨迹对物体进行扫描，获取物体的三维点云数据。

4)叠加普通光数据及点激光数据，从而形成彩色的三维点云数据。

三维检测工作方法：

1)采用普通光技术，迅速的完成物体的三维建模；

3)利用点激光技术，依据运动轨迹对物体基准面进行扫描，获取物体基准面的三维点云数据；

4)输入模型数据，依据检测需求，根据模型数据，对应规划点激光运动轨迹，完成对需求位置的检测，得出检测报告。

Claims

1.一种复合式点激光器三维测量系统，包括：控制装置；

2.如权利要求1所述的复合式点激光器三维测量系统，其特征在于所述点激光器扫描装置基于三角测量原理来实现对被测物体的点激光扫描，所述点激光器扫描装进一步包括：点激光器扫描测量头，该测量头由高度融缩的CCD与激光器构成。

3.如权利要求1或2所述的复合式点激光器三维测量系统，该系统进一步包括龙门式五轴传动装置，其特征在于；该龙门式五轴传动装置用于点激光器扫描装置，以实现被测物体固定不动时的点激光的三维扫描；或该龙门式五轴传动装置用于旋转被测物体，以实现被测物体的点激光的三维扫描。

4.如权利要求1-3所述的复合式点激光器三维测量系统，其特征在于：所述轨迹规划装置对点激光器扫描装置的运动轨迹进行控制，具体实现方式为：根据建立初步模型装置所获得三维模型数据，细分成直线段子集，计算每段直线运行的速度及加速度，控制五轴系统联动，平缓运行。

5.如权利要求2所述的复合式点激光器三维测量系统，其特征在于：所述点激光器扫描装置中的点激光器能够实现自动光强调节；所述点激光器扫描装置能够根据被测物体的不透明、半透明、透明的透明参数和被测物体表面的漫反射、镜面反射的反射特性，来调节点激光器的光强输出；所述与点激光器扫描装置相连的伺服装置，用于控制所述点激光器扫描测量头与被测量物体之间的距离，使被测量物体始终处于所述点激光器扫描测量头的最佳测量范围内。

6.如权利要求1-5所述的复合式点激光器三维测量系统，其特征在于：所述并将所述彩色三维数据与标准模型的三维数据相比较得出被测量物体的检测结果，是基于扫描点云与标准模型的对比，在对单点实时检测的同时，进一步对截面型线及整体三维进行检测，来获取检测结果。

7.一种复合式点激光器三维测量方法，其特征在于包括如下步骤：

A采用普通光对被测量物体进行多视角成像，生成的被测量物体的多视角图像；

B根据步骤A中所生成的被测量物体的多视角图像，还原出物体的空间轮廓线，生成被测量物体的整体的三维图像数据；

C根据步骤B中所生成的被测量物体的整体的三维图像数据，规划点激光扫描时的扫描轨迹，并对点激光器的运动轨迹进行控制，以实现对测量物体的点激光扫描，获得被测物体的三维图像数据；

D将步骤B、C获得的被测物体的三维图像数据相叠加，获取被测量物体的彩色三维数据。

E将所述被测量物体的彩色三维数据与标准模型的三维数据相比较，得出被测物体的测量结果。