CN101608907A - 一种运动物体表面三维形貌测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动物体表面三维形貌测量方法及装置，该方法投射余弦光栅到待测运动物体表面，采用线扫描相机拍摄物体表面的变形条纹图，依据变形条纹图的相位变化量计算物体表面的三维信息，线扫描相机的扫描频率依据运动物体的速度实时调整。实现该方法的装置通过在待测物体表面上安放一个速度编码器，速度编码器将采集的速度传送给计算机，由计算机控制线扫描相机的扫描频率。本发明实时调整相机行扫描频率从而实现其与运动速度的匹配，有效消除了动态测量过程中运动速度变化导致的测量误差，实现了变速运动物体表面形貌全场测量，具有测量速度快、精度高和图像无缝连接的优点。

Description

一种运动物体表面三维形貌测量方法及装置

技术领域

本发明涉及非接触式光学三维形貌测量技术领域，特别是涉及一种运动物体表面三维形貌全场测量方法及装置。

背景技术

非接触式光学三维形貌测量技术在工业和工程领域具有广阔的应用前景。目前主要应用在静态物体表面形貌测量中，参见中国专利文件CN101113894，CN1051975，CN1256414，CN1508514，CN1888817等，然而在工业检测过程中往往要求实现在线检测运动物体的表面三维形貌。该工况的特点是物体和测量系统间存在相对运动，且运动速度变化。如钢铁企业的钢板表面缺陷在线检测，高等级公路路面健康状况检测等。

中国专利文件CN1474159公开了一种涉及基于结构光法和线扫描图像传感器相结合实现带材表面三维缺陷检测的方法。其特征是用平行短斜线阵列光带投射到移动的待测物体表面，反射光线被置于物体上方的线扫描摄像机接收，对采集的图像上的线条形状变化对缺陷进行测量。该方法只能用来测量匀速运动的物体的三维形貌，且只能准确获得线阵列光带上的物体表面三维信息，并非真正意义的全场测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动物体表面形貌三维测量方法和装置，能够实现对变速运动物体表面形貌的全场测量，具有测量速度快、精度高和图像无缝连接的优点。

一种运动物体表面形貌视觉扫描测量方法，具体为：投射余弦光栅到待测运动物体表面，采用线扫描相机拍摄物体表面的变形条纹图，依据变形条纹图的相位变化量计算物体表面的三维信息，线扫描相机的扫描频率依据运动物体的速度实时调整。

一种实现上述方法的测量装置，包括投影仪、透镜、线扫描相机、图像采集卡和计算机，其特征在于，还包括与计算机相接的速度编码器，速度编码器安放于待测物体表面，其轴上套有滚动轮，滚动轮的半径 $r=\frac{\mathrm{\Δdm}}{2\mathrm{\πn}},$ 其中π为圆周率，m为滚动轮每旋转一周速度编码器产生的脉冲数，n的含义为每n个脉冲相机扫描一次，Δd为一个像素对应的物体尺寸。

本发明相对现有技术的改进是：通过投影数字余弦条纹并采用傅立叶变换法可以获得物体表面的全场三维形貌；依据待测运动物体的速度实时调整线扫描相机的扫描频率，防止变形条纹图出现畸变，从而实现变速运动物体的表面形貌测量。为实时调整线扫描相机的扫描频率，本发明在待测物体表面安放有速度编码器，速度编码器的轴上安装有滚动轮，通过摩擦力保证滚动轮的旋转线速度和物体的运动速度相同。速度编码器将实时记录的物体运动速度并反馈给计算机，计算机通过实时调整相机行扫描频率从而实现其与运动速度的匹配，有效消除了动态测量过程中运动速度变化导致的测量误差。

综上所述，本发明实现了变速运动物体表面形貌全场测量，具有测量速度快、精度高和图像无缝连接的优点。

附图说明

图1为本发明运动物体表面形貌三维测量装置示意图。

图2为速度编码器轮的结构示意图。

图3为同步控制像机和编码器的时序图。

具体实施方式

图1是本发明运动物体表面形貌三维测量装置实施例结构示意图，测量装置由光学投影仪1、透镜2、线阵扫描相机3、图像采集卡4、旋转速度编码器5和计算机6组成。

投影仪1发出的数字余弦光射入透镜2，从透镜2出射平行数字余弦光栅到达待测物体7表面上，投射角度为30度。线阵扫描CCD相机3用于拍摄变形条纹图，其光轴垂直于待测物体7表面。当物体相对测量系统运动时，编码器5的轴上安装一滚动轮，通过摩擦力保证滚动轮的旋转线速度和物体的运动速度相同。运动速度可通过速度编码器实时记录并反馈给计算机，用于调整相机的行扫描频率以匹配运动速度，消除动态测量过程中运动速度变化导致的测量误差。图像数据经图像采集卡4采集并存储到计算机6的硬盘阵列中。

编码器滚动轮的结构如图2所示，滚动轮的半径的设计需通过标定实验完成。

编码器滚动轮每旋转一周所产生的脉冲数记为m，滚动轮的半径为r。因此每一个脉冲时间周期对应的物体的移动距离为

$d_0=\frac{2\mathrm{\πr}}{m}.---\left(1\right)$

π为圆周率。

假设标定实验得到的一个像素对应的实际物体的尺寸为Δd。在相机的设置中，每n个脉冲相机的扫描线扫描一次，其时序图如图3所示。因此d₀和Δd的关系如下

nd₀＝Δd.                  (2)

从方程(1)和(2)可得，滚动轮的半径为

$r=\frac{\mathrm{\Δdm}}{2\mathrm{\πn}}.---\left(3\right)$

在本实施实例中，m＝3600，Δd＝0.56mm/pixel，n＝8，从方程(3)可得滚动轮的半径为r＝40mm。

本发明运动物体表面缺陷及形貌三维测量装置包括以下使用步骤。

a、标定：

为了使得拍摄到的条纹图在物体的运动方向上没有失真，针对不同的测量要求时，由于视场大小的不同需要通过上述的标定过程，由方程(3)来选择合适半径的编码器滚动轮。

b、准备：

将测量装置安置到生产线上方或者安置到测量车上，调整系统和待测物体表面的高度，保证像机的扫描线方向垂直与物体运动方向，像机光轴垂直于物体表面。投影角度设置为30度，调整投影系统，使得投射的条纹平行且清晰。调整图像采集系统，使得像机成像清晰。安装并固定旋转速度编码器，保证编码器和待测物体之间摩擦力适中。开启计算机。

c、开始测量：

启动图像拍摄程序，逐行扫描物体，并自动记录保存图像。

d、结果处理：

采用傅立叶变换法获得变形条纹图中的物体相位信息，再通过投影和摄像系统布置的几何关系来计算物体表面的全场高度信息，还原物体的三维形貌。

Claims (2)

1、一种运动物体表面三维形貌测量方法，具体为：投射余弦光栅到待测运动物体表面，采用线扫描相机拍摄物体表面的变形条纹图，依据变形条纹图的相位变化量计算物体表面的三维信息，线扫描相机的扫描频率依据运动物体的速度实时调整。

2、一种实现权利要求1所述方法的测量装置，包括投影仪、透镜、线扫描相机、图像采集卡和计算机，其特征在于，还包括与计算机相接的速度编码器，速度编码器安放于待测物体表面，其轴上套有滚动轮，滚动轮的半径 $r=\frac{\mathrm{\Δdm}}{2\mathrm{\πn}},$ 其中π为圆周率，m为滚动轮每旋转一周速度编码器产生的脉冲数，n的含义为每n个脉冲相机扫描一次，Δd为一个像素对应的物体尺寸。

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