CN104215178B - 基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法及装置,该装置包括旋转载物台,所述旋转载物台上平放有第一平行光源,所述旋转载物台的上方设置有与竖直方向呈45°夹角的平面反射镜,所述旋转载物台的一旁侧竖设有第二平行光源,所述旋转载物台的另一旁侧设置有与第二平行光源正对的双侧远心镜头,所述双侧远心镜头安装在CCD摄像机上,所述CCD摄像机的上方设有将激光水平发射到平面反射镜以反射至旋转载物台中心的激光器。本发明相对于常规方法在时间与精度上有很大的突破,且结构较简单;不仅可以测量漫反射,而且可以测量类似于橡皮泥等复杂物体表面;为获得非接触式精确物体体积的测量提供了一种可靠的技术装置和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法及装置。
背景技术
非接触测量是以光电、电磁等技术为基础,在不接触待测物体表面的情况下,得到物体表面参数信息的测量方法。传统的非接触式光学三维测量技术主要有飞行时间法、干涉法和三角法三种。其中,飞行时间法一般采用激光,通过测量光波的飞行时间来获得距离信息,结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据;干涉法是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光,利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差,从而获得物体表面的深度信息。干涉法测量精度虽然较高,但测量范围受到光波波长限制,只能测量微观表面的形貌和微小位移,不适于检测大尺度物体;光学三角法是比较常用的一种光学三维测量技术,以传统的三角测量为基础,通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法及装置,不仅测量精度高,而且不受环境光影响。
为了实现上述目的,本发明的技术方案一是:一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,包括旋转载物台,所述旋转载物台上平放有用于放置待测物体的第一平行光源,所述第一平行光源中心与旋转载物台中心重合,所述旋转载物台的上方设置有与竖直方向呈45°夹角的平面反射镜,所述旋转载物台的一旁侧竖设有第二平行光源,所述旋转载物台的另一旁侧设置有与第二平行光源正对的双侧远心镜头,所述双侧远心镜头安装在CCD摄像机上,所述CCD摄像机的光轴与旋转载物台上表面平行,所述CCD摄像机的上方设有将激光水平发射到平面反射镜以反射至旋转载物台中心的激光器。
进一步的,所述CCD摄像机固定于第一升降台上以精密控制其高度位置。
进一步的,所述旋转载物台固定于第二升降台上以精密控制其高度位置。
进一步的,所述平面反射镜固定于支架上。
进一步的,所述第一平行光源为LED面板灯。
进一步的,所述激光器为LD激光器。
为了实现上述目的,本发明的技术方案二是:一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法,采用如上所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,并按以下步骤进行:
(1)利用激光器发出沿CCD摄像机光轴方向入射的激光,并经平面反射镜反射至旋转载物台中心;将待测物体放置于旋转载物台上的第一平行光源中心,并使待测物体顶点、激光反射点与第一平行光源中心三点共线;
(2)利用第二平行光源发出与CCD摄像机光轴共线的平行光正照待测物体,调整第二平行光源、平面反射镜和CCD摄像机的位置至待测物体像与反射像两者平分CCD摄像机视野,且在旋转载物台旋转一周过程中CCD摄像机视野的图像均是完整的,调整后取走待测物体;
(3)将校准物体标准件放置在旋转载物台上的第一平行光源中心,利用CCD摄像机拍摄一张照片后,取走校准物体标准件,并对采集的图片进行分析处理,计算出图像单位像素与校准物体标准件实际长度的投影比例关系;
(4)将待测物体重新放置于旋转载物台上的第一平行光源中心,并使待测物体顶点、激光反射点与第一平行光源中心三点共线;调整待测物体的位置,使待测物体的像随着旋转载物台的旋转能够完整地呈现在CCD摄像机视野中;
(5)使旋转载物台匀速旋转一周,让CCD摄像机在预定间隔时间内自动采集;
(6)对采集的图片进行分析处理,先对图像进行边缘检测、轮廓提取等预处理,再利用计算机编写的算法程序完成待测物体体积的计算。
进一步的,在步骤(6)中,所述的算法为三角微分算法或扇形微分算法。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:该装置突破之前有一定体积测量的结构特点,创新性地提出了用平行光源投射平行光来提高物体边缘对比度,减少环境光影响;利用标准件校准,测量结果稳定,通过双侧远心镜头采集,畸变小,精度高,平行度高,图像锐度高,添加平面反射镜同时采集并处理与正面倾斜45度的图像,减少图像的采集量,加快算法的处理速度,解决了单目系统的盲区。该方法相对于常规方法在时间与精度上有很大的突破,且结构较简单,能够获得更高的精度。该方法和装置不仅可以直接测量物体的镜面反射,还可以测量类似于橡皮泥等复杂结构物体表面的漫反射,为获得非接触式精确物体体积的测量提供了一种可靠的方法和装置。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的光路示意图。
图2为本发明实施例的流程图。
图3为本发明实施例的结构示意图。
图4-1为采用三角微分算法时所摄取的图像以及其截面图像。
图4-2为采用三角微分算法时所摄取的待测物体俯视图。
图4-3为与图4-2相差90度的待测物体俯视图。
图5为扇形微分算法的示意图。
图6为本发明实施例的成像光路图。
图7为CCD摄像机所摄取的双成像图。
图中:1-第二平行光源,2-平面反射镜,3-待测物体,4-第一平行光源,5-旋转载物台,6-第二支撑杆,7-双侧远心镜头,8- CCD摄像机,9-激光器,10-第一支撑杆,11-第一升降台,12-光学平台,13-第二升降台,14-立柱,15-第一连接件,16-第二连接件。
具体实施方式
如图1~7所示,一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,包括旋转载物台5,所述旋转载物台5上平放有用于放置待测物体3的第一平行光源4,所述第一平行光源4中心与旋转载物台5中心重合,所述旋转载物台5的上方设置有与竖直方向呈45°夹角的平面反射镜2,所述旋转载物台5的一旁侧竖设有第二平行光源1,所述旋转载物台5的另一旁侧设置有与第二平行光源1正对的双侧远心镜头7,所述双侧远心镜头7安装在CCD摄像机8上,所述CCD摄像机8的光轴与旋转载物台5上表面平行,所述CCD摄像机8的上方设有将激光水平发射到平面反射镜2以反射至旋转载物台5中心的激光器9。其中,所述第一平行光源4和第二平行光源1提高了待测物体3的边缘对比度,有利于边缘检测,减少了环境光影响。
在本实施例中,所述CCD摄像机8通过第一支撑杆10固定于第一升降台11上以精密控制其高度位置,所述旋转载物台5通过第二支撑杆6固定于第二升降台13上以精密控制其高度位置,所述第一升降台11和第二升降台13均设置于光学平台12上。所述第一平行光源4可以是LED面板灯,所述第二平行光源1也可以是LED面板灯,所述激光器9可以是LD激光器9。
在本实施例中,所述平面反射镜2固定于支架上,所述支架固定于光学平台12上,所述支架包含立柱14、第一横杆和第二横杆,所述第一横杆一端通过第一连接件15与立柱14垂直连接,所述第一横杆另一端通过第二连接件16与第二横杆一端垂直连接,所述第二横杆另一端与平面反射镜2背面相连接,通过第一连接件15可调整平面反射镜2的高度位置,通过第二横杆可调整平面反射镜2的镜面朝CCD摄像机8并与竖直方向呈45°角。
如图1~7所示,一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法,采用如上所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,并按以下步骤进行:
(1)利用激光器9发出沿CCD摄像机8光轴方向入射的激光,并经平面反射镜2反射至旋转载物台5中心;将待测物体3放置于旋转载物台5上的第一平行光源4中心,并使待测物体3顶点、激光反射点与第一平行光源4中心三点共线;
(2)利用第二平行光源1发出与CCD摄像机8光轴共线的平行光正照待测物体3,调整第二平行光源1、平面反射镜2和CCD摄像机8的位置至待测物体3像与反射像两者平分CCD摄像机8视野,且在旋转载物台5旋转一周过程中CCD摄像机8视野的图像均是完整的,调整后取走待测物体3;
(3)将校准物体标准件放置在旋转载物台5上的第一平行光源4中心,利用CCD摄像机8拍摄一张照片后,取走校准物体标准件,并对采集的图片进行分析处理,计算出图像单位像素与校准物体标准件实际长度的投影比例关系;
(4)将待测物体3重新放置于旋转载物台5上的第一平行光源4中心,并使待测物体3顶点、激光反射点与第一平行光源4中心三点共线;调整待测物体3的位置,使待测物体3的像随着旋转载物台5的旋转能够完整地呈现在CCD摄像机8视野中;
(5)使旋转载物台5匀速旋转一周,让CCD摄像机8在预定间隔时间内自动采集;
(6)对采集的图片进行分析处理,先对图像进行边缘检测、轮廓提取等预处理,再利用计算机编写的算法程序完成待测物体3体积的计算。
在步骤(6)中,所述的算法为三角微分算法或扇形微分算法。
其中,三角微分算法的原理如下:请参考图4-1,将高为h、边到顶点投影中心的距离为d的待测物体3分割成n个高为Δh、边到顶点投影中心的距离为dn的几何体,其中Δh=h/n,dn=d-dn’,当Δh足够小(Δh→0)时,可将分割出的几何体看作为棱柱。因此,只需算得截面积,即可得到每个棱柱的体积,将各个棱柱体积累即可得待测物体3的体积。棱柱的截面积可看作几个小三角形面积之和,其面积可通过边长Ln和边到顶点投影中心的距离dn计算。
再请参考图4-2、4-3,通过旋转载物台5的旋转,分别使Ln、dn与CCD摄像机8的拍照方向垂直,通过计算机算得Ln、dn的像素个数,通过像素与长度的换算关系,得到所需长度。因此,第k个小三角形的面积为Sk=Lk×dk×1/2,则棱柱的截面积为,棱柱的体积为Vn=Sn×Δh,待测物体3的体积为。
其中,扇形微分算法的原理如下:请参考图5,假设高度h是一个像素的长度,绕中心轴左边长度为a,右边长度为b,图像间隔角度为ω,物体总高度为n。取第k个棱柱,则该棱柱的体积为:Vk=Sk×h。
可用以下方法计算:截面积可看作i(i为偶数,为拍摄的图片数)个小扇形之和。取第j个扇形的面积,通过图像间隔角度ω和边缘到中心轴的距离a计算:Sj=π×a2×ω/360。若已知照片上单位像素点对应的长度为βμm,可通过计算a、b上像素点的个数来测量a、b的长度。假设a的像素个数为uj,b的像素个数为vj,则b=βvj,a=βuj,则第j个以及对角的扇形面积之和为:。因此,截面积S可通过计算得,所以第k个棱柱体积为:Vk=Sk×h,故该棱锥体积可得:。
请继续参考图6~7,假如O点是旋转中心顶点,测得的某一角度正视图中底面最长的距离(线L3)是b,而过旋转轴的切线长度(线L1)是r,正视图中除底边外,其余任意边长为c(线L2),则通过相似三角形可知,切面上侧边(线L4)的长度应该是g=r×c/b。取线L4的左半边(或者右半边)g/2,把它作为扇形棱柱的半径,利用扇形微分法进行体积计算。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:包括旋转载物台,所述旋转载物台上平放有用于放置待测物体的第一平行光源,所述第一平行光源中心与旋转载物台中心重合,所述旋转载物台的上方设置有与竖直方向呈45°夹角的平面反射镜,所述旋转载物台的一旁侧竖设有第二平行光源,所述旋转载物台的另一旁侧设置有与第二平行光源正对的双侧远心镜头,所述双侧远心镜头安装在CCD摄像机上,所述CCD摄像机的光轴与旋转载物台上表面平行,所述CCD摄像机的上方设有将激光水平发射到平面反射镜以反射至旋转载物台中心的激光器。
2.根据权利要求1所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:所述CCD摄像机固定于第一升降台上以精密控制其高度位置。
3.根据权利要求1所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:所述旋转载物台固定于第二升降台上以精密控制其高度位置。
4.根据权利要求1所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:所述平面反射镜固定于支架上。
5.根据权利要求1所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:所述第一平行光源为LED面板灯。
6.根据权利要求1所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,其特征在于:所述激光器为LD激光器。
7.一种基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法,其特征在于:采用如权利要求1至6中任一项所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量装置,并按以下步骤进行:
(1)利用激光器发出沿CCD摄像机光轴方向入射的激光,并经平面反射镜反射至旋转载物台中心;将待测物体放置于旋转载物台上的第一平行光源中心,并使待测物体顶点、激光反射点与第一平行光源中心三点共线;
(2)利用第二平行光源发出与CCD摄像机光轴共线的平行光正照待测物体,调整第二平行光源、平面反射镜和CCD摄像机的位置至待测物体像与反射像两者平分CCD摄像机视野,且在旋转载物台旋转一周过程中CCD摄像机视野的图像均是完整的,调整后取走待测物体;
(3)将校准物体标准件放置在旋转载物台上的第一平行光源中心,利用CCD摄像机拍摄采集一张照片后,取走校准物体标准件,并对采集的图片进行分析处理,计算出图像单位像素与校准物体标准件实际长度的投影比例关系;
(4)将待测物体重新放置于旋转载物台上的第一平行光源中心,并使待测物体顶点、激光反射点与第一平行光源中心三点共线;调整待测物体的位置,使待测物体的像随着旋转载物台的旋转能够完整地呈现在CCD摄像机视野中;
(5)使旋转载物台匀速旋转一周,让CCD摄像机在预定间隔时间内自动采集;
(6)对采集的图片进行分析处理,先对图像进行边缘检测、轮廓提取预处理,再利用计算机编写的算法程序完成待测物体体积的计算。
8.根据权利要求7所述的基于反射镜二次成像的物体体积非接触测量方法,其特征在于:在步骤(6)中,所述的算法为三角微分算法或扇形微分算法。
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