CN104236477A - 一种基于液面基准的线扫描轮廓测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液面基准的线扫描轮廓测量方法及装置，该仪器采用有色液体作为扫描线的生成媒介，通过机械结构保证被测对象与液面接触，在液面与被测对象表面的交界处即生成可以作为扫描线的交线，采用标定好的相机对此扫描线进行图像采样后通过数值求解即可得到交线部分所对应被测对象的三维轮廓，采用精密移动平台控制被测对象逐步浸入测量液，即可实现对其全场三维形貌的高精度测量。由于采用有色液体与被测对象的交界线作为扫描线，克服了传统线激光扫描法中存在的激光光刀刀口尺寸精度低、多个采样光刀间对准差且测量精度受限于被测物面光学特性的不足，而且能够将扫描线扩展至被测物体的360°范围内，有利于提高线扫描三维测量精度及速度。

Description

一种基于液面基准的线扫描轮廓测量方法及装置
技术领域
本发明属于三维测量领域，涉及一种基于液面基准的线扫描三维轮廓测量技术及其装置。
背景技术
线扫描三维测量技术，由于其测量精度适中、环境适应性好、对被测对象表面纹理适应性强等优点，在一些对精度要求不高的工业测量领域有着广泛的应用。线激光光源有着良好的准直性及较高的亮度，是线扫描测量中的首选扫描线产生器件。申请号为200910254430.5的专利提出了一种采用线激光器及多摄像机实现大视场三维型面测量的方法。申请号为200420120209.3的专利提出了一种结合线激光、结构光的光学测量方法，结构光用于提高线激光扫描在复杂型面处的测量精度。这些方法虽然都能实现对被测物体三维面型的测量，但是测量精度受到激光线宽度、被测物面反光特性等因素的限制。
发明内容
为了克服采用线激光器等光源进行线扫描三维测量时存在的上述问题，本发明提出了一种可以避免采用线激光器等线光源的线扫描轮廓测量装置及方法。
一种基于液体的线扫描轮廓测量装置，主要由机器视觉测量系统、位移平台、夹持装置、测量液和容器组成；所述容器设置在工作台上，工作台上设置有对扫描线区域进行图像采样的机器视觉测量系统，作为扫描线生成介质的测量液存贮在容器中，容器一侧的台面上设置有位移平台，被测物体夹持装置通过其基座固定在位移平台的载物台上，被测物体被夹持装置夹持后浸入到测量液内。
各个机器视觉测量系统之间、机器视觉测量系统与位移平台之间采用可实现物体移动与机器视觉测量系统采样动作间协调的同步电路。
所述测量液为有色液体，其颜色为液体本身的颜色或液体添加染料后的颜色或采用有色光源的颜色；所述有色光源置于容器外部或置于容器内部。
包含不少于一个机器视觉测量系统；所述每个机器视觉测量系统至少包括一个相机。
所述测量液的颜色与被测物体表面颜色间应有较高的对比度。
一种基于液面基准的三维轮廓测量方法，将被测物体通过夹持装置固定，控制位移平台将被测物体移动至与测量液接触的位置，控制机器视觉测量系统对被测物体与测量液交界区域进行图像采样；机器视觉测量系统采样得到的图像通过图像处理，得到包含有测量液液面与被测物体交界线的边界线；对边界线中的有效区域即扫描线成像进行提取，得到被测物体与液面交线图像；在机器视觉测量系统标定完成的前提下，采用图像处理结合标定数据即可得到图像采样时刻与液面交界所对应被测物体的三维轮廓；当位移平台控制被测物体逐步完全浸入测量液时，即完成对被测物体的全场三维形貌测量。
由于本发明所提出的测量装置及其测量方法采用液面与被测物体接触线作为扫描线，不存在激光光刀刀口尺寸精度低、多个采样光刀间对准差且测量精度受限于被测物面光学特性的不足，从而能够提高测量精度；而且由于所发明仪器实现简单，其应用成本较传统方法更低。
附图说明
图1为所发明的线扫描轮廓测量仪的三维示意图；
图2为模拟的测量采样图像；
图3为对图2进行边界提取得到的边界；
图4为对图3中的干扰项进行剔除后得到的扫描线图像。
1、位移平台，2、夹持装置，3、被测物体，4、测量液，5、容器，6、第一机器视觉测量系统，7、第二机器视觉测量系统，8、交界区域，9、有色光源。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一种实施例进行说明。
图1所示为所发明测量装置的三维示意图。本装置主要包括测量液4、液体容器5、夹持装置2、位移平台1、第一及第二机器视觉测量系统6、7；所述测量液4为带有颜色的液体，该颜色是液体本身固有的，或者是通过添加染料或者使用有色光源9等手段生成的；所述容器5为装载测量液4的容器，其形状不限于图1所示形状；所述夹持装置2用于夹持被测物体3，夹持装置2的基座与位移平台1的载物台连接；所述位移平台1用于控制被测物体移动，从而实现对被测物体三维形貌的全场测量；第一及第二机器视觉测量系统6、7用于对测量液4液面与被测物面交界区域8的图像采样，采用图像处理后获得扫描线，然后通过图像处理等操作即可求得扫描线所对应物体的三维轮廓，机器视觉测量系统不限于图1所示的相机数目及结构布置。
下面以对叶片的三维形貌测量为例，对本发明装置所涉及的测量方法做详细说明：
将叶片通过夹持装置2固定后，控制位移平台1将叶片移动至与测量液4接触的位置，控制第一和第二机器视觉测量系统6、7对叶片与测量液4交界区域8进行采样。
由于第一机器视觉测量系统6与第二机器视觉测量系统7的功能是一致的，仅仅是测量区域不同，下面仅对第二机器视觉测量系统7做说明。
第二机器视觉测量系统7采样得到如图2所示的图像，通过图像处理，比如梯度法求解边界，得到包含有测量液4液面与叶片交界线即扫描线图像的边界，如图3所示。
由于叶片未与测量液4接触边界区域的成像与背景液面成像交界处也存在类似于扫描线特征的交线，图3中的边界线(白色曲线)包含有干扰。进一步观察发现，边界线中的扫描线部分与干扰部分在交界处存在明显的特征，为此可以通过进一步的图像处理，如角点提取等，对边界线中的有效区域即扫描线图像，进行提取，最终得到的第二机器视觉测量系统7采样图像中的扫描线图像如图4所示。
得到图像4后，在第二机器视觉测量系统7标定完成的前提下，采用图像处理结合标定数据即可得到图像采样时刻与液面交界所对应叶片的三维轮廓。当位移平台1控制叶片逐步完全浸入测量液4时，即可完成对叶片的全场三维形貌测量。
本发明最大的特点在于采用有色测量液作为线扫描中扫描线的生成介质。测量液贮存在专用容器中，液体深度及容器尺寸需要根据被测物体体积及其分布特征选定。液体及其颜色是产生高精度扫描线的关键。液体颜色与被测物体表面颜色间应有较高的对比度。液体的颜色可以是液体本身的颜色，也可以是液体添加染料后的颜色，还可以采用有色光源对液体添加需要的颜色。当被测物体浸入测量液后，液体、大气与被测物体三者间的交界区域会形成具有明显特征的曲线，该曲线即等价于传统的扫描线即光刀。通过控制测量液的颜色控制扫描线的清晰度。液体颜色与被测物体表面颜色对比度越大，扫描线特征则越明显。
采用机器视觉测量系统对交界区域图像进行采样，摄像机对液面与被测物体表面生成的扫描线区域图像采样后，采用数字图像处理方法对采样图像进行边界提取，进而求取扫描线图像。在相机系统标定的前提下，根据提取得到的扫描线图像，即可求得扫描线所对应被测物体区域的三维形貌。
在进行扫描线图像的提取时，会存在干扰。干扰主要来自于被测物体未与液面接触部分成像与背景液面成像的交界。这些交界与扫描线具有类似的特征，仅靠边界提取无法对它们进行区分，但是为了求得有效的被测物面形貌，这些干扰必须被剔除。为此，可以对提取的边界进行进一步处理，比如可以通过角点特征提取获取扫描线的有效区域，即扫描线图像。
被测物体通过夹持机构固定在精密位移平台上，通过精密位移平台控制被测物体按照测量要求移动，每个移动位置处对扫描线图像采样。当被测物体从底部到顶部全部经过液面时，通过对每个位置采样图像的求解及数据融合即可得到被测物体的全场三维轮廓。
对于叶片等型面主要由前后两个曲面构成的被测物体，可以采用前后两组机器视觉测量系统进行型面测量；如果被测物体的型面较为复杂，可以采用多个方位布置的机器视觉测量系统进行测量；当被测物体轮廓较大时，每组测量系统可以有多个相机以扩大测量视场；也可以采用双目或多目测量系统进行图像采样测量。
为了实现自动测量，各个机器视觉测量系统之间、机器视觉测量系统与位移平台1间采用同步电路实现物体移动与相机采样等动作间的协调。
可以通过曲面拟合技术减小测量中的随机误差，提高测量得到的曲面三维形貌精度及数据密度。
本发明所提出的测量装置及其测量方法采用液面与被测物体接触线作为扫描线，不存在激光光刀刀口尺寸精度低、多个采样光刀间对准差且测量精度受限于被测物面光学特性的不足，从而能够提高测量精度；而且由于所发明仪器实现简单，其应用成本较传统方法更低。

Claims (6)

1.一种基于液体的线扫描轮廓测量装置，其特征在于：主要由机器视觉测量系统(6、7)、位移平台(1)、夹持装置(2)、测量液(4)和容器(5)组成；所述容器(5)设置在工作台上，工作台上设置有对扫描线区域进行图像采样的机器视觉测量系统，作为扫描线生成介质的测量液(4)存贮在容器(5)中，容器(5)一侧的台面上设置有位移平台(1)，被测物体夹持装置(2)通过其基座固定在位移平台(1)的载物台上，被测物体被夹持装置夹持后浸入到测量液内。
2.如权利要求1所述的基于液面基准的轮廓测量装置，其特征在于：各个机器视觉测量系统之间、机器视觉测量系统与位移平台(1)之间采用可实现物体移动与机器视觉测量系统采样动作间协调的同步电路。
3.如权利要求1所述的基于液面基准的轮廓测量装置，其特征在于：所述测量液(4)为有色液体，其颜色为液体本身的颜色或液体添加染料后的颜色或采用有色光源(9)的颜色；所述有色光源(9)置于容器外部或置于容器内部。
4.如权利要求1所述的基于液面基准的轮廓测量装置，其特征在于：包含不少于一个机器视觉测量系统；所述每个机器视觉测量系统至少包括一个相机。
5.根据权利要求1所述的基于液面基准的轮廓测量装置，其特征在于：所述测量液的颜色与被测物体表面颜色间应有较高的对比度。
6.一种基于权利要求1所述的基于液面基准的三维轮廓测量方法，其特征在于，将被测物体(3)通过夹持装置(2)固定，控制位移平台(1)将被测物体(3)移动至与测量液(4)接触的位置，控制机器视觉测量系统对被测物体(3)与测量液(4)交界区域(8)进行图像采样；机器视觉测量系统采样得到的图像通过图像处理，得到包含有测量液(4)液面与被测物体(3)交界线的边界线；对边界线中的有效区域即扫描线成像进行提取，得到被测物体与液面交线图像；在机器视觉测量系统标定完成的前提下，采用图像处理结合标定数据即可得到图像采样时刻与液面交界所对应被测物体(3)的三维轮廓；当位移平台(1)控制被测物体(3)逐步完全浸入测量液(4)时，即完成对被测物体(3)的全场三维形貌测量。
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