CN104792283A

CN104792283A - 一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置

Info

Publication number: CN104792283A
Application number: CN201510166477.1A
Authority: CN
Inventors: 甘勇; 莫宗杰; 甘杜芬
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明公开了一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置，该方法应用网格划分方法对被测物体分层细化为很多个有序的小网格体组成，通过精密位移控制系统和体积测量系统测量不同方向上每层小网格体体积，建立数学模型并应用遗传算法等智能运算求解物体每个小网格体三维坐标尺寸，设计基于分层特征的三维重构方法对物体的小网格体进行图形重构。本测量方法不破坏被测物体，可测所有不溶于水且无封闭孔的复杂形状材料，测量方便，成本低，所得三维坐标点云数据分层有序，重构简单，可实现自动测量。该技术的理论将能延伸到计算机辅助设计与制造、快速原型及虚拟现实等领域，解决目前反求工程和快速原型技术瓶颈问题，具有十分重要的理论价值和广阔的应用前景。

Description

一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置

技术领域

本发明涉及三维测量技术，具体是一种复杂轮廓物体三维无损测量方法及装置。

背景技术

在物体内外部轮廓三维测量技术方面，目前有核磁共振成象和CT 扫描方法能够测量物体的内部轮廓，但这两种方法的成本很高，对可测零件的尺寸和材料都有限制，测量精度低。另一种能够对物体内部轮廓测量的方法是美国的自动断层扫描技术，该方法虽然测量精度高。但它测量时要破坏被测零件，成本高，测量时间长，应用也受到了限制。另外，一种基于浮力的三维实体非接触测量与重构方法，能测量内部轮廓是通孔的物体，但该方法要求被测物体密度均匀，难以满足工程实际需要。还有一种基于虚拟切片原理的复杂实体三维数字化无损测量方法。该方法以物体重力在平衡系统中力与力矩的变化关系为测量基础原理，通过测量片层二维重心和重量特征，结合空间三个正交轴向空间虚拟切片原理，测得到被测实体三维尺寸特征信息。该方法由于采用的虚拟切片原理，测量在平衡系统中进行，不破坏被测物体，但该方法也要求被测物体密度均匀，对密度不均匀的物体无法测量。因此，在含有内部轮廓的三维物体无损测量方面，以上方法只能测量密度均匀的物体，不能测量含有复杂内部轮廓的密度不均匀的物体，难以满足实际生产需要。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提出了一种基于网格片层体积测量的复杂物体三维无损测量与重构的新方法及装置。本测量方法不破坏被测物体，可测所有不溶于水且无封闭孔的复杂形状材料，测量方便，成本低，所得三维坐标点云数据分层有序，重构简单，可实现自动测量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种复杂轮廓物体三维无损测量方法，包括如下步骤：

（1）建立一个复杂轮廓物体三维无损测量装置，该装置包括精密测量控制机构和图形重构系统，精密测量控制机构封装在腔体中；

（2）在安装夹具系统的空间坐标系中将被测物体分层细化成由多个有序的微小网格正方体组成的网格体，按空间坐标有序离散化，整个测量过程中每个微小网格正方体的中心坐标位置相对于安装夹具系统空间坐标系的位置固定不变。将网格体置于精密测量控制机构中，将带溢出孔且填充有一定量液体的容量置于被测物体的正下方，使被测物体在精密测量控制机构的作用下，按一定的方向和一定的下降距离浸入容器液体中。液体的溢出受到液体润湿效应、液面稳定性和表面张力等因素影响，通过对液体的影响因素误差分析、修正补偿和实验验证，得到满足测量要求所需的液体。通过测出每次溢出液体的重量，再根据溢出液体的体积v等于质量m除以密度ρ以精确求解每层的体积，每层的体积又等于本层所有微小网格正方体的单元体积之和。通过不同方向分层多次测量来构建数学模型，应用遗传算法智能运算求解出网格体的上每一位置单元体是否为空，以得到该微小网格正方单元体的三维坐标尺寸，从而得到被测物体所有构成点的三维空间坐标；

（3）精密测量控制机构所测得的重力信号通过数据采集接口与图形重构系统连接，并形成数据文件，进行求解运算、误差数据处理和重构计算，采用基于二进制像素的三维重构方法在图形处理系统中对物体的小网格体进行精确重构三维图形。

所述数学模型的构建及三维重构方法是：任设被测物体被边长为n的最小空间包容体包容装夹其中，网格体的边长取1（假设被测物体最大长度为L,测量精度为△L，则n=L/△L,在测量规划时可适当调整△L使n为整数）, 则最小包容体共有n³个微小网格体。沿Z轴方向向下逐层浸入液体中，即每次移动1，记网格体V（n,n,n）的体积为V_（n,n,n），Z轴方向上第n层的体积记为V_Zn，则可建立每一片层的体积计算数学模型。沿Z轴方向上第1层体积计算公式为：

V_（1,1,1）+ V_（2,1,1）+···+ V_（n,1,1）+ V_（1,2,1）+···+ V_（n,n,1）= V_Z1

沿Z轴方向上第2层体积计算公式为：

V_（1,1,2）+ V_（2,1,2）+···+ V_（n,1,2）+ V_（1,2,2）+···+ V_（n,n,2）= V_Z2

以此类推，沿Z轴方向上第n层体积计算公式为：

V_（1,1,n）+ V_（2,1,n）+···+ V_（n,1,n）+ V_（1,2,n）+···+ V_（n,n,n）= V_Zn

同理，改变测量方向在X轴、Y轴方向上测量可分别得到n个方程。

再改变测量位置，分别沿互相垂直的3个平面内的6个对角线方向测量时，每次移动一个网格体边长的倍距离，在各方向分别获得n个方程（这些方程中有很多网格体刚好切到一半，即1/2个网格体），则可获得在6个对角线测量方向上总计6n个方程。因此，在X、Y、Z轴三个方向测量共可列出3n个线性方程；沿各个对角线方向测量时，共可列出6n个方程。则在不同方向测量时，共计可获得9 n个线性方程。

由微小网格体定义，已知微小网格体的体积为V，则所有微小网格体在空间只有两种情况存在，要么为实网格体，即体积为V，为研究方便可通过转换为当量体积，记为单元体积1；要么为虚网格体，即体积为0；则单元网格体体积值只为1或0，有：

V_（i,j,n）*(V_（i,j,n）-1)= 0

式中，V_（i,j,n）为微小网格体V（i,j,n）的当量体积，i=1,2,…,n，j=1,2,…,n；

因此, 经过体积归一化处理以后，存在V_（1,1,1）（V_（1,1,1）-1）=0，V_（2,1,1）（V_（2,1,1）-1）=0，…，V_（n,n,n）（V_（n,n,n）-1）=0共 n³ 个非线性方程，用这n³+9n个方程通过遗传算法等智能运算可优化求解n³个未知数，可高精度求得每一个网格体位置的三维坐标，进而可重构出物体的三维图形。

实现上述测量方法的复杂轮廓物体三维无损测量装置，包括精密测量控制机构和图形重构系统，精密测量控制机构通过数据采集接口与计算机图形重构系统连接，并形成数据文件，进行求解运算、误差数据处理和重构计算，在图形处理系统中精确重构三维图形。其中：

所述精密测量控制机构包括精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统和温、湿度监控系统，精密装夹系统与精密运动控制系统相连接，通过精密运动控制系统，控制精密装夹系统沿垂直方向上的精密位移，精密体积测量系统由精密电子分析天平和设置在该天平上的吸水海绵体构成，设置在精密装夹系统下方一侧，在精密电子分析天平旁设置有自动装卸系统，当吸水海绵体重量即将达到精密电子分析天平的最大量程时，及时卸载并更换吸水海绵，温、湿度监控系统设置在精密体积测量系统与自动装卸系统之间，实时监控整个精密测量系统中温度、湿度的状况，精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统、自动装卸系统、温、湿度监控系统分别与计算系统连接。

所述精密装夹系统为边长可调的正方体包容体，以满足被测物体装夹方便可靠，能快速实现多个不同测量方向的切换，并满足各个测量方向的精度要求。

所述精密装夹系统、精密体积测量系统、自动装卸系统、温、湿度监控系统均设置在同一腔体内，以保证测量环境一定的湿度要求、空气流动干扰和环境温度要求。

本发明的优点是：本测量方法不破坏被测物体，可测所有不溶于水且无封闭孔的复杂形状材料，测量方便，成本低，精密运动控制系统中位移要求非常精确，测量系统能实现自动控制和自动数据采集、体积测量精度高，所得三维坐标点云数据分层有序，重构简单，可实现自动测量。该技术的理论将能延伸到计算机辅助设计与制造、快速原型及虚拟现实等领域，解决目前反求工程和快速原型技术瓶颈问题，具有十分重要的理论价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例中被测物体的网格细分分层示意图；

图2为实施例中被测物体最小包容体网格细分示意图；

图3为精密测量控制系统的工作原理示意图。

具体实施方式

实施例：

由网格分层体积测量构造有序点云重构三维物体的测量方法是：

在空间坐标系中，把被测物体按测量精度要求用网格细分为由很多分层有序的微小网格体组成的网格体（如图1），通常取每一个网格为边长相等的正方体网格，则每个微小网格体的体积相等。把每片层上的微小网格体按空间坐标有序离散化，则每片层可看成是由一组有序的点云数据组成。在物体三维空间单元表示法中，每个点云数据可视为一个空间单元体（称为网格体），可以根据物体所占据的网格位置来定义物体的形状和大小。其相应的数据结构为三维数组，每一数组元素对应一空间位置。若此位置为单元体所占据，则相应数组元素赋值为1，其体积视为单元体积1，称为实网格体，反之虚网格体以0表示。点云数据大小取决于所选取的空间分辨率。常取网格体为正方体，控制网格上每一位置单元是否为空，形状可以用唯一的所占单元列表方式表示出来。基于空间网格体表示法研究物体，构建计算数学模型，采用基于二进制像素的三维重构方法，可取实网格体的体积为1，虚网格体的体积为0，即所有值只能在（0，1）2个可能的值选取，以此来表达空间图像单元体有无。如图2所示，在空间坐标系中，对包容正方体进行网格细分，正方体为被测物体最小包容体，微小网格体边长的大小可由测量精度确定，精度越高则微小网格体边长越小，被测物体按测量要求安装在最小包容体中，最小包容体中每一个微小网格体坐标位置固定，以微小网格体中心为其坐标点位置，因此相对本坐标系其在整个测量过程中保持不变，如图1所示靠近坐标原点的网格体坐标为（1,1,1），记为V（1,1,1），其为实网格体，则V（1,1,1）=1。若最小包容体的最大边长为n（n为自然数）,则在最小包容体中距离坐标原点最远的点表示为V（n,n,n）。在最小包容正方体中，可对被测物体在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向以及三个相互垂直平面的6个对角线方向进行测量，依次把被测物体沿某一方向逐层浸入液体中并通过测溢出的液体的重量来实现网格片层体积测量。因此，建立最小空间包容体空间坐标系，并把最小包容体在空间坐标系中按精度及网格分层要求划分为微小网格体的集合，同一方向各片层相互平行，每个微小网格体其所在空间位置确定，安装在其中的被测物体包含的所有微小网格体的三维坐标也确定，这样只需把被测物体上所有实网格体找到（即只需确定某一位置是否存在实网格体），构成被测物体的所有点云数据就确定了，通过点云数据可实现被测物体的重构。

为了实现通过网格细分分层体积测量实现物体的三维无损测量与重构，任设被测物体被边长为n的最小空间包容体包容装夹其中，微小网格体的边长取1（假设被测物体最大长度为L,测量精度为△L，则n=L/△L,在测量规划时可适当调整△L使n为整数）, 则最小包容体共有n³个微小网格体。如图1所示沿Z轴方向向下逐层浸入液体中，即每次移动1，记网格体V（n,n,n）的体积为V_（n,n,n），Z轴方向上第n层的体积记为V_Zn，则可建立每一片层的体积计算数学模型。

沿Z轴方向上第1层体积计算公式为：

沿Z轴方向上第2层体积计算公式为：

以此类推，沿Z轴方向上第n层体积计算公式为：

由微小网格体定义，已知微小网格体的体积为V，则所有微小网格体在空间只有两种情况存在，要么为实网格体，即体积为V，为研究方便可转换为当量体积，记为单元体积1；要么为虚网格体，即体积为0；则单元网格体体积值只为1或0，有：

V_（i,j,n）*(V_（i,j,n）-1)= 0

精密网格片层体积测量系统和精密装夹系统设计

根据上述测量方法，要精确求出每一网格片层的体积，必须设计一个能够满足测量要求的精密装夹系统，以实现被测物体在不同方向的网格片层沿垂直方向浸入液体。该装夹系统为边长可调的正方体包容体，满足被测物体装夹方便可靠，能快速实现多个不同测量方向的切换，并满足各个测量方向的精度要求。当被测物体浸入盛满液体的容器中，液体的溢出受到液体润湿效应、液面稳定性和表面张力等因素影响，通过对液体的影响因素误差分析和修正补偿、实验验证，得到满足测量要求所需的液体。本方法采用通过测溢出液体的重量精确求解体积，即通过体积v等于质量m除以密度ρ计算出。

如图3所示，精密测量控制系统包括精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统、自动装卸系统、温度湿度监控系统等。第一，将精密装夹系统与精密运动控制系统相连接，精密运动控制系统的工作可实现装夹系统沿垂直方向上的精密位移。第二，精密装夹系统可装夹固定被测物体，使被测物体在每次装夹中保持其在指定坐标系中的固定位置。第三，将带溢出孔且已填充入一定量液体的容器置于被测物体的正下方，使被测物体在精密运动系统与精密装夹系统的共同作用下，按一定的下降距离浸入容器液体中。第四，将吸水海绵放置于精密电子分析天平上，且将步骤三中由于被测物体浸入容器而溢出的液体通过导管滴入吸水海绵中。第五，在精密电子分析天平附近放置自动卸载系统，用于当吸水海绵重量即将达到精密电子分析天平最大量程时，及时卸载并更换吸水海绵。第六，在这系统中设置温度湿度监控系统，实时监控整个精密测量系统的温度湿度状况。第七，将精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统、自动装卸系统、温度湿度监控系统等主要系统与计算机数据互通连接。第八，整个系统除计算机系统外都在玻璃保护罩中进行实验测量。

测量时：把被测物体按测量规划要求安装在精密装夹系统中，并把装夹系统按测量方向要求安装在精密运动控制系统中，精密运动控制系统带动装夹系统每次移动一定的距离，被测物体逐层浸入容器1中的液体中，每片层溢出的液体通过容器1上的溢出孔溢出到容器2中，容器2中的海绵是为了保证溢出液体在容器2中的稳定性而设置，以保证精密电子分析天平能快速测出每层溢出液体的重量。精密电子分析天平把每次测出的重量数据实时传送到计算机系统进行保存和处理。由于精密电子分析天平的测量精度越高，其量程越小。因此在连续的自动测量过程中，需要在精密电子分析天平接近量程前把其载荷卸掉，实验中采用通过自动卸载系统更换容器2，每次在接近精密电子分析天平量程前，控制系统停止测量并保存现场数据，然后启动自动装卸系统更换容器2，新容器更换好后精密电子分析天平把此时的测量数据发给计算机保存和处理，并启动测量控制系统继续进行测量，直到测量完毕。测量系统中的玻璃保护罩是为了保证测量环境一定的湿度要求、空气流动干扰和环境温度而设置，计算机在每次测量前先启动温度湿度监控系统监测测量系统的环境温度和湿度是否满足要求，并实时把数据传给计算机监控，在环境稳定满足测量要求后，计算机将自动启动测量控制系统进入测量状态。

基于网格分层特征的三维图形重构

物体的测量及重构包括测量控制系统、计算系统和图形处理系统，测量过程中测量、计算和重构可同步进行。测量系统所测的重力信号通过数据采集接口传送到计算机上，在计算机上用设计的专用处理软件形成数据文件，进行求解运算、误差数据处理和重构计算。设计基于网格分层特征的三维图形重构系统并在图形处理系统中精确重构三维图形。

Claims

1.一种复杂轮廓物体三维无损测量方法，其特征是：包括如下步骤：

（2）将被测物体分层细化成由多个有序的微小网格体组成的网格体，按空间坐标有序离散化，将网格体置于精密测量控制机构中，将带溢出孔且填充有一定量液体的容量置于被测物体的正下方，使被测物体在精密测量控制机构的作用下，按一定的下降距离浸入容器液体中，液体的溢出受到液体润湿效应、液面稳定性和表面张力等因素影响，通过对液体的影响因素误差分析、修正补偿和实验验证，得到满足测量要求所需的液体；通过测出每次溢出液体的重量，再根据溢出液体的体积v等于质量m除以密度ρ以精确求解每层的体积，每层的体积又等于本层所有微小网格正方体的单元体积之和；通过不同方向分层多次测量来构建数学模型，应用遗传算法智能运算求解出网格体的上每一位置单元体是否为空，以得到该微小网格正方单元体的三维坐标尺寸，从而得到被测物体所有构成点的三维空间坐标；

2.实现权利要求1所述的测量方法的复杂轮廓物体三维无损测量装置，其特征是：包括精密测量控制机构和图形重构系统，精密测量控制机构通过数据采集接口与图形重构系统连接，并形成数据文件，进行求解运算、误差数据处理和重构计算，在图形处理系统中精确重构三维图形。

3.根据权利要求2所述的复杂轮廓物体三维无损测量装置，其特征是：所述精密测量控制机构包括精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统和温、湿度监控系统，精密装夹系统与精密运动控制系统相连接，通过精密运动控制系统，控制精密装夹系统沿垂直方向上的精密位移，精密体积测量系统由精密电子分析天平和设置在该天平上的吸水海绵体构成，设置在精密装夹系统下方一侧，在精密电子分析天平旁设置有自动装卸系统，温、湿度监控系统设置在精密体积测量系统与自动装卸系统之间，精密运动控制系统、精密装夹系统、精密体积测量系统、自动装卸系统、温、湿度监控系统分别与计算系统连接。

4.根据权利要求2所述的复杂轮廓物体三维无损测量装置，其特征是：所述精密装夹系统为边长可调的正方体包容体。