CN105674909B - 一种高精度二维轮廓测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高精度二维轮廓测量方法，包括以下步骤：先建立一个三维坐标系，将待测物置于三维坐标系的X轴向，在YZ平面内设置一个点光源，点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光；点光源垂直于XZ平面发射光线，点光源发射的光线与待测物体相交则该交点为一个亮点，最终点光源发射的光线与待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线；通过面阵摄像机对光轮廓曲线成像，其光轴在XY平面中且经过原点B，光轴与YZ平面呈θ角；面阵摄像机接收Y轴与Z轴方向光轮廓曲线的光信号，经过映射变换得出某一时刻的待测物轮廓尺寸数据，映射变换与面阵摄像机的光心距离原点B的距离L无关。本发明的有益效果是：该设计使得测量更便捷，结果更精准。

Description

一种高精度二维轮廓测量方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其是涉及一种高精度二维轮廓测量方法。
背景技术
目前，对于轧件的尺寸测量通常采用光切法。然而，这种测量方法测得数值的偏差与CCD(Charge-coupledDevice)阵列检测器的偏移量有关，所以实际测量精度并不高，不能满足检测要求。此外，该测量方法的实时性欠佳，光源扫描频率较低，大体为20次/秒，所以对运动速度较高的待测物体的截面评估效果十分不理想。由此可见，如何研究出一种高精度二维轮廓测量方法，具有更高的测量精度和实时性，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有良好实时性的高精度二维轮廓测量方法。
本发明一种高精度二维轮廓测量方法，包括以下步骤：
1)先建立一个三维坐标系，将待测物置于三维坐标系的X轴向，在YZ平面内设置一个点光源，所述点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光；
2)所述点光源垂直于XZ平面发射光线，所述点光源发射的光线与所述待测物体相交则该交点为一个亮点，最终所述点光源发射的光线与所述待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线；
3)通过面阵摄像机对所述光轮廓曲线成像，所述面阵摄像机的光轴在XY平面中且经过三维坐标系的原点B，所述光轴与YZ平面呈θ角；
4)所述面阵摄像机接收Y轴方向与Z轴方向所述光轮廓曲线的光信号，经过映射变换得出某一时刻的待测物轮廓尺寸数据，所述映射变换与所述面阵摄像机的光心距离所述原点B的距离L无关。
进一步地，所述映射转换具体为：y′1＝K·a1
其中，y’1为所述待测物体与所述点光源发射光线的交点A’与所述原点B之间的距离；a1为物点A’在所述面阵摄像机中的像斑端点到所述面阵摄像机成像原点E的距离，f为所述面阵摄像机的焦距；Li为所述面阵摄像机的像距。
进一步地，所述θ角为锐角。
进一步地，所述点光源需要安装电子控制装置，通过所述电子控制装置将所述点光源扫描成具有一定宽度的平行光。
进一步地，所述待测物体可以处于静止状态，也可以处于运动状态。
本发明一种高精度二维轮廓测量方法，与现有技术相比具有以下优点：
第一，该高精度二维轮廓测量方法中无需考虑所述面阵摄像机的光心与测量用的三维坐标系原点B之间距离L的大小对测量结果的影响，即有效消除了这一因素所引起的测量误差，使测量结果变得更加精准；此外，该方法采用所述点光源发射的光线与所述待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线，通过所述面阵摄像机对所述光轮廓曲线成像，由于所述点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光，便于捕捉进入所述光线范围内的待测物体，这与传统光切法中需要转动或摆动点光源不同，不存在因扫描频率低而无法及时捕捉到待测物的问题，所以该方法具有良好的实时测量功能。
第二，该高精度二维轮廓测量方法中的映射变换关系十分简单，便于计算；因测量结果不存在所述面阵摄像机的光心与所述原点B之间距离L大小的影响，且物点与原点B之间的距离y与像斑点与成像原点E之间的距离a呈线性关系，所以使用该映射变换使测量更为简洁，精度更高，测量频率也大大提高。
第三，该高精度二维轮廓测量方法中所述θ角为锐角。之所以这样设计是为了便于将待测物利用所述面阵摄像机成像于更合适的位置，从而为计算测量数据提供便利。
附图说明
图1为本发明中XY平面内物点成像分析示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
一种高精度二维轮廓测量方法，包括以下步骤：
1)先建立一个三维坐标系，将待测物置于三维坐标系的X轴向，在YZ平面内设置一个点光源，所述点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光。
2)所述点光源垂直于XZ平面发射光线，所述点光源发射的光线与所述待测物体相交则该交点为一个亮点，最终所述点光源发射的光线与所述待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线。
3)通过面阵摄像机对所述光轮廓曲线成像，所述面阵摄像机的光轴在XY平面中且经过三维坐标系的原点B，所述光轴与YZ平面呈θ角。
4)所述面阵摄像机接收Y轴方向与Z轴方向所述光轮廓曲线的光信号，经过映射变换得出某一时刻的待测物轮廓尺寸数据，所述映射变换与所述面阵摄像机的光心距离所述原点B的距离L无关。
该方法中无需考虑所述面阵摄像机的光心与测量用的三维坐标系原点B之间距离L的大小对测量结果的影响，即有效消除了这一因素所引起的测量误差，使测量结果变得更加精准。此外，该方法采用所述点光源发射的光线与所述待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线，通过所述面阵摄像机对所述光轮廓曲线成像。由于所述点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光，便于捕捉进入所述光线范围内的待测物体。这与传统光切法中需要转动或摆动点光源不同，不存在因扫描频率低而无法及时捕捉到待测物的问题，所以该方法具有良好的实时测量功能。
为了便于将待测物利用所述面阵摄像机成像于较佳的位置，同时为计算测量数据提供便利，所以将所述θ角设为锐角。
为了实现所述点光源转化为能够发射具有一定宽度的平行光光源，所以在所述点光源需要安装电子控制装置，通过所述电子控制装置将所述点光源扫描成具有一定宽度的平行光。
所述待测物体可以处于静止状态，也可以处于运动状态。该设计使得该高精度二维轮廓测量方法的普适性大为提高。
现有技术中光切法的映射转换关系与该映射转换关系的推导过程如下：
沿Y轴方向向下发射一束光打到待测物时，其交点为A，在此称之为物点。在与Y轴呈θ夹角处有一面阵摄像机，其成像面平行于Z轴，接受从Y、Z方向来的投影信息。XY平面的光学关系如图1所示。
B点为测量用三维坐标系的原点。O点为面阵摄像机的光心。F点为面阵摄像机的焦点。E点为面阵摄像机成像原点。D点为物点A在面阵摄像机投影面上反映Y轴方向的成像点。
分别将待测物A点离原点B的距离AB设为y0，坐标系的原点到面阵摄像机光心BO设为L，面阵摄像机焦距OF设为f，物距CO设为L0，像距OE设为Li，待测物A点在面阵摄像机成像尺寸，即偏离成像原点E点的位置ED设为a0。此时A点通过面阵摄像机光心和通过面阵摄像机焦点的光束是交汇于面阵摄像机成像面上的D点。
y0与a0的数学表达推导如下：
∵ΔACO～ΔDEO
∴
∵ΔGOF～ΔDEF
∴
(1),(3)联立，可得：
设AB线段上的A’点，它在像平面上ED线段上的投影应当是一线段HJ，令EH为a1，EJ为a2，A’B为y’。
线段的J端点，∵ΔA′C′O～ΔJEO
∴
线段的H端点，又∵ΔG′OF～ΔHEF
∴
令则y′1＝K·a1 (8)
Δy′1＝K·Δa1 (9)
由上述推导，可以得如下结论：
公式(4)说明，当面阵摄像机确定后即Li和θ确定，y0＝F(L，θ)，即该维度的尺寸测量受限于L和θ的关系；
XY平面上，当物点在AB范围内变动时，相应像点在ED范围内与其对应；
XY平面上，当物点在AB范围内变动时，当且仅当分别在A或B点处，相应像点在ED上与其对应的是一个“点”，在其他位置物点在ED上均呈现一长度为(a1-a2)的像斑；
公式(5)和(8)说明，利用物点在像平面上的像斑的两端点，均可找到物点在Y轴的坐标；
公式(5)和(2)说明，当物点在AB范围内变动时，面阵摄像机在XY平面上测得的偏移量与物点在Y坐标的偏移量之间的映射关系是统一的；
公式(8)说明，采用此法确定面阵摄像机在XY平面上测得的偏移量与物点在Y坐标的偏移量之间的映射关系是，它与面阵摄像机光心离测量用三维坐标系原点B的距离L无关。更何况y与a两者呈线性关系，用它使得测量变得十分简洁，精度高，测量频率亦可大大提高。显然，该结论通过分别对比公式(5)、公式(8)和公式(6)、公式(9)得出。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度二维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)先建立一个三维坐标系，将待测物置于三维坐标系的X轴向，在YZ平面内设置一个点光源，所述点光源可以扫描出具有一定宽度的平行光；
2)所述点光源垂直于XZ平面发射光线，所述点光源发射的光线与所述待测物体相交则该交点为一个亮点，最终所述点光源发射的光线与所述待测物相交，并在YZ面中形成一条光轮廓曲线；
3)通过面阵摄像机对所述光轮廓曲线成像，所述面阵摄像机的光轴在XY平面中且经过三维坐标系的原点B，所述光轴与YZ平面呈θ角；
4)所述面阵摄像机接收Y轴方向与Z轴方向所述光轮廓曲线的光信号，经过映射变换得出某一时刻的待测物轮廓尺寸数据，所述映射变换与所述面阵摄像机的光心距离所述原点B的距离L无关；
所述映射转换具体为：y′1＝K·a1
其中，y’1为所述待测物体与所述点光源发射光线的交点A’与所述原点B之间的距离；a1为物点A’在所述面阵摄像机中的像斑端点到所述面阵摄像机成像原点E的距离，f为所述面阵摄像机的焦距；Li为所述面阵摄像机的像距。
2.根据权利要求1所述的高精度二维轮廓测量方法，其特征在于：所述θ角为锐角。
3.根据权利要求1所述的高精度二维轮廓测量方法，其特征在于：所述点光源需要安装电子控制装置，通过所述电子控制装置将所述点光源扫描成具有一定宽度的平行光。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高精度二维轮廓测量方法，其特征在于：所述待测物体可以处于静止状态，也可以处于运动状态。
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