CN106216815A - 一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法，属于三维表面测量技术领域。本发明是利用一结构光激光器发出入射结构激光线照射到可发生镜面反射的被测物体表面上，经被测物体表面镜面反射产生的携带物体表面三维形貌信息的反射激光线，依次照射到半透明成像屏和普通成像屏上形成变形的激光网格图像；并利用两CCD摄像机分别采集两成像屏上的图像，通过图像处理从所采集的图像中提取出激光网格信息，进而利用两点确定一条直线的基本原理确定出反射激光线；最后根据反射定律，由入射激光线与反射激光线求出被测物体三维表面上的入射点，获得三维表面入射点分布，由此通过一套严格的物体表面三维恢复算法而重构出被测物体的三维表面。本发明简单可靠，计算量小，测量精度高，可用于物体表面的高精度的三维形貌测量。

Description

一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法
技术领域
本发明涉及三维表面测量技术。
背景技术
三维形貌测量是利用三维测量仪器测量物体表面几何形状并重构出所测量物体三维模型的技术。这种技术在工业设计、生产检测、产品检验、逆向工程、快速原型设计、地形测量与勘探、动画制作及游戏设计等领域都有着广泛的应用。三维形貌测量的方法主要有接触式和非接触式两类。接触式三维形貌测量精度高，但是测量速度慢且对工作环境要求极高，因此应用受到很大限制（参阅专利：CN1587900A）。非接触式测量方便迅速，能够很好的解决接触式的不足，但该方法的测量精度相对较低。目前，非接触式测量方法主要有投影栅相位法（参阅专利：CN201410692654.5）、双目立体视觉法（参阅专利：CN201010566206.2）、激光与滤光技术相结合的方法（参阅专利：CN104014905A）。投影栅相位法只能获取物体表面高度方面的相关信息，并且该方法计算复杂，精度易受外界因素的影响；双目立体视觉的方法一次获取一块区域的三维信息，匹配困难，算法复杂且不稳定，耗时长；激光与滤光技术相结合的方法能够很好的避免外界因素对物体表面三维测量的干扰，名称为“GTAW焊接过程中熔池三维形貌观测装置及方法”（专利号：CN104014905A）的专利提出的网格激光测量三维形貌的方法是将携带物体表面三维信息的网格激光反射到单个成像屏上，并采用CCD摄像机对所形成的激光网格图像进行采集，获得投射激光网格角点的空间位置坐标和反射角度，再利用基于投射激光反射点更新的三维恢复算法重构出物体表面三维形貌，这种方法能够实现较为准确的物体表面三维的测量及重构，但是该方法必须首先假设一曲面作为初始物体表面然后进行迭代计算，迭代计算复杂，计算量大，且精度受初始假设平面的影响较大，且不能直接推算出物体三维表面。
发明内容
为了克服采用单屏成像测量物体三维表面的不足，本发明提供了一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法。
本发明为一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法，其实现步骤为：
（1）对被测物体表面进行镜面反射处理，将结构光激光器1置于被测物体一侧的斜上方，使之发射出入射结构激光线照射到被测物体的表面8上形成激光网格7，经被测物体的表面8镜面反射产生的携带物体表面信息的反射激光线，依次照射到被测物体另一侧竖直放置的半透明成像屏2和普通成像屏3上；
（2）利用第一CCD摄像机4采集反射激光线在半透明成像屏2上所形成的图像，第二CCD摄像机5采集透过半透明成像屏2的反射激光线在普通成像屏3上所形成的图像，并将两CCD摄像机采集的图像存储到计算机6中；
（3）建立被测物体表面三维恢复算法，首先，根据激光器1在空间坐标系中的位置，其空间坐标为A(x a, y a, z a)，及激光器1发射出的激光线之间的夹角大小关系，确定入射线激光束的方程，如式(1.1)所示：
（1.1）
式中：(I x, I y, I z)是入射激光的方向向量I。
其次，通过图像处理从两CCD摄像机采集的图像中，提取出同一反射激光线投影于半透明成像屏2和普通成像屏3上所成像的点的空间坐标，B(x b, y b, z b)和C(x c, y c, z c)，确定反射激光线方程，如式(1.2)所示：
（1.2）
最后，联立入射激光束方程式(1.1)与反射激光线方程式(1.2)求出交点O(x o, y o,z o)，根据反射定律，交点即为入射激光线在被测物体表面8的入射点，再利用曲面拟合算法对各入射点进行拟合，进而重构出被测物体的三维表面。
与单屏成像测量三维表面的方法相比，本发明的有益效果是：根据几何参数和基本的数学原理确定出入射激光束方程和反射激光线方程，进而直接求解出被测物体表面上的反射点，无需假设一初始面进行迭代计算，因此计算量少，精度高。
附图说明
图1发明原理示意图，图2表面重构原理图，图3具体实施示意图（测量TIG焊熔池表面三维形貌），图4具体实施实物图，图5水平面反射后的激光网格形态，图6第一CCD摄像机4采集的熔池表面反射后的激光网格形态，图7第二CCD摄像机5采集的熔池表面反射后的激光网格形态，图8重构的TIG焊熔池表面三维形貌点阵图，附图标记及对应名称为：1激光器、2半透明成像屏、3普通成像屏、4第一CCD摄像机、5第二CCD摄像机、6计算机、7激光网格、8被测物体表面（熔池）、9工件、10控制系统、11焊接电源、12 TIG焊枪。
具体实施方式
本实施例基于TIG焊测量其熔池表面三维形貌的装置实现，见图3，主要包括激光器1、半透明成像屏2、普通成像屏3、第一CCD摄像机4、第二CCD摄像机5、计算机6、激光网格7、熔池8、工件9、控制系统10、焊接电源11、TIG焊枪12。其中，计算机6、工件9、控制系统10、焊接电源11、TIG焊枪12之间的连接都为焊接时的常规接法，此处不再说明。
在本实施例中各设备的参数及位置关系主要有：激光器与水平面的夹角为30°，其功率为200mW,输出波长为650nm的网格激光。半透明成像屏为28cm×35cm，普通成像屏为40cm×52 cm，两成像屏都与水平面垂直且两成像屏之间的水平距离为309cm。第一CCD摄像机置于半透明成像屏后并与x轴成60°夹角，第二CCD摄像机置于普通成像屏后与x轴平行。焊机采用WSM-250IGBT钨极氩弧焊机，焊接参数为：焊接电流25A，弧长5mm，焊枪垂直于水平面，氩气气体流量8L/min，工件采用规格为250 mm×100 mm×3 mm的304不锈钢板。
具体实施过程如图3所示，激光器1发射出入射激光线，并以与水平面成30°的夹角照射到焊接过程中在工件9上形成的熔池8的表面产生激光网格7，经熔池8表面反射产生的携带熔池表面信息的反射激光线首先照射到半透明成像屏2上，然后透过半透明成像屏2照射到普通成像屏3上，在两成像屏上各产生变形的激光网格图像；利用第一CCD摄像机4采集由携带熔池8三维表面信息的反射激光线在半透明成像屏2上所形成的图像（如图6所示），第二CCD摄像机5采集透过半透明成像屏2的反射激光线在普通成像屏3上所形成的图像（如图7所示）；将两摄像机采集的图像存储到计算机6中，通过图像处理提取出激光网格信息，由式（1.1）、（1.2）确定出入射激光线和反射激光线，进而求解出两激光线的交点，根据反射定律，求解出的交点即为入射激光线在熔池8表面上的入射点，最后利用曲面拟合算法对各入射点进行拟合，从而得到熔池8的三维表面，如图8所示，熔池表面的凹凸性与激光点阵形态对应良好，熔池表面宽度与高度与实际测量的吻合良好，误差较小，说明重构的熔池三维表面与实际的非常接近。

Claims (4)

1.一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法，其特征在于，其步骤为：
（1）对被测物体表面进行镜面反射处理，将结构光激光器1置于被测物体一侧的斜上方，使之发射出入射结构激光线照射到被测物体的表面8上形成激光网格7，经被测物体的表面8镜面反射产生的携带物体表面信息的反射激光线，依次照射到被测物体另一侧的半透明成像屏2和普通成像屏3上；
（2）利用第一CCD摄像机4采集反射激光线在半透明成像屏2上所形成的图像，第二CCD摄像机5采集透过半透明成像屏2的反射激光线在普通成像屏3上所形成的图像，并将两CCD摄像机同步采集的图像存储到计算机6中；
（3）建立被测物体表面三维恢复算法，首先，根据激光器1在空间坐标系中的位置，其空间坐标为A(x a, y a, z a)，及激光器1发射出的激光线之间的夹角大小关系，确定入射线激光束的方程，如式(1.1)所示：
（1.1）
式中：(I x, I y, I z)是入射激光的方向向量I。
2.其次，通过图像处理从两CCD摄像机采集的图像中，提取出同一反射激光线投影于半透明成像屏2和普通成像屏3上所成像的点的空间坐标，B(x b, y b, z b)和C(x c, y c, z c)，确定反射激光线方程，如式(1.2)所示：
（1.2）
最后，联立入射激光束方程式(1.1)与反射激光线方程式(1.2)求出交点O(x o, y o,z o)，根据反射定律，交点即为入射激光线在被测物体表面8的入射点，利用曲面拟合算法对各入射点进行拟合，进而重构出被测物体的三维表面。
3.根据权利要求书1所述的一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法，其特征在于：激光器1为结构光激光器，发出的激光线为结构激光线。
4.根据权利要求书1所述的一种基于双屏的物体表面三维形貌测量方法，其特征在于：半透明成像屏2和普通成像屏3同时放置来同步捕捉结构激光反射线。
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