CN106959078B - 一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，涉及三维轮廓检测技术领域。所述轮廓测量方法包括以下步骤:通过激光反射方式记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息；选定运动平台坐标系，根据标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式，将所述投影点的二维坐标信息变换至扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标信息；通过拟合所述各扫描点的三维坐标信息的数据，获得所述待测物体的三维轮廓信息；基于所述待测物体的三维轮廓信息显示所述待测物体的三维轮廓和表面状态的图像。克服了通常激光线扫技术难以测量透明物体的主要缺陷，可以有效地对透明物体进行扫描得到有效而稳定的扫描数据，从而测量出物体的三维轮廓数据。

Description

一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及三维轮廓检测技术领域，特别是涉及一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法。

背景技术

随着信息通信技术的发展，获取图像的方法不仅仅限于使用各种摄像机、照相机等只能得到物体的平面图像，即物体的二维信息的图像扫描手段。在许多领域，需要获得物体的三维信息。三维扫描用于创建物体几何表面，是实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。三维扫描的扫描点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点越可以创建更精确的模型。三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。

三维扫描属于非接触式测量，主要分两类。一类是被动方式，就是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求。另一类是主动方式，就是向物体投射特定的光，其中代表技术为激光线式的扫描，精度比较高。激光模组投射出的线型激光照射在下方的测量物体上，在物体表面形成一条亮度很高的轮廓线，激光相机在另外一个角度观察此轮廓线，根据三角成像的关系可以将观察到的轮廓信息恢复成为实际的三维空间位置信息。利用此类方法可以测量物体的三维信息的关键在于物体表面在激光照射下形成的高亮度轮廓线，此高亮度轮廓线可以被激光线扫相机的图像处理芯片扑捉并进行轮廓的细化抽取处理。当使用这类技术测量透明物体，例如3D玻璃面板时，由于透明物体的透明属性，在激光具体的照射位置很难形成一条明显高亮度的轮廓线，所以通常无法直接进行透明物体的三维测量，通常实践中的解决办法是在透明玻璃面板上喷涂一层非透明的薄层，利用这个辅助喷涂的层产生高亮度的轮廓线从而可以使用传统的三角激光线扫测量。如何对透明物体进行直接的三维轮廓测量是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，克服了通常激光线扫技术难以测量透明物体的主要缺陷，可以有效地对透明物体进行扫描得到有效而稳定的扫描数据，从而测量出物体的三维轮廓数据。

特别地，本发明提供了一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，包括以下步骤:

S1，将待测物体放置于测量平台上，对所述待测物体的表面的扫描点依次进行激光扫描，所述激光反射至投影屏幕处，记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息；

S2，选定运动平台坐标系，根据标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式，将所述投影点的二维坐标信息变换至扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标信息；

S3，通过拟合所述各扫描点的三维坐标信息的数据，获得所述待测物体的三维轮廓信息；

S4，基于所述待测物体的三维轮廓信息显示所述待测物体的三维轮廓和表面状态的图像；

其中，所述扫描点的数据集合为点云；

所述投影点的二维坐标为Di(X，Y)，X方向为激光线的方向，Y方向为所述激光扫描方向；所述相应的扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标为P(Xi，Yi，Zi)

所述投影点与相应的扫描点的关系式为：

Di.X＝P.Xi+(X-W/2)*XPitch；

Di.Y＝P.Yi+Y*YPitch；

其中，W为所述激光线的宽度，XPitch为激光线方向的间距，YPitch为激光扫描方向的间距，Di.X为所述投影点在X方向的坐标值，P.Xi为相应的扫描点在运动平台坐标系内X方向的坐标值，Di.Y为所述投影点在Y方向的坐标值，Di.Y为相应的扫描点在运动平台坐标系内Y方向的坐标值，P.Zi通过激光扫描所述待测物体时由相机记录获取。

进一步地，S1中所述待测物体放置于测量平台上，所述投影屏幕垂直于所述测量平台，所述激光以角度a和距离L发射至所述待测物体的表面并反射至所述投影屏幕；通过调节角度a来改变反射线在投影屏幕上的位置；

其中，a为所述激光与待测物体表面的角度，L为所述激光与待测物体表面的距离，所述激光为线型激光。

进一步地，所述投影点与相应的扫描点的关系式为通过对具有各种非连续的特定角度坡面的校准块进行三维轮廓测量，利用已知坡面在所述投影屏幕上形成的线段进行投影点和相应的扫描点之间的校准标定得到。

进一步地，记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息时，对所述二维坐标信息进行拼接处理。

进一步地，对所述待测物体的同一方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：将多次激光扫描时的所述投影点的二维坐标分别转换至相应的扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标，并进行数据合并。

进一步地，对所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：根据所述待测物体旋转的角度进行转换后进行数据合并。

进一步地，所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，第一次扫描为所述待测物体0度方向扫描，第二次扫描为将所述待测物体以已知的点O为旋转中心旋转预定角度b后进行激光扫描，所述根据所述待测物体旋转的角度进行转换的方法步骤为：

通过所述投影点与相应的扫描点的关系式计算第二次扫描的所述待测物体的投影点的二维坐标；

计算第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系；

对第二次扫描的所述待测物体的投影点以点O为旋转中心在二维坐标系内做反向旋转，得到反向旋转后的投影点；所述反向旋转的角度为b；

根据第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系，计算反向旋转后的点O的位置；

根据反向旋转后的点O的位置将第二次扫描的所述待测物体的投影点转换至第一次扫描的运动平台坐标系内，并进行数据合并。

进一步地，还包括对所述待测物体的面轮廓的计算；所述面轮廓的计算方法包括：

对所述点云进行过滤处理，以消除噪点；

对所述点云与所述待测物体的设计模型做迭代叠合处理；

通过迭代叠合处理后的点云计算每个扫描点与3D模板的最近距离，通过与3D模板的距离评估所述待测物体与其设计模型的差异程度，计算出所述待测物体的面轮廓度。

进一步地，还包括对所述点云的直线拟合，用于对拟合所述待测物体的边缘。

本发明提供的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，采取3D反射幕扫描的方法，激光模组投射的扫描激光照射到被测物体的表面后，经过反射，投射到反射幕上，在反射幕上形成一条和物体表面轮廓线相关的一条高亮度的图案，激光相机直接对准反射幕上拍照成像，并通过反射幕上的投影点与被测物体表面的扫描点之间的几何学位置关系计算，将反射幕的图像恢复到被扫物体原型，从而计算得出被测物体的三维轮廓信息。

本发明提供的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，由于是利用反射后的图像计算，而不是按照传统的物体表面上的照射激光线的图案计算，反射图像包含的有一定的规律被变形放大的图形，所以在物体三维轮廓线的计算恢复过程中必须包含必要的校准工作。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。附图中：

图1是按照本发明一个实施例的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的流程示意图；

图2是按照本发明一个实施例的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的S1中的反射式激光扫描的结构示意图；

图3是按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的激光扫描示意图；

图4是按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的沿同一方向多次扫描的激光扫描示意图；

图5是按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的沿不同方向的第二次扫描的激光扫描示意图；

图6是将图4和图5进行拼接转换的激光扫描示意图。

具体实施方式

图1是按照本发明一个实施例的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的流程示意图。如图1所示，一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，一般性地可以包括以下步骤：

S1，将待测物体放置于测量平台上，对所述待测物体的表面的扫描点依次进行激光扫描，所述激光反射至投影屏幕处，记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息。

S2，选定运动平台坐标系，根据标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式，将所述投影点的二维坐标信息变换至扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标信息。

S3，通过拟合所述各扫描点的三维坐标信息的数据，获得所述待测物体的三维轮廓信息。

S4，基于所述待测物体的三维轮廓信息显示所述待测物体的三维轮廓和表面状态的图像；其中，所述扫描点的数据集合为点云。

图2为按照本发明一个实施例的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的S1中的反射式激光扫描的结构示意图。如图2所示，具体地，在步骤S1中，待测物体4放置于测量平台5上。投影屏幕2垂直于测量平台5，激光模组1发射出的激光以角度a发射至待测物体4的表面并反射至投影屏幕2，通过相机3记录发射线在投影屏幕2的投影信息。相机3和激光模组1可以是设置在投影屏幕2的两侧或者同一侧。其通过调节角度a来改变反射线在反射投影屏幕2上的位置，通过调节激光与待测物体表面的距离L的大小控制激光扫描时的覆盖宽度。其中a为所述激光与待测物体表面的角度，L为所述激光与待测物体表面的距离，激光发射至待测物体4的表面的点为扫描点，激光经过反射后投影至投影屏幕2上的点为投影点。在一个实施方式中，激光模组1为分体式激光线扫相机中的独立激光模组。激光模组1发射的激光为线形激光。当然地，激光模组1采用点状激光进行逐点扫描也可，但是逐点扫描效率低下，而线形激光扫描时能够一次扫描一定的宽度，扫描效率较高。

在步骤S2中，标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式是通过对具有各种非连续的特定角度坡面的校准块进行三维轮廓测量，利用校准块的已知坡面在所述反射投影屏幕上形成的线段进行投影点和相应的扫描点之间的校准标定得到。由于本发明是利用了反射后的图像计算，而不是按照传统的物体表面上的照射激光线的图案计算，反射图像包含的有一定的规律被变形放大的图形，所以在物体三维轮廓线的计算恢复过程中必须包含必要的校准工作。在校准块上分布有各种非连续的特定角度的坡面，例如15，25，35，45度等等已知角度的坡面。利用已知坡面在反射投影形成的线段进行投影和真实物体之间的校准标定。其核心为利用一个已知3D信息(也称三维轮廓信息)的物体，利用反射投影方式扫描，将扫描得到的图像和具体物体对应关系求得记录。在校准标定过程中记录已知扫描点和其对应的投影点的位置，再求得所述已知扫描点和其对应的投影点的位置关系，从而得到标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式。

图3为按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的激光扫描示意图。如图3所示，在一个具体的实施方式中，激光相机扫描后的投影点的数据最终生成为二维的像素空间的数据(M0)，其中一个投影点在其二维坐标系内的坐标为Di(X，Y)，i＝0,1,2,3……。图3中，X方向为激光线的方向，Y方向为所述激光扫描方向；扫描激光线在X轴上的长度即为扫描激光线的宽度W，扫描激光线在Y轴上的长度即为扫描激光线扫描的高度距离H。而各投影点对应的扫描点(即待测物体表面的点)为运动平台坐标系中的点，其为三维坐标系。扫描点的坐标为P(Xi，Yi，Zi)，i＝0,1,2,3……。其中P(X0,Y0,Z0)为扫描起点，激光扫描方向的触发间距为YPitch，激光线方向的间距为XPitch。从而可以得出标准待测物体校准的投影点Di(X，Y)与相应的扫描点P(Xi，Yi，Zi)的关系式为：

Di.X＝P.Xi+(X-W/2)*XPitch；

Di.Y＝P.Yi+Y*YPitch；

其中，P.Zi的大小通过激光模组1激光扫描所述待测物体时由相机3记录获取。

从而根据上述标准待测物体校准的投影点Di(X，Y)与相应的扫描点P(Xi，Yi，Zi)的关系式即可由投影点的坐标计算出相应的扫描点的坐标。集合所有的扫描点的坐标数据即扫描点的点云数据，即可知道待测物体的三维轮廓信息。

在对待测物体进行激光扫描时，经常会遇到一次性扫描和一个方向无法完全满足测量的需求。在多次扫描同一产品时，就需要对多次的投影点或扫描点的点云做拼接处理。

对所述待测物体的同一方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：将多次激光扫描时的所述投影点的二维坐标分别转换至相应的扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标，并进行数据合并。图4是按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的沿同一方向多次扫描的激光扫描示意图。如图4所示，沿待测物体的同一方向分别进行多次扫描。图4中分别扫描了待测物体的左侧(B1)和右侧(B2)的数据，两次扫描的方向都为同一方向。在这种情况下，只需要按照上述标准待测物体校准的投影点Di(X，Y)与相应的扫描点P(Xi，Yi，Zi)的关系式进行点云转换，把数据B1和数据B2分别转换成运动平台坐标系内的三维坐标，然后把两者数据合并后就能完成两个扫描数据的拼接处理。

对所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：根据所述待测物体旋转的角度进行转换后进行数据合并。所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，第一次扫描为所述待测物体0度方向扫描，第二次扫描为将所述待测物体以已知的点O为旋转中心旋转预定角度b后进行激光扫描，所述根据所述待测物体旋转的角度进行转换的方法步骤为：

通过所述投影点与相应的扫描点的关系式计算第二次扫描的所述待测物体的投影点的二维坐标；

计算第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系；

对第二次扫描的所述待测物体的投影点以点O为旋转中心在二维坐标系内做反向旋转，得到反向旋转后的投影点；所述反向旋转的角度为b；

根据第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系，计算反向旋转后的点O的位置；

根据反向旋转后的点O的位置将第二次扫描的所述待测物体的投影点转换至第一次扫描的运动平台坐标系内，并进行数据合并。

图5为按照图2所示的用于三维轮廓测量的轮廓测量方法的沿不同方向的第二次扫描的激光扫描示意图。图6是将图4和图5进行拼接转换的激光扫描示意图。如图5和图6所示，将图4中的同一待测物体以已知空间位置的旋转中心O点旋转预定角度b(图5中，b＝90°)后进行激光扫描。其中B3和B4分别为旋转后的待测物体的左侧和右侧的扫描数据。对B3和B4的二维坐标信息进行拼接处理的方法为：

1、通过3D点云恢复方法，计算出B3和B4图片的中心点的空间坐标(C3和C4)

C3.X＝P3.X0

C3.Y＝P3.Y0+(H/2)*YPitch；

C4.X＝P4.X0

C4.Y＝P4.Y0+(H/2)*YPitch；

2、计算C3和C4与旋转中心点O的空间位置关系：

C3_SUBX＝O.X-C3.X

C3_SUBY＝O.Y-C3.Y

C4_SUBX＝O.X-C4.X

C4_SUBY＝O.X-C4.Y

其中C3_SUBX为中心点O与C3点在X方向的差值，C3_SUBY为中心点O与C3在Y方向的差值，C4_SUBX为中心点O与C4点在X方向的差值，C4_SUBY为中心点O与C4在Y方向的差值。

3、对数据B3和B4在图像空间做逆时针旋转90度后，得到图像B3a,B4a；

4、根据步骤2中得到与O点的空间位置关系，计算出旋转后的数据B3a,B4a的图像空间的中心点。

C3a.X＝O.X+C3_SUBY

C3a.Y＝O.Y+C3_SUBX

C4a.X＝O.X+C4_SUBY

C4a.Y＝O.Y+C4_SUBX

5、B3a和B4a的图像数据，根据中心点的位置就可以把对应的点转换成与产品0度扫描的同一个坐标系中的空间点。所有点云合并后，完成点云的拼接。

本发明提供的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，还包括对所述待测物体的面轮廓的计算。所述面轮廓的计算方法包括：

对所述点云进行高斯与中值过滤处理，以尽可能消除噪点的影响；

对所述点云与所述待测物体的3D模型做迭代叠合处理，使其达到最佳的贴合状态；

通过迭代叠合处理后的点云计算每个扫描点与3D模型的最近距离，通过与3D模型的距离评估所述待测物体与其设计模型的差异程度，计算出所述待测物体的面轮廓度。

本发明提供的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，还包括对所述点云的直线拟合，用于对拟合所述待测物体的边缘，可以用于计算待测物体的外长或者外宽。其计算方法包括以下步骤：

设置计算区域:在点云数据中设置外长或外宽的大概位置区域(即计算区域)。

点云过滤：对计算区域做初步点云过滤，消除待测物体的边缘毛刺的影响。

直线拟合：对过滤后的点云拟合边缘的直线。

计算测量值：选取外长或外宽的两条拟合后的直线，计算平均的距离。

本发明提供的一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，采取3D反射幕扫描的方法，激光模组投射的扫描激光照射到被测物体的表面后，经过反射，投射到反射幕上，在反射幕上形成一条和物体表面轮廓线相关的一条高亮度的图案，激光相机直接对准反射幕上拍照成像，并通过反射幕上的投影点与被测物体表面的扫描点之间的几何学位置关系计算，将反射幕的图像恢复到被扫物体原型，从而计算得出被测物体的三维轮廓信息。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1，将待测物体放置于测量平台上，对所述待测物体的表面的扫描点依次进行激光扫描，所述激光反射至投影屏幕处，记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息；

S2，选定运动平台坐标系，根据标准待测物体校准的投影点与相应的扫描点的关系式，将所述投影点的二维坐标信息变换至扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标信息；

S3，通过拟合所述各扫描点的三维坐标信息的数据，获得所述待测物体的三维轮廓信息；

S4，基于所述待测物体的三维轮廓信息显示所述待测物体的三维轮廓和表面状态的图像；

其中，所述扫描点的数据集合为点云；

所述投影点的二维坐标为Di(X，Y)，X方向为激光线的方向，Y方向为所述激光扫描方向；所述相应的扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标为P(Xi，Yi，Zi)

所述投影点与相应的扫描点的关系式为：

Di.X＝P.Xi+(X-W/2)*XPitch；

Di.Y＝P.Yi+Y*YPitch；

其中，W为所述激光线的宽度，XPitch为激光线方向的间距，YPitch为激光扫描方向的间距，Di.X为所述投影点在X方向的坐标值，P.Xi为相应的扫描点在运动平台坐标系内X方向的坐标值，Di.Y为所述投影点在Y方向的坐标值，P.Yi为相应的扫描点在运动平台坐标系内Y方向的坐标值，P.Zi通过激光扫描所述待测物体时由相机记录获取。

2.根据权利要求1所述的轮廓测量方法，其特征在于，S1中所述待测物体放置于测量平台上，所述投影屏幕垂直于所述测量平台，所述激光以角度a和距离L发射至所述待测物体的表面并反射至所述投影屏幕；通过调节角度a来改变反射线在所述投影屏幕上的位置；

其中，a为所述激光与待测物体表面的角度，L为所述激光与待测物体表面的距离，所述激光为线型激光。

3.根据权利要求1所述的轮廓测量方法，其特征在于，所述投影点与相应的扫描点的关系式为通过对具有各种非连续的特定角度坡面的校准块进行三维轮廓测量，利用已知坡面在所述投影屏幕上形成的线段进行投影点和相应的扫描点之间的校准标定得到。

4.根据权利要求3所述的轮廓测量方法，其特征在于，记录所述投影屏幕处相应的每个投影点的二维坐标信息时，对所述二维坐标信息进行拼接处理。

5.根据权利要求4所述的轮廓测量方法，其特征在于，对所述待测物体的同一方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：将多次激光扫描时的所述投影点的二维坐标分别转换至相应的扫描点在运动平台坐标系内的三维坐标，并进行数据合并。

6.根据权利要求4所述的轮廓测量方法，其特征在于，对所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，对所述二维坐标信息进行拼接处理的方法为：根据所述待测物体旋转的角度进行转换后进行数据合并。

7.根据权利要求6所述的轮廓测量方法，其特征在于，所述待测物体的不同方向进行多次激光扫描时，第一次扫描为所述待测物体0度方向扫描，第二次扫描为将所述待测物体以已知的点O为旋转中心旋转预定角度b后进行激光扫描，所述根据所述待测物体旋转的角度进行转换的方法步骤为：

通过所述投影点与相应的扫描点的关系式计算第二次扫描的所述待测物体的投影点的二维坐标；

计算第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系；

对第二次扫描的所述待测物体的投影点以点O为旋转中心在二维坐标系内做反向旋转，得到反向旋转后的投影点；所述反向旋转的角度为b；

根据第二次扫描的所述待测物体的投影点与点O的空间位置关系，计算反向旋转后的点O的位置；

根据反向旋转后的点O的位置将第二次扫描的所述待测物体的投影点转换至第一次扫描的运动平台坐标系内，并进行数据合并。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的轮廓测量方法，其特征在于，还包括对所述待测物体的面轮廓的计算；所述面轮廓的计算方法包括：

对所述点云进行过滤处理，以消除噪点；

对所述点云与所述待测物体的设计模型做迭代叠合处理；

通过迭代叠合处理后的点云计算每个扫描点与3D模板的最近距离，通过与3D模板的距离评估所述待测物体与其设计模型的差异程度，计算出所述待测物体的面轮廓度。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的轮廓测量方法，其特征在于，还包括对所述点云的直线拟合，用于对拟合所述待测物体的边缘。