CN106989690A - 便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携非接触式物体内窥形貌测量数字化设备，本设备包括内腔采集机构、控制箱体及运动支撑机构。内腔采集机构固定于控制箱体的一侧，完成物体内腔采集的工作;运动支撑结构实现对内腔采集机构的运动及支撑。内腔采集机构通过反光镜将激光测距仪的激光束折射90°，测量得到内腔的半径值，结合转动的角度及上下方向的运动值，可以在上位机中计算得到内腔点云。控制箱体为运动机构及激光测距仪供电，并实现对运动的控制。该设备用于物体内腔形貌三维扫描重建，从而进一步地进行物体内腔测量、实现考古研究及数字化博物馆的建立。

Description

便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备

技术领域

本发明是一种在物体测量与保护领域应用的数字化设备，特别是一种便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备，主要用于物体内腔形貌三维扫描重建，从而进一步地进行物体内腔测量、考古研究及数字化博物馆的建立。

背景技术

对珍贵文物或者重要零件等物体进行数字化处理和测量具有重要意义，尤其对于文物来说，通过三维数字化，建成基于网络的数字化博物馆系统，可以较好地解决丰富的展品与有限的展览空间、时间之间的矛盾，进一步开拓博物馆藏品保护、研究和展示的新领域，还可以实现博物馆管理手段的现代化。此外，零件检测是对加工质量的检验及保证，保证零件更好地发挥作用。数字化任务主要包括外形、内腔及纹理信息的获取与处理，内腔形貌三维数据的获取是物体数字化及零件测量领域的重点与难点。

现有的物体数字化方法主要有：摄影测量技术、三维激光扫描技术、激光三角法及工业CT。摄影测量技术通过采集物体图像，再导入到上位机进行特征点提取与匹配，最后重建得到物体的三维模型及表面纹理，因为其只需要拍摄物体图片，在上位机借助专业图像处理软件进行图片处理即可，所以具有操作简单、方便使用、重建快速等特点；三维激光扫描技术，其通过激光测距和两轴的扫描运动能够快速得到物体的三维模型，而且其反射光路按发射光路返回，因此不受杂物遮挡影响，在对大范围物体结构、体积等方面的研究领域具有其他方式无法比拟的优势；激光三角法技术能够快速得到平面物体的空间位置及结构信息，对于测量小范围的对象具有较多优势；工业CT技术，依据辐射在被检测物体中的减弱和吸收特性来进行工作，最后用计算机处理及图像重建技术来显示出来，因此其可以得到物体器形内腔数据。

以上技术各有特点，但是对于物体内腔形貌三维数据的获取存在着如下缺陷：摄影测量技术因其无法采集到物体器形的内部图像并加以处理，所以无法重建物体内腔模型数据；三维激光扫描技术，相应扫描设备不仅价格昂贵，而且其只能够扫描物体器形外部的空间位置和结构，无法穿透物体外壁测量内腔，因此无法得到物体器形的内腔结构；激光三角法采集由于光路遮挡及激光无法穿透物体外壁测量内腔，因此无法得到内腔数据；目前，可以测量物体器形内腔的方法主要是工业CT扫描的方式，但因设备体积庞大不便搬运， 测量空间较小，价格昂贵等原因，很难应用于物体器形内腔数字化领域。

发明内容

本发明的目的在于针对现有物体器形内腔三维重建方法不能获得内腔数据、不便携带及设备价格昂贵等缺点，提供一种便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备，可为物体保护和研究提供更加精确和全面的数字化模型。本发明主要为解决如下技术问题：

1. 绝大部分三维数字化设备不具有物体内腔形貌三维重建的功能，本发明可以准确得到内腔形貌的三维数据。

2. 可进行测量内腔的设备如工业CT体积庞大、测量空间小、价格昂贵，不便搬运和携带，本发明具有更大的测量空间，并采用模块化设计，可实现每个部件的快速拆装，方便携带。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种便携非接触式物体内腔形貌内窥测量的数字化设备，包括内腔采集机构、控制箱体及运动支撑机构。其特征在于：所述内腔采集机构通过运动支撑机构固定于控制箱体的一侧，完成被测物体内腔模型点云采集的工作;运动支撑机构实现对内腔采集系统的运动和支撑；所述内腔采集机构内有反光镜和激光测距仪，通过反光镜将激光测距仪的激光束折射90°，测量得到被测物体内腔的半径值，结合转动的角度及上下方向的运动值，可在上位机中计算得到内腔点云；控制箱体为运动及激光测距仪供电及实现对运动的控制,从而对被测物体内腔形貌进行三维扫描重建，实现对被测物体内腔测量，进而可实现考古研究及数字化博物馆的建立。

所述内腔采集机构包括：激光测距仪、L型激光测距仪支撑板、圆管、反光镜及反光镜底板。所述激光测距仪固定在L型激光测距仪支撑板上，在激光测距仪防护盖内，用于测得激光发射点到内腔的距离；L型激光测距仪支撑板采用L型的一体式设计，保证激光束与水平面的垂直度以及下方圆管与激光束的平行度；圆管固定在L型激光测距仪支撑板下端，其长度大于被测物体内腔的深度；反光镜通过硅胶固定在反光镜底板上，反光镜底板与水平面呈45°固定在圆管下端，反光镜将激光束折射90°打到被测物体内腔。

所述运动支撑机构包括：一根直线导轨固定在一个导轨固定板上，直线导轨为整个内腔采集机构提供垂直方向的上下运动；一根L型悬臂支架固定于直线导轨的滑块上，用于支撑激光测距仪；L型悬臂支架末端固定有手动平移台，手动平移台实现整个内腔采集机构的上下位置调节作用；导轨固定板和控制箱体连接固定处采用快速拆装的结构。

所述控制箱体包括：底板连接板、一体式底板、USB转接头、24V开关电源、D1驱动器、DD马达、转盘及D2驱动器，所有部件固定在一体式底板上，转接头固定在控制箱壁上，实现将内部D2驱动器的数据线转接到外部；24V开关电源作为供电来源为D1驱动器及激光测距仪供电； D1驱动器连接控制DD马达而固定在后侧箱壁上；DD马达提供旋转运动并固定在一体式底板上；转盘实现为外部提供旋转运动，并且在其下部留有与DD马达连接的定位销孔，保证转盘与DD马达的回转轴心在同一条线；D2驱动器联接控制驱动直线导轨。

所述激光测距仪发射激光束，经过反光镜折射，到达被测物体内腔，测得激光发射点到被测物体内腔壁的距离，与激光发射点到折射点的距离做差，可得激光折射点到内腔壁的距离值，结合转台旋转的角度和直线导轨的上下运动，在上位机中进行极坐标系向直角坐标系的转换，可得到被测物回转体点云，实现内腔点云的采集。

本发明的工作原理如下：

A. 将被测物体大致放置于已做好同心圆标记的转台（2）中心，不要求严格同心。将直线导轨（7）向下移动至物体大致中间位置，操作转台旋转一圈，观察是否会与内腔接触，如无接触，则将圆管底部移动到接近物体底部，调节手动平移台（5），当圆管底部轻微触碰到底部后上移5mm距离。

B. 通过上位机进行激光测距仪、直线导轨、转台的连接，采集分度角度，导轨行程、导轨上移量等参数的设置。

C. 准备工作做好之后，即可开始进行内腔采集。根据设定值，转台转动角度，激光测距仪单次采集一次，转台再次转动设定角度，直到旋转完一周。一圈采集完成，上移设定的距离，再旋转一周，如此循环，直到旋转到指定高度后，完成全部采集。软件内部将得到的距离值求Z值，结合转台转过角度及直线导轨上移距离值作为点的坐标值，坐标系转换后存储到指定txt文件中，为后期处理做准备。设定的旋转角度和上移距离d越小，采集越密集，得到的点云模型质量越好。

D. 将得到的txt格式点云数据导入到点云处理软件中，对其进行去噪平滑处理后，进行三角化处理，即可得到内腔模型。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1. 系统可以快速地采集内腔数据，采集对象器形广泛，可采集最小口径30mm的物体内腔形貌数据。

2. 采集内腔的过程自动化程度高，操作简单，采集效率高，只需点击一个按键即可完成整个采集与存储流程，整个测量流程可在6分钟内完成。

3. 采集数据的密度可设置，可根据实际情况来采集内腔数据的密度。

4. 该系统采用模块化结构，结构紧凑，拆装快捷，方便携带，为测量对象的现场测量提供了便利。

附图说明

图1 本发明的一个实施例的立体示意图。

图2 本发明中的运动支撑机构和内腔采集机构的立体示意图。

图3 本发明中的内腔采集机构零件分解示意图。

图4本发明中的控制箱体内部结构示意图。

图5内腔采集原理示意图。

图6花瓶原型与内腔点云图。

具体实施方式

以下优选实施例结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：

参见图1，本便携非接触式物体内腔形貌内窥测量的数字化设备，包括内腔采集机构（4）、控制箱体（1）及运动支撑机构。其特征在于：所述内腔采集机构（4）通过运动支撑机构固定于控制箱体的一侧，完成被测物体内腔模型点云采集的工作；运动支撑机构实现对内腔采集系统的运动和支撑；所述内腔采集机构（4）内有反光镜和激光测距仪，通过反光镜将激光测距仪的激光束折射90°，测量得到被测物体内腔的半径值，结合转动的角度及上下方向的运动值，可在上位机中计算得到内腔点云；控制箱体（1）为运动及激光测距仪供电及实现对运动的控制,从而对被测物体内腔形貌进行三维扫描重建，实现对被测物体内腔测量，进而可实现考古研究及数字化博物馆的建立。

实施例二，本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图1-图4，所述内腔采集机构（4），包括激光测距仪（10）、L型激光测距仪支撑板（11）、圆管（12）、反光镜（13）及反光镜底板（14）。所述激光测距仪（10）固定在L型激光测距仪支撑板（11）上，在激光测距仪防护盖（9）内，用于测得激光发射点到内腔的距离；L型激光测距仪支撑板（11）采用L型的一体式设计，保证激光束与水平面的垂直度以及下方圆管与激光束的平行度；圆管（12）固定在L型激光测距仪支撑板（11）下端，其长度大于被测物体内腔的深度；反光镜（13）通过硅胶固定在反光镜底板（14）上，反光镜底板（14）与水平面呈45°固定在圆管（12）下端，反光镜（13）将激光束折射90°打到被测物体内腔。

所述的运动支撑机构，包括一根直线导轨（7）固定在一个导轨固定板（8）上，直线导轨（7）为整个内腔采集机构（4）提供垂直方向的上下运动；一根L型悬臂支架（6）固定于直线导轨（7）的滑块上，用于支撑激光测距仪；L型悬臂支架（6）末端固定有手动平移台（5），手动平移台（5）实现整个内腔采集机构（4）的上下位置调节作用；导轨固定板（8）和控制箱体（1）连接固定处采用快速拆装的结构。

所述的控制箱体（1），包括底板连接板（15）、一体式底板（16）、USB转接头（17）、24V开关电源（18）、D1驱动器（19）、DD马达（20）、转盘（21）及D2驱动器（22），所有部件（15、17、18、19、20、21、22）固定在一体式底板（16）上，转接头（17）固定在控制箱壁上，实现将内部D2驱动器（22）的数据线转接到外部；24V开关电源（18）作为供电来源为D1驱动器（19）及激光测距仪（10）供电； D1驱动器（19）连接控制DD马达（20）而固定在后侧箱壁上；DD马达（20）提供旋转运动并固定在一体式底板（16）上；转盘（21）实现为外部提供旋转运动，并且在其下部留有与DD马达（20）连接的定位销孔，保证转盘（21）与DD马达（20）的回转轴心在同一条线；D2驱动器（22）联接控制驱动直线导轨（7）。

实施例三：

如图1所示，本便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备，包括内腔采集机构（4）、控制箱体（1）及运动支撑机构组成。内腔采集机构固定于控制箱体（1）的一侧，完成内腔采集的工作。内腔采集机构通过激光测距仪（10）得到内腔的半径值，结合转动的角度及上下方向的运动值，可以将内腔点云重建得到。控制箱体为运动及激光测距仪（10）供电及实现对运动的控制。该设备用于物体内腔形貌三维扫描重建，从而进一步地进行物体内腔测量、考古研究及数字化博物馆的建立。

所述的内腔扫描机构，如图3所示，该机构由MIDEKER公司生产的DD10型号激光测距仪（10）、L型激光测距仪支撑板（11）、圆管（12）、反光镜（13）及反光镜底板（14）等组成。其中激光测距仪（10）的测量范围是0-10m，测量精度0.2mm，用于测量激光发射点到内腔的距离，固定在L型激光测距仪支撑板（11）上；L型激光测距仪支撑板（11）采用了L型的一体式设计，保证激光束与水平面的垂直度以及下方圆管与激光束的平行；圆管（12）固定在L型激光测距仪支撑板（11）下端；反光镜（13）通过硅胶固定在反光镜底板（14）上，反光镜底板（14）与水平面呈45°固定在圆管（12）下端，反光镜（13）折射激光束打到文物器型内腔。激光测距仪（10）发射激光束，经过反光镜（13）折射，到达内腔实现内腔点云的采集。

所述的运动支撑机构，如图2所示，上银公司生产的KK6005系列直线导轨（7）固定在导轨固定板（8）上，直线导轨（7）有效行程420mm，螺距5mm，精密级，其为整个内腔采集系统提供垂直方向的上下运动；L型悬臂支架（6）固定于直线导轨（7）的滑块上，其主要起到支撑激光测距仪等测量部件的作用；L型悬臂支架（6）末端固定有手动平移台（5），手动平移台（5）是米思米公司生产的XDTSC90的平移台，行程70mm，其完成对整个内腔采集系统的上下位置调节作用。L型悬臂支架（6）薄处6mm，最厚处10mm，保证内腔测量支撑的刚度。

所述的控制箱体，如图4所示，箱体主要由底板连接板（15）、一体式底板（16）、USB转接头（17）、明伟24V开关电源（18）、D1驱动器（19）、上银公司生产的DD系列马达（20）、转盘（21）及D2驱动器（22）。底部连接板（15）固定在一体式底板上（16），其又与导轨固定板相固定，实现箱体与外部内腔采集系统的模块化连接；所有部件固定在一体式底板（15）上，转接头（17）实现将内部D2驱动器（22）的数据线转接到外部，其固定在控制箱壁上；24V开关电源（18）作为供电来源为驱动器及激光测距仪等用电设备供电，其通过折弯板架起，达到充分利用箱体内空间的目的；D1驱动器（19）实现对DD马达（20）的控制，固定在后侧箱壁上；DD马达提供旋转运动，其固定在一体式底板（16）上；转盘实现为外部提供旋转运动，并且在其下部留有与DD马达（20）连接的定位销孔，保证转盘与DD马达的回转轴心在同一条线；D2驱动器（22）对直线导轨实现控制。

本设备开机后，直线导轨（7）、转台（2）及激光测距仪（10）在软件相应位置输入串口号，点击连接，将激光测距仪移动到顶部，即激光防护圆管（12）距离转台（2）350mm处，此时对于大部分物体都可以顺利放置于转台大致中间位置，然后用卷尺测量物体大概地高度，做为内腔深度的预估值，一般将= -40mm；将物体放置好后，长按软件界面上的 “下降”按钮，可持续让圆管伸进物体内腔，当进入到物体内腔时，需要观察激光防护圆管（12）管壁是否与物体内腔接触，如有接触，需要调整物体位置，以免转台（2）转动时，与物体摩擦。长按对应转台的“左转”或者“右转”按钮，转过一圈，观察是否会与物体内腔有所接触，如无接触，即可继续长按直线导轨的“下降”按钮，在激光测距仪下降了小于整个预估高度后，向下调节手动平移台（5），当感觉到已轻微触碰到底部无法再往下运动时，再向上调节手动平移台（5）大约5mm，锁紧手动平移台。点击激光测距仪处“单次采集”一次，在提示信息栏中观察激光测距仪是否能正常工作。如能正常工作，则内腔采集前的准备工作即已完成。

在软件界面的“导轨行程”处输入的值，比如高度大概为220mm的文物，可输入“200”，原则上是输入值“只少不多”，再输入“导轨间距”5mm，即每圈点云的间隔为5mm，也可以设置得更小，得到的点云会更加密集。在“转台旋转间隔”栏中输入5°，即一圈中转过5°采集一次点。“设置上移次数”即“导轨行程”/“导轨间距”，在手动平移台上读取下移量，输入到 “手动平移台下移量”栏中。至此，采集前的准备工作已经完成。

点击“内腔采集”，转台开始旋转，转过5°停下， 激光测距仪单次采集距离一次，之后再开始转动，直到转台旋转了一圈，然后导轨上移5mm。如此进行设定次数，即可完成全部采集。

内腔所有数据采集完成后，需要在软件程序中将所有数据求Z值及坐标系的转换。如图4所示，测得距离值为D，则内腔半径值为R=D- H’，求得内腔某高度上的半径值R。将极坐标值转换为直角坐标系值，转台转过角度值，结合R值，即可得到转换后的坐标Y’、Z’值，即：Y’=R*sinα，Z’=R*cosα。

如图6中的a为花瓶原型，b为该内腔数据采集系统得到的点云结果，c为点云三角化后的结果。

Claims (5)

1.一种便携非接触式物体内腔形貌内窥测量的数字化设备，包括内腔采集机构（4）、控制箱体（1）及运动支撑机构，其特征在于：所述内腔采集机构（4）通过运动支撑机构固定于控制箱体(1)的一侧，完成被测物体内腔模型点云采集的工作;运动支撑机构实现对内腔采集系统的运动和支撑；所述内腔采集机构（4）内有反光镜和激光测距仪，通过反光镜将激光测距仪的激光束折射90°，测量得到被测物体内腔的半径值，结合转动的角度及上下方向的运动值，可在上位机中计算得到内腔点云；控制箱体（1）为运动及激光测距仪供电及实现对运动的控制，从而对被测物体内腔形貌进行三维扫描重建，实现对被测物体内腔测量，进而可实现考古研究及数字化博物馆的建立。

2.根据权利要求1所述的便携非接触式物体内腔形貌内窥测量数字化设备，其特征在于：所述内腔采集机构（4），包括激光测距仪（10）、L型激光测距仪支撑板（11）、圆管（12）、反光镜（13）及反光镜底板（14），所述激光测距仪（10）固定在L型激光测距仪支撑板（11）上，在激光测距仪防护盖（9）内，用于测得激光发射点到内腔的距离；L型激光测距仪支撑板（11）采用L型的一体式设计，保证激光束与水平面的垂直度以及下方圆管与激光束的平行度；圆管（12）固定在L型激光测距仪支撑板（11）下端，其长度大于被测物体内腔的深度；反光镜（13）通过硅胶固定在反光镜底板（14）上，反光镜底板（14）与水平面呈45°固定在圆管（12）下端，反光镜（13）将激光束折射90°打到被测物体内腔。

3.根据权利要求2所述的运动支撑机构的结构是：一根直线导轨（7）固定在一个导轨固定板（8）上，直线导轨（7）为整个内腔采集机构（4）提供垂直方向的上下运动；一根L型悬臂支架（6）固定于直线导轨（7）的滑块上，用于支撑激光测距仪；L型悬臂支架（6）末端固定有手动平移台（5），手动平移台（5）实现整个内腔采集机构（4）的上下位置调节作用；导轨固定板（8）和控制箱体（1）连接固定处采用快速拆装的结构。

4.根据权利要求3所述的控制箱体（1）的结构是：包括底板连接板（15）、一体式底板（16）、USB转接头（17）、24V开关电源（18）、D1驱动器（19）、DD马达（20）、转盘（21）及D2驱动器（22），所有部件（15、17、18、19、20、21、22）固定在一体式底板（16）上，转接头（17）固定在控制箱壁上，实现将内部D2驱动器（22）的数据线转接到外部；24V开关电源（18）作为供电来源为D1驱动器（19）及激光测距仪（10）供电； D1驱动器（19）连接控制DD马达（20）而固定在后侧箱壁上；DD马达（20）提供旋转运动并固定在一体式底板（16）上；转盘（21）实现为外部提供旋转运动，并且在其下部留有与DD马达（20）连接的定位销孔，保证转盘（21）与DD马达（20）的回转轴心在同一条线；D2驱动器（22）联接控制驱动直线导轨（7）。

5.根据权利要求4中所述激光测距仪（10）发射激光束，经过反光镜（13）折射，到达被测物体内腔，测得激光发射点到被测物体内腔壁的距离，与激光发射点到折射点的距离做差，可得激光折射点到内腔壁的距离值，结合转台（2）旋转的角度和直线导轨（7）的上下运动，在上位机中进行极坐标系向直角坐标系的转换，可得到被测物回转体点云，实现内腔点云的采集。