CN107084686A - 一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，利用计算机控制投影仪实现多条光刀在被测表面的扫描(相当于电子扫描)，无需精密机械位移装置，从而摆脱了机械移动精度对最终测量精度的影响，相比于激光三角法，具有更高的横向(光刀扫描方向)测量精度和更高的测量效率。同时，整个测量系统结构简单，极大地降低了测量系统的成本和测量过程的复杂性。由于基于光学三角法的测量原理，相对于普遍采用的投影正弦条纹测量方法，本发明的方法对被测表面光学特性要求更低，具备更好的噪声抑制作用。因此本发明特别适用于表面颜色纹理复杂、光学反射特性较差的物体三维轮廓的测量。
Description
技术领域
本发明属于光学三维轮廓测量领域，具体涉及一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法。
背景技术
在诸如机械加工、逆向工程、医学诊断和机器视觉等诸多领域中，人们需要获得物体的三维轮廓信息。如何快速、精确和便捷的获得被测物的三维轮廓信息成为了现代测量领域中一个重要的研究方向。此外，在实际生产过程中，被测物表面往往具有一定的颜色和纹理，且形状复杂、凹凸不均，这些特点都进一步加大了被测物三维轮廓测量的难度。
目前，针对物体表面三维尺寸，传统的测量方法主要有三坐标测量机和光学三维形貌测量技术。三坐标测量机，由于其自身接触式和单点测量的原理，测量繁琐且过程缓慢；典型的光学三维形貌测量技术主要包括激光三角法、双目视觉法和投影条纹测量方法。激光三角法具有测量精度高、对噪声抑制作用大、对被测物表面要求低的特点，特别适用于被测表面颜色纹理复杂、光学反射特性较差的物体三维信息的测量。然而，激光三角法单次测量只能测量一条线，并且，目前的激光三角测量法在测量过程中需要依靠测量装置中装载被测物的平台或测头运动，才能实现被测表面全场测量，因为目前的激光三角法进行全场测量时需要高精度、大行程的运动机构，而实现大行程、高精度的机械运动装置很复杂，并且价格高昂，所以传统的激光三角法的测量过程时间较长，且测量装置和测量过程复杂，系统成本高，还不能很好满足大面积、全场在线、快速、低成本测量的要求。双目视觉法和投影条纹测量方法，虽然具备较快的测量速度和可观的测量精度，然而测量结果受物体形貌、颜色纹理和光照条件影响严重，对被测物表面有较高的要求，技术本身具有一定的局限性。
现在普遍采用的投影条纹光学测量方法对于表面颜色纹理复杂、光学反射特性差的物体的三维轮廓难以准确测量，传统激光三角测量法需要精密机械扫描结构，测量速度慢，成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，利用投影仪在物体被测表面投影多条细长光刀，利用物体高度与光刀像素变化的几何关系计算多条光刀所在区域的被测物高度；通过软件控制投影仪使多条光刀在物体表面进行横向扫描，实现整个物体被测区域的扫描测量。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，将被测物放置在参考平面上；
步骤二，投影仪在被测物的被测表面投射若干条细长光刀；
步骤三，通过计算机控制投影仪使若干条细长光刀在被测物表面横向扫描；
步骤四，计算机控制CCD工业相机依次采集被测物表面调制的若干条细长光刀，并将数据返回至计算机；
步骤五，计算机利用被测物的高度与光刀像素变化的几何关系依次计算多条光刀所在区域的被测物高度；
步骤六，将所有光刀的测量高度进行整合，实现整个被测物中被测区域的扫描测量。
所述CCD工业相机的光轴与参考平面垂直设置。
所述步骤五中，利用亚像素算法分别求解参考平面反射的和物体被测表面反射的所有扫描位置下各个光刀的中心像素，对应扫描位置的参考平面反射光刀和被测表面反射光刀的中心像素相减，求得该扫描位置下被测物高度引起的像素差，然后利用之前标定计算得到的各个扫描位置下被测物高度与像素差的关系式计算出被测点的物体高度值。
所述步骤五中，被测物的高度与光刀像素变化的几何关系的计算方法如下：
其中，a1a2为某一条投影光刀在底板和被测物表面反射并被CCD工业相机采集后产生的像素差，O′为CCD工业相机镜头光轴与其靶面的交点，O1′为CCD工业相机镜头光心，O2为投影仪镜头光轴与参考平面的交点，O2′为CCD工业相机光轴与参考平面的交点，O1为投影仪镜头光心，h为被测高度。
与现有技术相比，本发明利用计算机控制投影仪实现多条光刀在被测表面的扫描(相当于电子扫描)，无需精密机械位移装置，从而摆脱了机械移动精度对最终测量精度的影响，相比于激光三角法，具有更高的横向(光刀扫描方向)测量精度和更高的测量效率。同时，整个测量系统结构简单，极大地降低了测量系统的成本和测量过程的复杂性。由于基于光学三角法的测量原理，相对于普遍采用的投影正弦条纹测量方法，本发明的方法对被测表面光学特性要求更低，具备更好的噪声抑制作用。因此本发明特别适用于表面颜色纹理复杂、光学反射特性较差的物体三维轮廓的测量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中某条光刀下像素差与被测高度的几何关系图；
图4为利用本发明对一个人脸面具进行测量的结果三维显示图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明包括以下步骤：
步骤一，将被测物放置在参考平面4上；
步骤二，投影仪2在被测物的被测表面投射若干条细长光刀；
步骤三，通过计算机1控制投影仪2使若干条细长光刀在被测物表面横向扫描；
步骤四，计算机1控制CCD工业相机3依次采集被测物表面调制的若干条细长光刀，并将数据返回至计算机1，CCD工业相机3的光轴与参考平面4垂直设置；
步骤五，计算机1利用被测物的高度与光刀像素变化的几何关系依次计算多条光刀所在区域的被测物高度；
步骤六，将所有光刀的测量高度进行整合，实现整个被测物中被测区域的扫描测量。
步骤五中，利用亚像素算法分别求解参考平面反射的和物体被测表面反射的所有扫描位置下各个光刀的中心像素，对应扫描位置的参考平面反射光刀和被测表面反射光刀的中心像素相减，求得该扫描位置下被测物高度引起的像素差，然后利用之前标定计算得到的各个扫描位置下被测物高度与像素差的关系式计算出被测点的物体高度值，被测物的高度与光刀像素变化的几何关系的计算方法如下：
其中，a1a2为某一条投影光刀在底板和被测物表面反射并被CCD工业相机(3)采集后产生的像素差，O′为CCD工业相机3镜头光轴与其靶面的交点，O1′为CCD工业相机3镜头光心，O2为投影仪2镜头光轴与参考平面的交点，O2′为CCD工业相机3光轴与参考平面的交点，O1为投影仪2镜头光心，h为被测高度。
实施例：
下面的说明是以投影6条光刀为例来说明本发明的实施方法。
首先放置参考平面板，向参考板上投影6条光刀，CCD工业相机采集此时6条光刀的位置图，然后软件控制投影仪使得6条光刀在底板上从左至右进行横向扫描，每一个扫描位置下CCD工业相机采集对应的6条光刀的位置图。随后将被测物放置在参考平面上，按照类似的方法用CCD工业相机采集物体被测表面反射的不同扫描位置下6条光刀的位置图。利用亚像素算法分别求解参考平面反射的和物体被测表面反射的所有扫描位置下各个光刀的中心像素，对应扫描位置的两个光刀(参考平面反射和被测表面反射)中心像素相减，求得该扫描位置下物体高度引起的像素差，然后利用之前标定计算得到的各个扫描位置下物体高度与像素差的关系式计算出被测点的物体高度值。
本专利提出的无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，是利用投影仪在物体待测表面投影多条光刀，并在计算机的控制下通过投影仪使光刀在物体表面连续扫描，实现对表面颜色纹理复杂、光学反射特性差的物体的高精度和快速测量。本发明的方法和传统的激光三角法相比，在测量系统中完全没有机械运动部件，测量过程中只进行软件控制下的光刀扫描，全场测量过程中没有任何机械运动过程，所以，和传统的激光三角法测量相比具有测量速度快、系统结构简单、成本大幅度降低、能快速简便实现物体形貌全场测量等优点，具有更好的实用性。
Claims (4)
1.一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将被测物放置在参考平面(4)上；
步骤二，投影仪(2)在被测物的被测表面投射若干条细长光刀；
步骤三，通过计算机(1)控制投影仪(2)使若干条细长光刀在被测物表面横向扫描；
步骤四，计算机(1)控制CCD工业相机(3)依次采集被测物表面调制的若干条细长光刀，并将数据返回至计算机(1)；
步骤五，计算机(1)利用被测物的高度与光刀像素变化的几何关系依次计算多条光刀所在区域的被测物高度；
步骤六，将所有光刀的测量高度进行整合，实现整个被测物中被测区域的扫描测量。
2.根据权利要求1所述的一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，其特征在于，所述CCD工业相机(3)的光轴与参考平面(4)垂直设置。
3.根据权利要求1所述的一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，其特征在于，所述步骤五中，利用亚像素算法分别求解参考平面反射的和物体被测表面反射的所有扫描位置下各个光刀的中心像素，对应扫描位置的参考平面反射光刀和被测表面反射光刀的中心像素相减，求得该扫描位置下被测物高度引起的像素差，然后利用之前标定计算得到的各个扫描位置下被测物高度与像素差的关系式计算出被测点的物体高度值。
4.根据权利要求1所述的一种无运动部件的动态多光刀扫描测量方法，其特征在于，所述步骤五中，被测物的高度与光刀像素变化的几何关系的计算方法如下：
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其中，a1a2为某一条投影光刀在底板和被测物表面反射并被CCD工业相机(3)采集后产生的像素差，O′为CCD工业相机(3)镜头光轴与其靶面的交点，O′1为CCD工业相机(3)镜头光心，O2为投影仪(2)镜头光轴与参考平面的交点，O′2为CCD工业相机(3)光轴与参考平面的交点，O1为投影仪(2)镜头光心，h为被测高度。
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