CN110132162A - 一种目标物体轮廓检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种目标物体轮廓检测系统，其特征在于，旋转装置、一字线激光器、图像采集器及承载平台，所述旋转装置、所述一字线激光器及所述图像采集器设置于所述承载平台上；其中，所述一字线激光器，用于发射照射于目标物体表面的一字线激光；所述图像采集器，用于采集所述一字线激光在所述目标物体表面形成的轮廓图像；所述旋转装置，用于驱动所述一字线激光器旋转。本发明实施例还公开了一种目标物体轮廓检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种目标物体轮廓检测系统及检测方法。
背景技术
一字线激光器配合摄像机可以实现物体的三维形貌测量，该类型的形貌测量装置不仅具有快速、精确、高分辨力、抗干扰性好等优点，而且结构简单、经济、易于实现。
在现有的扫描设备中，分为手持式和桌面型两种激光3D扫描仪。对于手持式激光3D扫描仪，需要通过定制的标记点来进行坐标系的识别，通过标记点拼接的方式进行数据识别，如CN205102796U所记载的不贴靶点的手持式激光3D扫描仪，需要两台激光发射器确定一个坐标系，并将该坐标系和相机本身的坐标系进行绑定以完成扫描工作，激光发射器的增加无疑增加了成本；对于桌面型激光3D扫描仪，如CN205138441U所记载的激光3D扫描设备，需要通过数控回转台对被测量物体进行旋转，然而制造可以承受重载和大尺寸物体的数控回转台成本昂贵，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种成本更低的目标物体轮廓检测系统及检测方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种目标物体轮廓检测系统，包括旋转装置、一字线激光器、图像采集器及承载平台，所述旋转装置、所述一字线激光器及所述图像采集器均设置于所述承载平台上；其中，所述一字线激光器，用于发射照射于目标物体表面的一字线激光；所述图像采集器，用于采集所述一字线激光在所述目标物体表面形成的轮廓图像；所述旋转装置，用于驱动所述一字线激光器旋转。
其中，所述旋转装置与所述一字线激光器连接，用于带动所述一字线激光器绕垂直于所述一字线激光器的中心轴线和所述图像采集器的中心轴线中的任一轴线旋转。
其中，所述旋转装置与所述承载平台连接，用于带动所述承载平台绕垂直于所述一字线激光器的中心轴线和所述图像采集器的中心轴线中的任一轴线旋转。
其中，所述一字线激光器的重心位于所述一字线激光器旋转的轴线上。
其中，所述一字线激光所在平面的法线与所述一字线激光器旋转的轴线垂直。
其中，该系统还包括角度测量装置，所述角度测量装置用于获取所述旋转装置转动的角度。
其中，所述角度测量装置为角度传感器。
一种目标物体轮廓检测方法，所述目标物体轮廓检测系统包括旋转装置、一字线激光器、图像采集器及承载平台，所述旋转装置、所述一字线激光器及所述图像采集器均设置于所述承载平台上；其中，所述一字线激光器，用于发射照射于目标物体表面的一字线激光；所述图像采集器，用于采集所述一字线激光在所述目标物体表面形成的轮廓图像；所述旋转装置，用于驱动所述一字线激光器旋转；所述方法包括：旋转装置接收上位机发送的旋转参数，并根据所述旋转参数驱动一字线激光器旋转；图像采集器接收所述上位机发送的曝光参数，根据所述曝光参数以设置的时间间隔采集所述一字线激光在目标物体表面形成的轮廓图像；所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向建立靶面坐标系；所述上位机获取所述一字线激光器与所述图像采集器的相对位置关系，基于所述相对位置关系建立所述靶面坐标系和图像采集器坐标系之间的转换关系；所述上位机获取所述图像采集器采集得到的所述轮廓图像，根据所述轮廓图像在所述图像采集器坐标系的坐标数据及所述转换关系建立所述目标物体在所述靶面坐标系的三维模型。
其中，所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向建立靶面坐标系，包括：所述上位机获取用于表示所述一字线激光器的旋转方向的第一方向轴线为Y轴、获取用于表示所述一字线激光所在平面且与所述Y轴垂直的第二方向轴线、第三方向轴线分别为X轴和Z轴，基于所述X轴、Y轴和Z轴建立靶面坐标系，其中，所述X轴和Z轴相互垂直。
其中，所述方法还包括：所述一字线激光器接收所述上位机的启动指令，根据所述启动指令发射照射于所述目标物体表面的一字线激光。
本发明实施例提供了一种目标物体轮廓检测系统及检测方法，一字线激光器和图像采集器均设置于承载平台上，通过旋转装置驱动一字线激光器旋转获取一字线激光器发射的一字线激光在目标物体表面形成的轮廓图像，通过图像采集器采集一字线激光器旋转不同角度时所对应的轮廓图像，结合不同旋转角度的轮廓图像及对应的旋转角度，得到目标物体的三维轮廓，从而可以仅通过一个一字线激光器和图像采集器，实现在目标物体不动且无靶点的情况下，对于目标物体轮廓的检测，可适用于任意尺寸和重量目标物体的检测，应用性强且成本更低。
附图说明
图1为本发明一实施例中目标物体轮廓检测系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例中图像采集器坐标系和靶面坐标系的相互关系示意图；
图3为本发明一实施例中目标物体轮廓检测系统的结构示意图；
图4为本发明一实施例中目标物体轮廓检测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种目标物体轮廓检测系统，请参阅图1，包括旋转装置101、一字线激光器102、图像采集器103及承载平台104，所述旋转装置101、所述一字线激光器102及所述图像采集器103均设置于所述承载平台104上；其中，所述一字线激光器102，用于发射照射于目标物体105表面的一字线激光；所述图像采集器103，用于采集所述一字线激光在所述目标物体105表面形成的轮廓图像；所述旋转装置101，用于驱动所述一字线激光器102旋转。
本发明实施例中，系统包括设置于承载平台104上的一字线激光器102和图像采集器103，通过旋转装置101驱动一字线激光器102旋转，图像采集器103采集一字线激光器旋转不同角度时一字线激光于目标物体105表面所形成的轮廓图像，结合不同旋转角度的轮廓图像及对应的旋转角度，得到目标物体105的三维轮廓，从而可以仅通过一个一字线激光器102和图像采集器103，实现在目标物体105不动且无靶点的情况下，对于目标物体105轮廓的检测，可适用于任何尺寸和重量的目标物体105的检测，应用性强且成本更低。
一字线激光照射于目标物体105的表面，其中，由于目标物体105表面的轮廓可能是平面、曲面或者不规则表面，一字线激光从一字线激光器102出射后，所述一字线激光所在直线中任一点处的激光线的高度不同，本发明实施例所提供的目标物体轮廓检测系统通过利用一字线激光器102的出光特性，由图像采集器103获取从多个不同角度采集到的一字线激光于目标物体的表面的轮廓图像，并通过构建三维坐标系而最终得到目标物体的三维轮廓。具体的，请参阅图2，该目标物体轮廓检测系统处于一设置的初始位置时，以该设置的初始位置为0点，设定一xa-ya平面，其中，一字线激光所在方向为xa轴，一字线激光的旋转方向为ya轴(一字线激光随之而产生平移的方向为ya轴)，同时垂直于xa轴和ya轴且沿一字线激光出射方向为z轴，建立xa-ya-za坐标系，一字线激光器102旋转不同的角度θ，使得一字线激光在ya轴方向产生平移，由图像采集器103采集一字线激光在目标物体105表面形成的轮廓图像，结合所述轮廓图像及所构建的坐标系，达到对目标物体105轮廓检测的目的。所述图像采集器103为相机，优选为工业相机，由于工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，通过工业相机便于长时间连续的采集到，一字线激光器102旋转不同的角度时所对应于目标物体105的表面所形成的多个轮廓图像。
这里，请再次参阅图1，所述旋转装置101与所述一字线激光器102连接，用于带动所述一字线激光器102绕垂直于所述一字线激光器102的中心轴线和所述图像采集器103的中心轴线中的任一轴线旋转。具体的，旋转装置101可以包括与一字线激光器102连接的旋转轴，一字线激光器102在旋转装置101的驱动下，绕垂直于所述一字线激光器102的中心轴线和所述图像采集器103的中心轴线中的任一轴线旋转，避免了做旋转运动的器件过多，降低了能耗；同时，由于一字线激光器102的旋转运动，实现了照射于目标物体105表面的一字线激光的位置移动，保证了只有一字线激光器102旋转的情况下，能够测量目标物体105的轮廓。
在一个可选的实施例中，请参阅图3，所述旋转装置101与所述承载平台104连接，用于带动所述承载平台104绕垂直于所述一字线激光器102的中心轴线和所述图像采集器103的中心轴线中的任一轴线旋转。具体的，该旋转装置101可以包括与承载平台104连接的旋转轴，承载平台104在旋转装置101的驱动下，绕位于垂直于所述一字线激光器102的中心轴线和所述图像采集器103的中心轴线中的任一轴线旋转(使得一字线激光于目标物体的表面随之平移以完成对目标物体表面的全部扫描)，由于图像采集器103和一字线激光器102共同设置于承载平台104上且随着承载平台104共同旋转，图像采集器103与一字线激光始终保持同步状态，两者的相对位置不变，减小了轮廓图像到坐标系转换的计算复杂度；同时，由于一字线激光器102随着承载平台104做旋转运动，实现了照射于目标物体105表面的一字线激光的位置移动，进而实现了测量目标物体105的轮廓。
这里，所述一字线激光器102的重心位于所述一字线激光器102旋转的轴线上。由于一字线激光器102的重心位于一字线激光器102旋转的轴线上，避免了由于一字线激光器102的重心偏离旋转轴线产生的离心力的影响，保证了系统的稳定性，加快了旋转速度，提高了对目标物体105的三维形貌进行测量的效率。
这里，所述承载平台104的重心位于一字线激光器102旋转的轴线上。由于承载平台104的重心位于一字线激光器102旋转的轴线上，避免了由于承载平台104的重心偏离旋转轴线产生的离心力的影响，保证了系统的稳定性，加快了旋转速度，提高了对目标物体105的三维形貌进行测量的效率。
这里，所述一字线激光所在平面的法线与所述一字线激光器102旋转的轴线垂直。具体的，一字线激光所在平面的法线与一字线激光器102旋转的轴线垂直，实现了一字线激光所在方向与一字线激光的运动方向垂直，在以一字线激光所在方向为xa轴建立坐标系时，一字线激光的运动方向可以作为ya轴，方便了坐标系的建立，减小了坐标转换的复杂度。
这里，该系统还包括角度测量装置(图未示)，所述角度测量装置用于获取所述旋转装置101转动的角度。所述角度测量装置可以采用角度传感器、角度检测器。
这里，所述角度测量装置为角度传感器。其中，所述角度测量装置为设置于所述承载平台104或者所述旋转装置101上的角度传感器，通过角度传感器获取所述旋转装置101转动的角度。由于角度传感器精度高，抗震抗电磁干扰能力强，连续工作时间长，具备多种输出接口，因此所述角度测量装置优选为角度传感器。
请参阅图4，本发明一实施例还提供了一种基于目标物体轮廓检测系统的检测方法，其中该目标物体轮廓检测系统可以为本申请任一实施例所提供的目标物体轮廓检测系统，所述方法包括：
步骤401：旋转装置101接收上位机发送的旋转参数，并根据所述旋转参数驱动一字线激光器102旋转；其中，所述旋转参数可以包括角速度、旋转角度和复位时机。上位机可以接收用户通过软件应用界面或者实体按键的方式输入角速度、旋转角度和复位时机对应的值，并将所述角速度、旋转角度和复位时机的值发送给旋转装置101。通过角速度的设置，可以调节旋转装置101旋转的速度，通过旋转角度的设置，可以调节旋转装置101转换的幅度，通过复位时机的设置，可以调节旋转装置101及时停止当前的检测，复位后进行下一次检测。
步骤402：图像采集器103接收所述上位机发送的曝光参数，根据所述曝光参数以设置的时间间隔采集所述一字线激光在目标物体105表面形成的轮廓图像；其中，所述曝光参数可以包括重复频率、帧频参数、帧报文设定、曝光时长和曝光同步方式。上位机可以接收用户通过软件应用界面或者实体按键的方式输入重复频率、帧频参数、帧报文设定和曝光时长对应的值，以及曝光同步方式，并将所述重复频率、帧频参数、帧报文设定和曝光时长对应的值，以及曝光同步方式发送给图像采集器103。通过重复频率的设置，可以调节图像采集器103采集图像的频率，通过帧频参数的设置，可以调节图像采集器103每秒采集到的图像的数量，通过帧报文设定的设置，可以调节图像采集器103与上位机之间的数据传输的具体形式，通过曝光时长的设置，可以调节图像采集器103采集图像时的曝光时间长度，通过曝光同步方式的设置，可以调节图像采集器103曝光时间段内的闪光形式。
其中，上述步骤401和步骤402不代表步骤的先后顺序，旋转装置101和图像采集器103可以异步或者同步接收上位机分别发送的旋转参数和曝光参数并进行各处的处理。
步骤403：所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器102的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器102的旋转方向建立靶面坐标系；
具体的，请参阅图2，所述靶面坐标系为该目标物体轮廓检测系统处于一设置的初始位置时，以该设置的初始位置为0点，设定一xa-ya平面，其中一字线激光所在方向为xa轴，一字线激光的旋转方向为ya轴，同时垂直于xa轴和ya轴且沿一字线激光出射方向为z轴，建立xa-ya-za坐标系。
步骤404：所述上位机获取所述一字线激光器102与所述图像采集器103的相对位置关系，基于所述相对位置关系建立靶面坐标系和图像采集器坐标系之间的转换关系；
具体的，请再次参阅图2，所述图像采集器坐标系可以是指以图像采集器的中心轴线为zc轴，xc轴和yc轴同时垂直于zc轴且相互之间垂直，建立的xc-yc-zc坐标系。以坐标系中任意一点P为例，点P的位置由其三个坐标(xp,yp,zp)描述，在图像采集器坐标系中的点P的坐标为在靶面坐标系中的点P的坐标为点P的坐标和通过坐标系转换矩阵进行相互转换。
步骤405：所述上位机获取所述图像采集器103采集得到的所述轮廓图像，根据所述轮廓图像在所述图像采集器坐标系的坐标数据及所述转换关系建立所述目标物体105在所述靶面坐标系的三维模型。具体的，仍以点P为例，上位机根据坐标系转换矩阵，将述轮廓图像在图像采集器坐标系的坐标数据转换为靶面坐标系的坐标数据并根据建立目标物体105的三维模型。
通过上位机控制旋转装置101和图像采集器103的工作参数，简化了对目标物体轮廓检测系统的控制，由上位机建立靶面坐标系和图像采集器坐标系并进行两个坐标系之间的转换，简化了坐标数据的处理过程，实现了坐标数据处理和三维模型建立的自动化。
在另一可选的实施例中，在步骤401之前，还包括进行标定修正坐标系，具体包括：利用标准图像作为靶标，比如固定大小和间隔的圆形，图像采集器103在靶面的多个设置参考点的图像，如分别采集4个角和中心位置的5幅图像，并发送至上位机，由上位机根据采集到的图像得到标定关系，用以消除图像采集器103的镜头导致的视场范围、畸变和测量距离的影响。
这里，所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器102的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器102的旋转方向建立图像采集器103坐标系，包括：所述上位机获取用于表示所述一字线激光器102的旋转方向的第一方向轴线为Y轴、获取用于表示所述一字线激光所在平面且与所述Y轴垂直的第二方向轴线、第三方向轴线分别为X轴和Z轴，基于所述X轴、Y轴和Z轴建立靶面坐标系，其中，所述X轴和Z轴相互垂直。具体的，请再次参阅图2，所述靶面坐标系为该目标物体轮廓检测系统处于一设置的初始位置时，以该设置的初始位置为0点，设定一xa-ya平面，其中一字线激光所在方向为xa轴，一字线激光的旋转方向为ya轴，同时垂直于xa轴和ya轴且沿一字线激光出射方向为z轴，建立xa-ya-za坐标系。通过以一字线激光所在方向为xa轴建立坐标系时，一字线激光运动方向可以作为ya轴，方便了坐标系的建立，减小了坐标转换的复杂度。
这里，所述方法还包括：所述一字线激光器102接收所述上位机的启动指令，根据所述启动指令发射照射于所述目标物体105表面的一字线激光。具体的，一字线激光器102的启动由上位机进行控制，上位机向一字线激光器102发送启动指令，启动指令中包含一字线激光器102的具体工作参数，一字线激光器102接收到上位机的启动指令后，根据启动指令中的具体工作参数发射照射于所述目标物体105表面的一字线激光，简化了一字线激光器102的控制，方便了对一字线激光器102的参数设置。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种目标物体轮廓检测系统，其特征在于，包括旋转装置、一字线激光器、图像采集器及承载平台，所述旋转装置、所述一字线激光器及所述图像采集器均设置于所述承载平台上；其中，
所述一字线激光器，用于发射照射于目标物体表面的一字线激光；
所述图像采集器，用于采集所述一字线激光在所述目标物体表面形成的轮廓图像；
所述旋转装置，用于驱动所述一字线激光器旋转。
2.根据权利要求1所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，所述旋转装置与所述一字线激光器连接，用于带动所述一字线激光器绕垂直于所述一字线激光器的中心轴线和所述图像采集器的中心轴线中的任一轴线旋转。
3.根据权利要求1所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，所述旋转装置与所述承载平台连接，用于带动所述承载平台绕垂直于所述一字线激光器的中心轴线和所述图像采集器的中心轴线中的任一轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，所述一字线激光器的重心位于所述一字线激光器旋转的轴线上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，所述一字线激光所在平面的法线与所述一字线激光器旋转的轴线垂直。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，该系统还包括角度测量装置，所述角度测量装置用于获取所述旋转装置转动的角度。
7.根据权利要求6所述的目标物体轮廓检测系统，其特征在于，所述角度测量装置为角度传感器。
8.一种基于上述权利要求1-7中任一项所述的目标物体轮廓检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
旋转装置接收上位机发送的旋转参数，并根据所述旋转参数驱动一字线激光器旋转；
图像采集器接收所述上位机发送的曝光参数，根据所述曝光参数以设置的时间间隔采集所述一字线激光在目标物体表面形成的轮廓图像；
所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向建立靶面坐标系；
所述上位机获取所述一字线激光器与所述图像采集器的相对位置关系，基于所述相对位置关系建立所述靶面坐标系和图像采集器坐标系之间的转换关系；
所述上位机获取所述图像采集器采集得到的所述轮廓图像，根据所述轮廓图像在所述图像采集器坐标系的坐标数据及所述转换关系建立所述目标物体在所述靶面坐标系的三维模型。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述上位机获取所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向，基于所述一字线激光所在平面的方向、所述一字线激光器的旋转方向建立靶面坐标系，包括：
所述上位机获取用于表示所述一字线激光器的旋转方向的第一方向轴线为Y轴、获取用于表示所述一字线激光所在平面且与所述Y轴垂直的第二方向轴线、第三方向轴线分别为X轴和Z轴，基于所述X轴、Y轴和Z轴建立靶面坐标系，其中，所述X轴和Z轴相互垂直。
10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述一字线激光器接收所述上位机的启动指令，根据所述启动指令发射照射于所述目标物体表面的一字线激光。
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