CN115861155A - 一种测量光滑表面形状的设备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光滑表面形状的设备及测量方法，所述设备上的不同位置安装有多个测量单元，分别命名为第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元，每一个测量单元由一个摄像头和发光元件组成，第一测量单元和第二测量单元中的发光元件同时向外界散发出的所有光线中，各有一条光线被高光的物体表面反射后分别射入第二测量单元和第一测量单中的摄像头中，并通过各自的摄像头得到的图像分别判断出射入第二测量单元中的传感器的光线和该传感器的位置关系，以及射入第一测量单元中的传感器的光线和该传感器的位置关系。根据光的可逆型原理，这两条光线相交与一点，可判断该点和所述设备的位置关系。

Description

一种测量光滑表面形状的设备及测量方法

技术领域

本发明涉及光滑表面测量技术领域，具体涉及一种测量光滑表面形状的设备及测量方法。

背景技术

结构光技术：结构光是一组由投影仪和摄像头组成的系统结构。用投影仪投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置及深度信息，进而复原整个三维空间。通过终端设备上安装的所述投影仪和摄像头组成的系统结构还原包括真实用户面部在内的三维空间，继而确定所述用户与所述终端设备的空间位置关系；

具体为：投影仪可将一束激光投影到物体表面，并被物体表面上的某一点所漫反射，经过漫反射后向外界散发的所有光线中，有一束光线射进摄像头镜头，并基于摄像头得到图像，可根据得到的图像计算出这条光线与摄像头的相对位置关系，因为投影仪发射出的激光和投影仪的相对位置关系是已知的，并且投影仪和摄像头的相对位置关系也已知：即摄像头，投影仪，物体表面上被照射的点这三个点可看作一个三角形，投影仪发出的一束光线可看作三角形的一个边，物体表面上被照射的点经过漫反射并射向摄像头的光线可看作三角形的另一个边，摄像头和投影仪的直连线可看作三角形的第三条边，根据已知的信息可推算物体表面上被照射的点和投影仪以及摄像头的相对位置关系。当投影仪项不同角度发射多条光线时，可测量物体表面上的多个点与结构光设备的相对位置关系，从而测量到物体表面的形状，现有技术中的不足为：

1、现有技术至少需要一个投影仪和一个摄像头，且需要投影仪精准的发射激光；

2、现有结构光技术对于被扫描的物体表面时粗糙为漫反射光线，不能是高光的或者高光且透明的，具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量光滑表面形状的设备及测量方法，第一测量单元和第二测量单元中的发光元件同时向外界散发出的所有光线中，各有一条光线被高光的物体表面反射后分别射入第二测量单元和第一测量单中的摄像头中，并通过各自的摄像头得到的图像分别判断出射入第二测量单元中的传感器的光线和该传感器的位置关系，以及射入第一测量单元中的传感器的光线和该传感器的位置关系，根据光的可逆性原理，这两条光线相交于一点，可判断该点和所述设备的位置关系。

不同测量单元中每两个测量单元之间都可以判断出高光物体表面上的点和设备的相对位置关系，多个物体表面上的点可描述高光物体表面的形状。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种测量光滑表面形状的设备，包括骨架，所述骨架上设置有多个用于向外界散发光线和光线接收的测量单元，所述骨架上还设置有内置的计算机或者能够外接计算机的接口；

其中，多个测量单元在骨架上按第一测量单元、第二测量单元…第N测量单元排序设置。

作为本发明进一步的方案：每个所述测量单元包括发光元件和摄像头，所述发光元件和摄像头与测量单元的数量一一对应；

同一个所述测量单元内的摄像头与发光元件的个数比为1:M，M≥1。

作为本发明进一步的方案：所述发光元件的发射光为散发，使光线能够向空间中的各个角度进行发射。

作为本发明进一步的方案：一种测量光滑表面形状的设备的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：第一测量单元中的第一发光元件散发光线，散发光线中的某一条光线照射到光滑的物体表面的某一个点上，并被该点镜面反射，发射光线被第二测量单元中的第二摄像头所接收，并且该条光线在空间中形成一条光路；

步骤二：在同一时刻下第二测量单元中的第二发光元件散发光线，散发光线中的某一条光线沿着步骤一中的光路照射到光滑的物体表面的同一个点上，并被这个点镜面反射，并沿着光路射向第一测量单元中的第一摄像头，并被第一摄像头接收；

步骤三：根据步骤一和步骤二中光路上的这两条光线射进第一摄像头和第二摄像头，并被第一摄像头和第二摄像头接收后的得到的数据推算出光滑的物体表面上该点相对于第二摄像头以及第一摄像头的位置关系，和光滑的物体表面上该点所在切面的方向；

即第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元共能够测量出光滑的物体表面上

个点以及点所在的光滑物体表面的切面的法线的方向。

作为本发明进一步的方案：第一发光元件、第二发光元件…第N发光元件的结构完全一致，均为圆环形的LED灯。

本发明的有益效果：

(1)本发明中通过在骨架上设置多个测量单元，其中每个测量单元中包含一个发光元件和一个摄像头，且发光元件只需向外界散发出光线即可，不需要像投影仪一样精确的发射激光，就能达到扫描物体表面形状的目的，灵活性高，实用性强；

(2)针对结构光技术对于被扫描的物体表面时粗糙的可以漫反射光线的，不能是高光的或者高光且透明的，本发明中测量方法对于被测量的物体表面是高光的或者高光且透明的，使测量单元中的发光元件散发出的光线照射到高光的或者高光且透明的物体表面上的点后，物体表面上的点反射光线到测量单元中的摄像头中，摄像头的图像中得到高光点，从而判断物体表面的形状。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明骨架的结构示意图；

图2是本发明测量单元的结构示意图；

图3是本发明摄像头与发光元件的结构示意图一；

图4是本发明摄像头与发光元件的结构示意图二；

图5是本发明摄像头与发光元件的结构示意图三；

图6是第一次到第五次拍摄得到的连续图像变化示意图；

图7是本发明将拍摄得到的图像转化成矢量图像的示意图；

图8是本发明无畸变图像的示意图一；

图9是本发明无畸变图像的示意图二；

图10是本发明畸变的图像的示意图；

图11是本发明带有平面直角坐标系的纸张的示意图；

图12是本发明无畸变的摄像头拍摄铺平上述纸张的示意图；

图13是本发明直角坐标系图像形状为矩形的示意图；

图14是本发明构建摄像头拍摄纸张的场景的示意图一；

图15是本发明构建摄像头拍摄纸张的场景的示意图二；

图16是本发明构建摄像头拍摄纸张的场景的示意图三；

图17是本发明构建摄像头拍摄纸张的场景的示意图四；

图18是本发明仿真三维模型的示意图；

图19是本发明仿真三维简化模型示意图；

图20是本发明以第一测量单元和第二测量单元测量的示意图一；

图21是本发明以第一测量单元和第二测量单元测量的示意图二；

图22是本发明以第一测量单元和第二测量单元测量的示意图三；

图23是本发明在虚拟空间中建立光线的示意图一；

图24是本发明在虚拟空间中建立光线的示意图二；

图25是本发明在虚拟空间中建立光线的示意图三；

图26是本发明高光表面的物体上的切面的法线的方向的示意图一；

图27是本发明高光表面的物体上的切面的法线的方向的示意图二；

图28是本发明高光表面的物体上的切面的法线的方向的示意图三；

图29是本发明高光表面的物体上的切面的法线的方向的示意图一；

图30是本发明高光表面的物体上的切面的法线的方向的示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

一种测量光滑表面形状的设备，包括骨架，以及第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元，其中N是大于二的正整数，还包括内置的计算机或者可外接计算机的接口；

第一测量单元，第二测量单元，直到第N测量单元都安装在骨架上；

参阅图1-图2，本实例中的所述骨架为一个正方形的板，在本实例中分别设置第一测量单元，第二测量单元，一直到第九测量单元，并成3行3列的平面矩阵安装在正方形骨架上，且每一个测量单元早其相邻的测量元件的水平距离和竖直距离都是100mm；

且每一个测量单元都可以由内置的计算机控制，或者每一个测量单元的线路可与一个或多个计算机接口，如USB接口，USB接口能够与外界的计算机连接；

其中，任何一个测量单元都是由一个发光元件和一个摄像头构成，且所述发光元件在空间位置上应设计的尽可能靠近所述摄像头；

将发光元件设计成圆环形LED灯，将摄像头设计到圆环形LED灯的中心；

具体为：

每一个测量单元包括一个摄像头以及一个圆环形LED灯，并且摄像头的镜头镶嵌在圆环形LED灯所在的圆环内；

如图3所示，摄像头的焦点所在的点与圆环形LED灯的几何中心所在的点重合。

实施例2

本实施例与实施例1的实施方式基本一致，区别在于，本实例中，同一个测量单元内的摄像头与发光元件的数量比为1:M,其中M为5，将5个圆环形LED灯以摄像头为圆心在摄像头外围呈环形阵列设置；

具体如图4所示，5个圆环形LED灯同时安装在一个摄像头周围，使其到摄像头镜头焦点的距离相等，将这5个圆环形LED灯组成的整体看作为一个发光元件。

实施例3

本实施例与实施例1的实施方式基本一致，区别在于，本实例中，同一个测量单元中的发光元件安装在摄像头内部；

具体如图5所示，圆环形LED的中心与摄像头的中心重合。

在上述实施例中，圆环形LED所发出的光线是散发的，即以圆环形LED为中心能够向各个角度发射出光线；

其中，从观察的角度看，若圆环形LED点亮，并发射光线，从各个角度都能够看见较为明亮的圆环形LED在发射光线，并非像激光灯一样，只向特定角度发射激光束；

每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同，从而能够根据摄像头在不同时刻拍摄发光元件发出并被反射的光，判断出发光元件的位置。

具体为：

某一个发光元件可在点亮的时刻起，第0毫秒至第1毫秒的时间段内点亮，第1毫秒至第2毫秒的时间段内熄灭，第2毫秒至第3毫秒的时间段内点亮，第3毫秒至第4毫秒的时间段内熄灭，第4毫秒至第5毫秒的时间段内点亮，则该发光元件闪烁的规律表达为10101；

第一发光元件，第二发光元件，一直到第九发光元件的闪烁规律分别为11111，10111，11011，11101，10011，10101，10110，11001，11010，即每一个发光元件的闪烁规律不同，但是闪烁频率是相同的，且闪烁频率都为1毫秒；

每一个摄像头的拍摄频率和每一个发光元件闪烁的频率相同，即每一个发光元件的闪烁频率是1毫秒，则摄像头拍照的频率也是1毫秒。

当摄像头拍摄到多个发光元件发射出的光线遇到高光的物体表面，被镜面反射并射入该摄像头的光线，并形成图像后，图像上会产生多个高光点，用来区分每一个高光点是哪一个发光元件所发射并反射的光线；

具体为：

第一测量单元中的第一摄像头在所有的测量单元中的发光元件开始按照特有规则闪烁的第0至第1毫秒内进行第一次拍摄，第1至第2毫秒内进行第二次拍摄，第2至第3毫秒内进行第三次拍摄，第3至第4毫秒内进行第四次拍摄，第4至第5毫秒内进行第五次拍摄；

因为每两次拍摄的时间间距为1毫秒，即使在第一次拍摄到第五次拍摄的过程中测量光滑表面形状的设备和被测量的光滑表面的物体之间以1米每秒的速度移动每两次拍摄测量光滑表面形状的设备和被测量的光滑表面的物体之间的位置变化仅1毫米；

在本实例中认为第一次到第五次拍摄得到的图像存在变化，不过存在相似特征，即第一次到第五次拍摄得到的图像中在图像中处于相同或者相近位置的高光点是源于同一个测量单元中的圆环形LED所发出的光，将摄像头第一次到第五次拍摄得到的图像中同一个测量单元中的圆环形LED所发出的光在图像中形成的高光点取相同的命名；

参阅图6A所示，第一次拍摄得到的图像中共有3个高光点，按照从左到右，从上到下的命名循序分别命名为第一高光点/第二高光点/第三高光点；

参阅图6B所示，第二次拍摄得到的图像中共有1个高光点在图像中的位置和第一次拍摄得到的图像中的第一高光点在图像中的位置相同，将该高光点命名为第一高光点；

参阅图6C所示，第三次拍摄得到的图像中共有2个高光点在图像中的位置分别和第一次拍摄得到的图像中的第一高光点和第二高光点在图像中的位置相同，分别将这两个高光点命名为第一高光点和第二高光点；

参阅图6D所示，第四次拍摄得到的图像中共有3个高光点在图像中的位置分别和第一次拍摄得到的图像中的第一高光点、第二高光点、第三高光点在图像中的位置相同，分别将这两个高光点命名为第一高光点、第二高光点、第三高光点；

参阅图6E所示，第五次拍摄得到的图像中共有3个高光点在图像中的位置分别和第一次拍摄得到的图像中的第一高光点、第二高光点、第三高光点在图像中的位置相同，分别将这两个高光点命名为第一高光点、第二高光点、第三高光点；

从第一次拍摄到第五次拍摄得到的图像，得知从第一次拍摄到第五次拍摄得到的图像中的第一高光点，第二高光点，第三高光点，对应的测量单元中的圆环形LED灯的闪烁规则分别为11111，10111，10011；

根据每一个测量单元中的圆环形LED灯闪烁的规律不同，按照上文给出的闪烁规律，第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，一直到第九圆环形LED灯的闪烁规律分别为11111，10111，11011，11101，10011，10101，10110，11001，11010。

得知第一次拍摄到第五次拍摄得到的图像，得知从第一次拍摄到第五次拍摄得到的图像中的第一高光点，第二高光点，第三高光点分别是第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，第五圆环形LED灯所发出的。

在上述实施例中，各个圆环形LED所发出的光的波长不同，从而能够根据摄像头发光元件发出并被反射的光的波长，判断出发光元件的位置；

具体的，当多个圆环形LED灯发射出的光线被表其中，第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，一直到第九圆环形LED灯发出光的波长分别是0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm，即每一个圆环形LED灯所发射出的光线的波长和其他圆环LED灯都不同；

面光滑的物体镜面反射并射入摄像头镜头后，该摄像头得到的图像中会因为有光线射入而产生多个高光点，然而因为不同的光射入摄像头镜头后会在所得到的图像中产生不同的颜色，通过图像高光点的颜色不同来判断每一个图像中的高光点对应的射入镜头的光线的波长，从而判断形成图像中该高光点的光线是哪一个圆环形LED灯所发出后照射到高光的物体表面后镜面反射，并射入拍摄该图像的摄像头。

在上述实施例中，在摄像头内安装滤光片，使摄像头只能接收特定波长的光；

S1：当圆环形LED灯通过闪烁的规律区别，则可以将所有圆环形LED灯发射出光线的波长设置成相同的，并且在摄像头中安装滤光片，使摄像头只能接收到和圆环形LED灯发出的光相同或者相近的波长的光；

能够让摄像头只接收到圆环形LED灯所发射后被镜面反射的光，尽可能的避免外界光线的干扰，拍摄得到的图像上只有因圆环形LED灯发出的光线被镜面反射后射入该摄像头镜头而形成图像上的高光点，这样信息处理器与信息储存器通过图像识别算法更加快速准确的识别出高光点；

S2：当圆环形LED灯通过发光波长区别，则可以将所有圆环形LED灯的发射出光线的波长设置在某一个范围之内，例如设置到0.7μm至1.5μm范围内，则可在摄像头中安装滤光片，使摄像头只能接收到与所有圆环形LED灯所发出的光处在相同范围内的波长的光，即使摄像头只能接收到0.7μm至1.5μm波长范围内的光。

其中，摄像头拍摄出来的图像可转化为矢量图象；

即使在摄像头内安装滤光片，依然会有波长和圆环形LED灯所发出的光的波长相同的外界环境光射入该摄像头镜头，并和高光点一起被摄像头拍摄下来，并在形成的图像中成像，会对在图像中识别出高光点的信息的过程产生一定的影响，可通过识别形状和亮度将上述高光点识别出来，识别出来的图像中的高光点大都呈圆形或椭圆形或不规则的点状，可用矢量的标记点将识别出来的图像中的高光点所在的图形的几何中心标记，并将图像中的高光点赋予和形成该图像中的高光点对应的圆环形LED灯相对应的编号；

具体为：

第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，一直到第九圆环形LED灯，对应的图像中的标记点，分别编号为第一标记点，第二标记点，第三标记点，第四标记点，第五标记点，第六标记点，第七标记点，第八标记点，第九标记点；

参阅图7，用矢量的矩形将拍摄得到的图像的边界描边，多个不同编号的标记点与所述矢量的矩形共同组成了矢量图像，通过上述方法将摄像头拍摄得到的图像转化成矢量图像。

参阅图8-图9所示，任一摄像头拍摄出来的或者转化出来的无畸变图像需要满足：用摄像头拍摄一个由均匀等大小的正方形组成的方格图案的平面T182，且拍摄时，摄像头的光轴T183垂直于所述平面T182；拍摄出来或者处理后得到的图像中每个方格依然是正方形，且所述所有正方形的大小相同，且图像中的正方形需满足在图像中四条边等长，且垂直于相邻边；

其中，当拍摄的图像为如图10所示存在畸变的图像，需要通过算法转换为无畸变图像。

参阅图11-图17所示，通过摄像头拍摄得到的图像判断图像中的点对应的在拍摄该图像时，射入摄像头镜头，并形成图显上该点的光线与摄像头的位置关系的方法，实现方法如下：

W1：如图11，高精度的印刷处一个带有平面直角坐标系的纸张，纸张上的平面直角坐标系包括：原点、横轴以及纵轴，横轴和纵轴上具有刻度；

设定在横轴上坐标原点右侧的刻度中刻度为正值，左侧的刻度中刻度为负值，且离原点越远的刻度值的绝对值越大；在纵轴上坐标原点上侧的刻度为正值，下侧的刻度为负值，且离原点越远的刻度值的绝对值越大，需要确保每一个最小的刻度单位的长度等同于1cm或1mm或0.1mm或0.01mm或1um；

W2：如图12，无畸变的摄像头拍摄铺平上述纸张，拍摄前需将摄像头与纸张上的表格完全摆正，使得摄像头的光轴相交于纸张上坐标系的原点，且摄像头的光轴垂直于纸张所在的平面，并使摄像头拍摄出图像的横像素平行与纸张中坐标系的横轴，再将摄像头的焦点和纸张所在的平面距离调整为已知定值；

W3：如图13，通过所述摄像头拍摄该纸张，得到该纸张的图像，并且直角坐标系图像的形状是矩形；

W4：如图14，在计算机构建的虚拟空间内，还原摄像头拍摄纸张的场景，保证纸张模型T301的尺寸、纸张模型T301上的平面直角坐标系都和真实的纸张一样，并且摄像头模型T302的焦点和光轴与纸张模型T301的相对位置关系和真实摄像头与纸张的相对位置关系相同；

在摄像头拍摄纸张得到的直角坐标系图像中，找到矩形的直角坐标系图像的四条边，并读取每一条边所相交于直角坐标系的横轴或者竖轴上的点的横刻度值与竖刻度值；

W5：如图15-图16，在计算机构建的虚拟空间内，以纸张模型T301中的直角坐标系中的横轴与竖轴上对应刻度值的4个点做矩形T303，矩形T303的4条边相交于这4个点；

其中，矩形区域是摄像头视野范围内能够拍摄到的图片上的区域，矩形区域的边界就是摄像头视野的边界，矩形区域有4个端点，分别代表拍摄纸张所得矩形图像上的左上角、右上角、左下角、右下角，分别以矩形区域的4个点为端点，以摄像头的焦点为另外的端点，做4条直线，所述4条直线分别代表拍摄照片时，照片内，左上角、右上角、左下角、右下角对应的图片上的一个点，反射并射入摄像头镜头的光线，所述4条直线围成的四棱锥三维区域就是摄像头的视野范围；

将矩形的直角坐标系图像导入计算机构建的虚拟空间内的摄像头拍摄纸张的场景中，并等比例缩放直角坐标系图像，使得直角坐标系图像的4条边重合于矩形的4条边，并且保证直角坐标系图像与纸张模型的方向一致，即直角坐标系图像中的坐标系横轴平行于纸张模型中的坐标系横轴，且坐标轴箭头方向相同、直角坐标系图像中的坐标系纵轴平行于纸张模型中的坐标系纵轴，且坐轴系箭头方向相同；

由于无畸变的摄像头拍摄出的图像是无畸变的，直角坐标系图像中的直角坐标系重合于纸张模型中的坐标系。在计算机构建的虚拟空间内的摄像头拍摄纸张的场景中，在直角坐标系图像中找任意一点并与摄像头焦点用直线连接，将该直线称为直线一，在纸张模型中找与所述任意一点相同的点，并与摄像头三维模型的焦点用直线连接，将该直线称为直线二，直线一与直线二重合，即直线一和与摄像头三维模型的角度与直线二和与摄像头三维模型的角度相同，而直线二模拟了真实空间中纸张上该点反射并射入真实摄像头的光线，直线二与摄像头三维模型的角度，即是真实空间中纸张上该点反射并射入真实摄像头的光线与真实的摄像头的角度；

W6：在虚拟空间中，在摄像头三维模型中建立所述矩形，并将摄像头拍摄的图像导入该虚拟空间，并等比例缩放后拟合于矩形后如图17所示，图像上任意一点与摄像头焦点的连线的性质等价于直线一用来判断形成图片中该点的光线射入摄像头镜头时，与摄像头之间的角度关系。

建立测量光滑表面形状的设备的简化模型

V1：如图18-图19，先在虚拟空间中建立测量光滑表面形状的设备的仿真三维模型并将测量光滑表面形状的设备的仿真三维模型，并以测量光滑表面形状的设备的仿真三维模型中的第一测量单元，第二测量单元，一直到第九测量单元中的摄像头模型的镜头焦点所在的点或者与之重合的圆环形LED灯模型所在圆的圆心为笛卡尔坐标系的原点，建立对应的第一笛卡尔坐标系，第二笛卡尔坐标系，一直到第九笛卡尔坐标系，通过一笛卡尔坐标系，第二笛卡尔坐标系，一直到第九笛卡尔坐标系分别代表第一摄像头，第二摄像头，一直到第九摄像头；

V2：每一个测量光滑表面形状的设备的简化模型中的笛卡尔坐标系的Z轴和对应的测量光滑表面形状设备的仿真三维模型中的摄像头模型的光轴平行并从摄像头模型的感光元件指向畸变摄像头模型的镜头方向；

V3：每一个测量光滑表面形状的设备的简化模型中的笛卡尔坐标系的Z轴和对应的测量光滑表面形状设备的仿真三维模型中的摄像头模型的光轴平行并从摄像头模型的感光元件指向畸变摄像头模型的镜头方向。

综上，测量光滑表面形状的设备的简化模型至少包括第一笛卡尔坐标系，第二笛卡尔坐标系，一直到第九笛卡尔坐标系，还可以在每一个笛卡尔坐标系代表的摄像头按照通过摄像头拍摄得到的图像判断图像中的点对应的在拍摄该图像时，射入摄像头镜头，并形成图显上该点的光线与摄像头的位置关系的方法在每一个笛卡尔坐标系所代表的摄像头前建立矩形，并分别将第一笛卡尔坐标系，第二笛卡尔坐标系，一直到第九笛卡尔坐标系以及建立的相关矩形分别称为第一摄像头简化模型，第二摄像头简化模型，一直到第九摄像头简化模型。

通过上述测量光滑表面形状的设备测量人眼球的形状的实例

在现实场景中，人面朝测量光滑表面形状的设备，并且测量光滑表面形状的设备正面朝向操作者面部；

测量光滑表面形状的设备中的第一测量单元，第二测量单元，一直到第九测量单元开始工作，即第一测量单元，第二测量单元，一直到第九测量单元中的第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，一直到第九圆环形LED灯同时向外界的各个角度发射光线，同时，第一测量单元中的第一摄像头，第二测量单元中的第二摄像头，一直到第九测量单元中的第九摄像头分别接收所有圆环形LED灯发射并被人眼球的角膜镜面反射的光线，并形成一一对应的图像，并根据图像推算出操作者眼球角膜的形状以及与测量光滑表面形状的设备的相对位置关系；

以第一测量单元和第二测量单元为例：当所有圆环形LED灯向外界的各个角度散发光线时，多个圆环形LED灯向外界散发出的光线中的某一角度的光线照射到人眼睛的角膜上，并被镜面反射到第一测量单元中的第一摄像头中，且第一摄像头拍摄到被镜面反射后射进镜头的光线，得到图像；

参照图20、图21、图22，图像中存在多个高光点，通过上述每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同，按照每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同或每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同，判断发光元件的方法，找到第二测量单元中的第二圆环形LED灯所发出的光线被镜面反射后形成的高光点的方法，并按照摄像头拍摄出来的图像可转化为矢量图象，将该图像转化为第一矢量图像，且矢量图像中含有命名为第二标记点的对应第二圆环形LED灯的标记点；

且第一测量单元中的第一摄像头也拍摄得到了所有圆环形LED灯向外界的各个角度散发的光线中，多个圆环形LED灯向外界散发出的光线中照射到人眼睛的角膜上，并被镜面反射到第一测量单元中的第一摄像头镜头的光线，并得到图像，并按照每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同或每一个发光元件的发光规律和其他发光元件不同，判断发光元件的方法，在图像中找到第二测量单元中的第二圆环形LED灯所发出的光线被镜面反射后形成的高光点，并按照摄像头拍摄出来的图像可转化为矢量图象方法将该图像转化为第一矢量图像，且矢量图像中含有命名为第二标记点的对应第二圆环形LED灯的标记点。

在虚拟空间中建立光线

通过测量光滑表面形状的设备内置或接入的数据处理器和存储器构建虚拟空间，并导入光滑表面形状的设备的简化模型；

并以第一摄像头简化模型为基准根据第一矢量图，以及第一矢量图中的第二标记点和通过摄像头拍摄得到的图像判断图像中的点对应的在拍摄该图像时，射入摄像头镜头，并形成图显上该点的光线与摄像头的位置关系的方法做一条线段，使之和第一摄像头简化模型的相对位置关系和，第一摄像头拍摄到第二圆环形LED灯发出的被人眼镜面反射后射入第一摄像头镜头的光线所在的直线和第一摄像头的相对位置关系相同。

具体为：

将第一摄像头拍摄得到的图像转化出来的第一矢量图导入该虚拟空间中，并等比例缩放至和第一摄像简化模型对应的矩形长宽相等时，将该图像的4条边重合于第一摄像头简化模型对应的矩形的4条边；

以第一摄像简化模型中的第一笛卡尔坐标系的原点为一个端点，以第一矢量图像中代表第二测量单元中第二圆环形LED灯的第二高光点的第二标记点为另一个端点，做线段并将该线段命名为2-1线段，所述2-1线段与第一摄像头简化模型的相对位置关系和第一摄像头拍摄到第二圆环形LED灯发出的被人眼镜面反射后射入第一摄像头镜头的光线所在的直线和所述第二摄像头的相对位置关系相同；

通虚拟空间中的2-1线段代表第二圆环形LED灯发出的被人眼镜面反射后射入第一摄像头镜头的光线，

参阅图23、图24、图25，按照同样方法可在通过第二摄像头简化模型和第二矢量图，以及第二矢量图中的第一标记点，通过1通过摄像头拍摄得到的图像判断图像中的点对应的在拍摄该图像时，射入摄像头镜头，并形成图显上该点的光线与摄像头的位置关系的方法做一条线段，并命名为1-2线段，代表第二测量单元中发出的光经过反射后，射进第一测量单元中的第一摄像头的光路所在的线段所以命名为2-1线段。

如测量精度足够高，上述2-1线段和1-2线段或其延长线会相交于一点550，550与第一摄像头和第二摄像头的相对位置关系和第一圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第二摄像头光线在人眼睛角膜上的反射点的相对位置相同，等价于该点与和第二圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第一摄像头光线在人眼睛角膜上的反射点的相对位置相同；

并且2-1线段和1-2线段或延长线组成的夹角的角平分线560和是第一圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第二摄像头的光线在人眼睛角膜上的反射点所在的人眼睛角膜上的切面的垂线的位置关系相同，等价于第二圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第一摄像头的光线在人眼睛角膜上的反射点所在的人眼睛角膜上的切面的垂线的位置关系相同；

证明：

在本实例中：为了简化说明，凸显本文要表达的意思，认为第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线和第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线分别是由第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯所在的圆的圆心，发射出来的。因为上文提到圆环形LED灯所在的圆的圆心和对应的摄像头焦点所在的点重合，故可以认为，第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线和第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线分别是第一摄像头焦点和第二摄像头焦点发射出来的。

因为第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线和第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线是同一时间发射出来的，可以看作：

第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线时，第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，人的角膜三者的相对位置关系和：

第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线时，第一圆环形LED灯，第二圆环形LED灯，人的角膜三者的相对位置关系相同。

故可以运用光路可逆性原理：光逆着原来的反射光线的防线射到媒质界面时，必会逆着原来的方向反射出去，这种性质叫做光路可逆性或光路可逆性原理。

所以第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线和第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线的光路是重叠的并且可用两条相交的直线描述，两条直线的焦点就是反射点。

因为第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线从发射出到被镜面反射两个阶光传播的路径是直线，且第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线从发射出去并被人的眼睛镜面反射后一直到照射到第二摄像头镜头之前所在的路径所在的直线分别和第二摄像头的相对位置关系和1-2直线和第二摄像头简化模型的相对位置关系相同。

并且：第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线从发射出到被镜面反射两个阶光传播的路径是直线，且第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线从发射出去并被人的眼睛镜面反射后一直到照射到第一摄像头镜头之前所在的路径所在的直线分别和第一摄像头的相对位置关系和2-1直线和第一摄像头简化模型的相对位置关系相同。

所以第一摄像头简化模型、第二摄像头简化模型、1-2直线、2-1直线之间的相对位置关系和第一摄像头、第二摄像头、第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第二摄像头镜头的光线中从第一圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后一直到射入第二摄像头之前的光线所在的路径所在的直线、第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后照射入第一摄像头镜头的光线中从第二圆环形LED灯发射出并被人眼睛的角膜反射后一直到射入第二摄像头之前的光线所在的路径所在的直线的相对位置关系相同(4对4位置关系相同)。

如果测量精度足够高，上述2-1线段和1-2线段或其延长线会相交于一点，该点与第一摄像头和第二摄像头的相对位置关系和第一圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第二摄像头光线在人眼睛角膜上的反射点的相对位置相同，等价于该点与和第二圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第一摄像头光线在人眼睛角膜上的反射点的相对位置相同；

2-1线段、1-2线段以及二者的交点可分别看做光反射时的入射光线、反射光线以及反射点，做2-1线段和1-2线段处在同一平面内的角平分线，该角平分线可看做光反射时，入射光线与反射光线之间的法线，按照光的反射定律，法线垂直与反射点所在的反射光的物体表面的切面。

2-1线段和1-2线段或延长线组成的夹角的角平分线和是第一圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第二摄像头的光线在人眼睛角膜上的反射点所在的人眼睛角膜上的切面的垂线的位置关系相同，等价于第二圆环形LED灯发射并照射到人眼睛的角膜后镜面反射到第一摄像头的光线在人眼睛角膜上的反射点所在的人眼睛角膜上的切面的垂线的位置关系相同。

第一测量单元中的第一发光元件散发出的所有光线中的某一条光线照射到光滑的物体表面的某一个点上，并被该点所镜面反射，并被第二测量单元中的第二光学传感器所接收，并且该条光线在空间中形成一条所述光路。在同一时刻下第二测量单元中的第二发光元件散发出的所有光线中，的某一条光线沿着所述光路照射到光滑的物体表面的同一个点上，并被这个点所镜面反射，并沿着所述光路射向第一测量单元中的第一摄像头，并被第一摄像头接收；

分别根据光路上的这两条光线射进第一摄像头和第二摄像头并被第一摄像头和第二摄像头接收后的得到的数据推算出光滑的物体表面上该点相对于第二摄像头以及第一摄像头的位置关系，和光滑的物体表面上该点所在切面的方向。

第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元共可以测量出光滑的物体表面上

个点以及点所在的光滑物体表面的切面的法线的方向。

以上实例说明了第一测量单元和第二测量单元之间，通过第一圆环形LED灯以及第二摄像头和第二圆环形LED灯以及第一摄像头互相传送和接收光信号再用过测量光滑表面形状的设备的简化模型，以及光的可逆性原理，光的反射定律推算出反射从第一圆环形LED灯发出的光并射入第二摄像头以及反射从第二圆环形LED灯发出的光并射入第一摄像头的高光物体表面上的点以及该点的垂线；

证明

设：一共存在N个测量单元，则在本实例中，共有9个测量单元，则N＝9；

参照图26，图27，图28，基于第一测量单元和第二测量单元、第一测量单元和第三测量单元，一直到第一测量单元和第九测量单元，共8对测量单元可以测量出高光表面的物体上的8个点的位置以及这8个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向，即N-1个点的位置以及这N-1个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向；

参照图29、图30，第二测量单元和第三测量单元、第二测量单元和第四测量单元，一直到第二测量单元和第九测量单元，共7对测量单元可以测量出高光表面的物体上的7个点的位置以及这7个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向。即N-2个点的位置以及这N-2个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向；

第七测量单元和第八测量单元、第七测量单元和第九测量单元，共2对测量单元可以测量出高光表面的物体上的2个点的位置以及这2个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向，即N-7个点的位置以及这N-7个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向；

第八测量单元和第九测量单元，共1对测量单元可以测量出高光表面的物体上的1个点的位置以及这1个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向，即N-8个点的位置以及这N-8个点在所述高光表面的物体上的切面的法线的方向；

从第一测量单元到第九测量单元，共九个测量单元一共可以测量：N-8，N-7...N-2，N-1个点在高光表面的物体上的切面的法线的方向。

将N＝9带入：N-8，N-7...N-2，N-1的排列规律得到：1，2...N-2，N-1满足等差数列的排列规律，根据等差数列前n项和的公式，将该数列求和，则求和的公式为：

化简得：/>

即：第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元共可以测量出光滑的物体表面上个点以及点所在的光滑物体表面的切面的法线的方向。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种测量光滑表面形状的设备，包括骨架，其特征在于，所述骨架上设置有多个用于向外界散发光线和光线接收的测量单元，所述骨架上还设置有内置的计算机或者能够外接计算机的接口；

其中，多个测量单元在骨架上按第一测量单元、第二测量单元…第N测量单元排序设置。

2.根据权利要求1所述的一种测量光滑表面形状的设备,其特征在于，每个所述测量单元包括发光元件和摄像头，所述发光元件和摄像头与测量单元的数量一一对应；

同一个所述测量单元内的摄像头与发光元件的个数比为1:M，M≥1。

3.根据权利要求2所述的一种测量光滑表面形状的设备,其特征在于，所述发光元件的发射光为散发，使光线能够向空间中的各个角度进行发射。

4.一种根据权利要求3所述的测量光滑表面形状的设备的测量方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：第一测量单元中的第一发光元件散发光线，散发光线中的某一条光线照射到光滑的物体表面的某一个点上，并被该点镜面反射，发射光线被第二测量单元中的第二摄像头所接收，并且该条光线在空间中形成一条光路；

步骤二：在同一时刻下第二测量单元中的第二发光元件散发光线，散发光线中的某一条光线沿着步骤一中的光路照射到光滑的物体表面的同一个点上，并被这个点镜面反射，并沿着光路射向第一测量单元中的第一摄像头，并被第一摄像头接收；

步骤三：根据步骤一和步骤二中光路上的这两条光线射进第一摄像头和第二摄像头，并被第一摄像头和第二摄像头接收后的得到的数据推算出光滑的物体表面上该点相对于第二摄像头以及第一摄像头的位置关系，和光滑的物体表面上该点所在切面的方向；

即第一测量单元，第二测量单元，一直到第N测量单元共能够测量出光滑的物体表面上

个点以及点所在的光滑物体表面的切面的法线的方向。

5.根据权利要求4所述的一种测量光滑表面形状的设备的测量方法,其特征在于，第一发光元件、第二发光元件…第N发光元件的结构完全一致，均为圆环形的LED灯。

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