CN116128736B - 一种扫描成像方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种扫描成像方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及产品尺寸测量技术领域，特别是涉及一种扫描成像方法、装置、设备及介质。所述扫描成像方法包括：在治具平台的四角上分别布置四棱锥标定块，该四棱锥标定块的四个侧面为等腰直角三角形；将产品放置于治具平台上，利用3D轮廓仪依次扫描产品的四边，得到四个扫描子图像；对产品每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块；对每个扫描子图像进行倾斜校正；按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接。本发明能够消除因3D轮廓仪的安装误差、转动的轴误差、治具平面倾斜误差等带来的影响，避免产生噪点、阴影，提高扫描成像质量。

Description

一种扫描成像方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及产品尺寸测量技术领域，特别是涉及一种扫描成像方法、装置、设备及介质。
背景技术
目前，对产品的外观尺寸检测，通常是采用3D轮廓仪对产品各边进行扫描，然后对各边的扫描子图像进行拼接后取产品上的特征点，通过特征点的坐标来计算产品的尺寸。但是，在实际测量过程中，由于3D轮廓仪的安装误差、或在产品各边之间转动切换时造成的抖动误差等，将导致各边的扫描子图像与实际图像之间存在差异，从而导致拼接图像与实际图像不符。
发明内容
基于此，有必要提供一种扫描成像方法、装置、设备及介质，其具体技术方案如下。
第一方面，一种扫描成像方法，包括如下步骤：
在治具平台的四角上分别布置四棱锥标定块，该四棱锥标定块的四个侧面为等腰直角三角形；
将产品放置于治具平台上，利用3D轮廓仪依次扫描产品的四边，得到四个扫描子图像；对产品每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块；
对每个扫描子图像进行倾斜校正；
按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接：
取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第一中线；
取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线；
使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像。
进一步的，对扫描子图像进行倾斜校正的过程包括：
计算扫描子图像中四棱锥标定块的侧面与水平面所形成的第一夹角；
计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角；
计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角；
利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角；
使扫描子图像以第三夹角的数值进行旋转。
进一步的，第一夹角的计算过程包括：
取扫描子图像中四棱锥标定块顶点的扫描坐标（X1，Y1，Z1）、以及等腰直角三角形另外两点的坐标；
根据等腰直角三角形另外两点的坐标计算中点坐标（X2，Y2，Z2）；
计算第一夹角：θ1=arctan(Z2-Z1)/(X2-X1)。
进一步的，在对产品的每条边进行扫描时，扫描到四棱锥标定块靠近产品一侧的等腰直角三角形。
进一步的，对每个扫描子图像进行倾斜校正时，同时校正扫描子图像中特征点的坐标。
进一步的，按照扫描顺序对每个校正后的子图像进行拼接时，将各扫描子图像中的特征点转换至同一坐标系内。
第二方面，一种扫描成像装置，包括：
标定模块，被配置为在治具平台的四角上分别布置四棱锥标定块，该四棱锥标定块的四个侧面为等腰直角三角形；
扫描模块，被配置为将产品放置于治具平台上，利用3D轮廓仪依次扫描产品的四边，得到四个扫描子图像；对产品每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块；
校正模块，被配置为对每个扫描子图像进行倾斜校正；
拼接模块，被配置为按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接；
所述拼接模块包括拼接第一子模块、拼接第二子模块和拼接第三子模块；
所述拼接第一子模块被配置为取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第一中线；
所述拼接第二子模块被配置为取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线；
所述拼接第三子模块被配置为使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像。
进一步的，所述校正模块包括：
第一计算模块，计算扫描子图像中四棱锥标定块的侧面与水平面所形成的第一夹角；
第二计算模块，计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角；
第三计算模块，计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角；
第四计算模块，利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角；
旋转模块，使扫描子图像以第三夹角的数值进行旋转。
第三方面，一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述任一所述的扫描成像方法。
第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一所述的扫描成像方法。
有益效果：1.本发明所提供的扫描成像方法，分别扫描产品各边并校正后，再利用四棱锥标定块侧面的等腰直角三角形的中线作为参照，对图像进行拼接，消除了因3D轮廓仪的安装误差、转动的轴误差、治具平面倾斜误差等带来的影响；并且在拼接相邻扫描子图像时，以同一个标定块作为参考，也能够避免不同标定块所带来的误差，进一步提高扫描成像的精度。
2.本发明所提供的扫描成像方法，采用四个侧面为等腰直角三角形的四棱锥标定块进行标定，在扫描过程中不会对激光造成遮挡，能够避免成像过程中因遮挡而出现噪点、阴影等，从而保证对四棱锥标定块各点的识别，进一步提高扫描成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为扫描成像方法的流程框图；
图2为四棱锥标定块的示意图；
图3为产品放置在治具平台上的示意图；
图4为各扫描子图像的示意图；
图5为相邻扫描子图像的拼接示意图；
图6为标定块为圆柱时的示意图；
图7标定块为四棱锥时的示意图；
图8为扫描成像装置的示意图；
图9为计算机设备的示意图。
附图标记：1、四棱锥标定块；2、产品；3、治具平台；4、第一次扫描子图像；5、第二次扫描子图像；6、第三次扫描子图像；7、第四次扫描子图像；8、半导体激光；9、发射器透镜；10、圆柱标定块；11、接收器透镜；12、感光元件；13、标定模块；14、扫描模块；15、校正模块；16、拼接模块；17、拼接第一子模块；18、拼接第二子模块；19、拼接第三子模块；20、处理器；21、存储器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种扫描成像方法，在产品2外观检测过程中对各边进行扫描并拼接成完整图像，消除因3D轮廓仪的安装误差、转动的轴误差、治具平面倾斜误差等带来的影响。参照图1所示，该方法包括如下步骤：
S1、在治具平台3的四角上分别布置四棱锥标定块1，该四棱锥标定块1的四个侧面为等腰直角三角形。参照图2所示，四棱锥标定块1各面的直角边为棱边，斜边为底边。在治具平台3上布置四棱锥标定块1后的示意图参照图3所示。
S2、将产品2放置于治具平台3上，利用3D轮廓仪依次扫描产品2的四边，得到四个扫描子图像；对产品2每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块1。得到的扫描子图像可以参照图4所示，包括第一次扫描子图像4、第二次扫描子图像5、第三次扫描子图像6、第四次扫描子图像7，在扫描过程中需要保证3D轮廓扫描到四棱锥靠近产品2一侧的完整的等腰直角三角形，为了便于显示，图4中各扫描子图像仅保留了四棱锥靠近产品2一侧的完整的等腰直角三角形。
S3、对每个扫描子图像进行倾斜校正。通过对扫描子图像进行倾斜校正，使扫描子图像恢复成水平状态，即其实际状态。
具体来说，对扫描子图像进行倾斜校正的过程包括：
S31、计算出扫描子图像中四棱锥标定块1的侧面与水平面所成的第一夹角，先提取扫描子图像中四棱锥标定块1中靠近产品2一侧等腰直角三角形的三个顶点坐标，该坐标由3D轮廓仪本身的坐标，可以定义为扫描坐标，由于三角形三个顶点位置的像素存在较大差异，因此比较容易提取并保证所提取的精度。三个顶点的坐标包含四棱锥的顶点坐标（X1，Y1，Z1）、以及另外两点坐标，通过另外两点坐标可以直接计算出底边中点的坐标（X2，Y2，Z2），然后将顶点和底边中点的坐标带入计算得到第一夹角：θ1=arctan(Z2-Z1)/(X2-X1)。
S32、计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块1侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角。一般来说3D轮廓仪的理论倾斜角α1可以设定为90°，而四棱锥标定块1侧面的实际倾斜角α2即为其侧面与底面的夹角，其可以设定为45°。通过D轮廓仪的理论倾斜角α1与四棱锥标定块1侧面的实际倾斜角α2的差值计算出第二夹角θ2=α1-α2。
S33、计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角α3；α3=θ1+θ2。
S34、利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角θ3；θ3=α1-α3。因此，可以得到该扫描子图像倾斜角度为θ3。
S35、最后将扫描子图像以第三夹角θ3的数值进行旋转，对倾斜进行校正，得到校正后的扫描子图像，该扫描子图像与水平处于平行状态。
S4、按照扫描顺序对每个校正后的子图像进行拼接，相邻扫描子图像的拼接过程包括：
S41、取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块1中靠近产品2一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作为第一中线。在对于产品2的每个边进行扫描时，将扫描到两个四棱锥标定块1，该末端的四棱锥标定块1指的是第二个标定块。在取底边中点时，可以先通过像素差异取到两个底边顶点，然后再取底边中点。
S42、取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块1靠近产品2一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线，该首端的四棱锥标定块1指的是第一个标定块，与S41中的末端四棱锥标定块1为同一个标定块。
S43、使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像。
由于在步骤S3中已经将扫描子图像校正至水平状态，此时在同一个四棱锥标定块1的两个侧面的等腰直角三角形中，其中线处于垂直状态。因此，通过依次拼接相邻的扫描子图像即可获得最终的扫描图像，并保证其精度。
在本实施例中，分别扫描产品2各边并校正后，再利用四棱锥标定块1侧面的等腰直角三角形的中线作为参照，对图像进行拼接，消除了因3D轮廓仪的安装误差、转动的轴误差、治具平面倾斜误差等带来的影响。并且，拼接两个扫描子图像时，是以同一个标定块为参照进行拼接，因此各标定块之间的位置误差等不会影响最终的成像结果，进一步保证了扫描成像的精度。
需要进一步说明的是，本实施例所提供的一种扫描成像方法，采用四个侧面为等腰直角三角形的四棱锥作为标定块，能够有效避免扫描子图像出现阴影或噪点，保证在扫描子图像中提取等腰直角三角形各点的准确性，从而保证校正结果以及拼接结果的准确性，并且避免阴影或噪点也能够提高图像的最终质量。
以下分别对圆柱标定块10、以及本实施例中所采用的四棱锥标定块1进行说明。
参照图6所示，采用圆柱标定块10，当半导体激光8发射的激光经发射器透镜9照射至产品2表面，其反射光经接收器透镜11被感光元件12采集的过程中，部分位置的反射光将被遮挡，从而导致产生阴影部分或出现噪点，影响扫描子图像的成像质量。
参照图7所示，采用四棱锥标定块1，当半导体激光8发射的激光经发射器透镜9照射至产品2表面，其反射光经接收器透镜11被感光元件12采集的过程中，不存在遮挡，从而能够得到完整的、高质量的扫描子图像。
需要补充说明的是，在扫描产品各边的过程中，控制3D轮廓仪的倾斜角度，使3D轮廓仪不与四棱锥标定块1的侧面产生干涉。具体参照图7所示，使四棱锥标定块1的侧面与底面的夹角为45°，半导体激光8发射的激光与感光元件12接收的反射光的夹角为45°，使半导体激光8发射的激光与四棱锥标定块1的底面夹角θ°大于等于90°，而成完全避免3D轮廓仪与四棱锥标定块1之间的干涉，保证成像质量。
作为本实施例的进一步改进，在对产品2的外观检测过程中，需要测量管控位置的尺寸，可以采用坐标系的方式对特征点之间的尺寸进行计算，因此在对扫描子图像进行校正和拼接的过程中需要对坐标进行校正。
在扫描过程中，扫描子图像按照3D轮廓仪的坐标系确定空间坐标，在对图像进行倾斜校正时，分别对扫描子图像中的特征点的坐标进行校正。其校正关系为：
Xa=X*cos(θ)+Z*sin(θ)
Yb=Y
Zc=Z*cos(θ)-X*sin(θ)
其中（X，Y，Z）为特征点校正前的坐标，（Xa，Yb，Zc）为校正后的坐标。
按照扫描顺序对每个校正后的子图像进行拼接时，将各扫描子图像中的特征点转换至同一坐标系内，其转换过程中为，确定两个拼接子图像之间的坐标转换关系，根据坐标转换关系将两个拼接子图像的特征点转换至同一个图像内。在根据坐标关系计算特征点之间的距离，得到所要测量的尺寸。
实施例2
本实施例提供了一种扫描成像装置，参照图8所示，其具体包括：
标定模块13，被配置为在治具平台3的四角上分别布置四棱锥标定块1，该四棱锥标定块1的四个侧面为等腰直角三角形；
扫描模块14，被配置为将产品2放置于治具平台3上，利用3D轮廓仪依次扫描产品2的四边，得到四个扫描子图像；对产品2每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块1；
校正模块15，被配置为对每个扫描子图像进行倾斜校正；
拼接模块16，被配置为按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接；
所述拼接模块16包括拼接第一子模块17、拼接第二子模块18和拼接第三子模块19；
所述拼接第一子模块17被配置为取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块1中靠近产品2一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第一中线；
所述拼接第二子模块18被配置为取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块1中靠近产品2一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线；
所述拼接第三子模块19被配置为使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像。
作为本实施例的进一步改进，所述校正模块15包括：
第一计算模块，计算扫描子图像中四棱锥标定块1的侧面与水平面所形成的第一夹角；
第二计算模块，计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块1侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角；
第三计算模块，计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角；
第四计算模块，利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角；
旋转模块，使扫描子图像以第三夹角的数值进行旋转。
实施例3
参照图9所示，本实施例提供了一种计算机设备，包括：一个或多个处理器20；存储器21，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器20执行，使得所述一个或多个处理器20实现如实施例1中所述的扫描成像方法。
实施例4
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器20执行时实现如实施例1中所述的扫描成像方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种扫描成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
在治具平台的四角上分别布置四棱锥标定块，该四棱锥标定块的四个侧面为等腰直角三角形；
将产品放置于治具平台上，利用3D轮廓仪依次扫描产品的四边，得到四个扫描子图像；对产品每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块；
对每个扫描子图像进行倾斜校正；
按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接：
取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第一中线；
取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线；
使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像；
对扫描子图像进行倾斜校正的过程包括：
计算扫描子图像中四棱锥标定块的侧面与水平面所形成的第一夹角；
计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角；
计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角；
利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角；
使扫描子图像以第三夹角的数值进行旋转；
第一夹角的计算过程包括：
取扫描子图像中四棱锥标定块顶点的扫描坐标（X1，Y1，Z1）、以及等腰直角三角形另外两点的坐标；
根据等腰直角三角形另外两点的坐标计算中点坐标（X2，Y2，Z2）；
计算第一夹角：θ1=arctan(Z2-Z1)/(X2-X1)。
2.根据权利要求1所述的一种扫描成像方法，其特征在于，在对产品的每条边进行扫描时，扫描到四棱锥标定块靠近产品一侧的等腰直角三角形。
3.根据权利要求1所述的一种扫描成像方法，其特征在于，对每个扫描子图像进行倾斜校正时，同时校正扫描子图像中特征点的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种扫描成像方法，其特征在于，按照扫描顺序对每个校正后的子图像进行拼接时，将各扫描子图像中的特征点转换至同一坐标系内。
5.一种扫描成像装置，其特征在于，包括：
标定模块，被配置为在治具平台的四角上分别布置四棱锥标定块，该四棱锥标定块的四个侧面为等腰直角三角形；
扫描模块，被配置为将产品放置于治具平台上，利用3D轮廓仪依次扫描产品的四边，得到四个扫描子图像；对产品每条边的图像进行扫描时，同时扫描到两个四棱锥标定块；
校正模块，被配置为对每个扫描子图像进行倾斜校正；
拼接模块，被配置为按照扫描顺序对每个校正后的扫描子图像进行拼接；
所述拼接模块包括拼接第一子模块、拼接第二子模块和拼接第三子模块；
所述拼接第一子模块被配置为取前一扫描子图像中末端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第一中线；
所述拼接第二子模块被配置为取后一扫描子图像中首端的四棱锥标定块中靠近产品一侧的等腰直角三角形，取顶点和底边中点的连线作第二中线；
所述拼接第三子模块被配置为使第一中线与第二中线垂直，从而拼接相邻的两个扫描子图像；
所述校正模块包括：
第一计算模块，计算扫描子图像中四棱锥标定块的侧面与水平面所形成的第一夹角；
第一夹角的计算过程包括：
取扫描子图像中四棱锥标定块顶点的扫描坐标（X1，Y1，Z1）、以及等腰直角三角形另外两点的坐标；
根据等腰直角三角形另外两点的坐标计算中点坐标（X2，Y2，Z2）；
计算第一夹角：θ1=arctan(Z2-Z1)/(X2-X1)
第二计算模块，计算3D轮廓仪的理论倾斜角与四棱锥标定块侧面的实际倾斜角的差值，得到第二夹角；
第三计算模块，计算第一夹角与第二夹角之和得到3D轮廓仪的实际倾斜角；
第四计算模块，利用3D轮廓仪的理论倾斜角减去实际倾斜角得到第三夹角；
旋转模块，使扫描子图像以第三夹角的数值进行旋转。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1～4中任一所述的扫描成像方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～4中任一所述的扫描成像方法。
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Citations (6)

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