CN1474160A - 一种多截面合成三维形面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多截面合成三维形面测量方法，采用匀速移动被测物体的传送装置，通过用多个光切法三维测量传感器，组成三维测量传感器阵列，同时对被测物体进行测量，并用计算机合成各传感器测量的截面数据，使等效的截面测量速度成倍增加，对物体三维形面尺寸进行实时在线检测；以满足对物体三维形面尺寸的实时在线检测的需要。可广泛用于各种物体三维形面的非接触高速在线测量。

Description

一种多截面合成三维形面测量方法

一、所属技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，更进一步涉及一种多截面合成三维形面测量方法。

二、背景技术

线结构光三维形面测量方法(又称光切法)，是一种非接触的光电三维测量技术。如图2所示，该方法以一条线光源P(又称为光刀)垂直投射到被测物体表面A，用摄像机接收反射的图象A’来测量物体的形面几何数据，摄像机光轴与光刀P夹角为α，M为测量基准平面，L为摄像机透镜，从反射的光刀图象中提取光刀中心位置与象面中心o’的距离h′，然后利用三角测量原理由h′求出被测物体高度h。

在截面的任意位置其截面高度计算公式如下： $h=\frac{u\·h^{\′}}{\sin \mathrm{\α}\·v+h^{\′}\cos \mathrm{\α}}$ 其中u，v，α是系统参数。通过合成多个测量截面就可以得到被测物体的整个形面几何数据。光切法实现装置结构简单，有较高的测量精度和速度，能够测量复杂形状物体，且易于实现自动测量，广泛应用于自动加工生产线和高速在线检测中。

光切法三维测量传感器一般由光刀、摄象机和图像采集装置组成，通过计算机处理采集的光刀图象，求得被测物体三维形面数据，这样的系统截面测量速度由摄象机帧或场速率决定，如PAL制摄像机的场速率为每秒50场，即每秒最多能测量50个截面，在高速在线测量中难于满足测量需要，高速摄像机虽然场速率可达每秒数百场，但成本很高。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种多截面合成三维形面测量方法，该方法通过用多个光切法三维测量传感器，组成三维测量传感器阵列，同时对被测物体进行测量，并用计算机合成各传感器测量的截面数据，使等效的截面测量速度成倍增加，以满足对物体三维形面尺寸的实时在线检测的需要。

包括如下步骤：

1)传送装置具有放置被测物体的测量基准平面，并能够按速度V匀速移动被测物体；

2)在传送装置上方安置三维测量传感器阵列，保证三维测量传感器的光刀光轴与传送装置测量基准平面垂直，光刀方向(线光源的线长度方向)与传送装置移动方向垂直。

3)三维测量传感器阵列的光刀数量由要求的测量截面间距和传送装置移动速率决定。

4)三维测量传感器阵列的光刀间距由三维测量传感器几何尺寸、传送装置1的移动速率、三维测量传感器阵列的图象采集场频率和光刀数确定；

5)被测物体放置在匀速运动的传送装置1的测量基准平面上；

6)被测物体匀速通过三维测量传感器阵列的所有测量光刀，各光刀测量的截面数据送入图像采集和处理装置中；

7)图像采集和处理装置通过合成各光刀测量的截面数据，就可得到整个物体的三维形面坐标。

本发明由于采用了三维测量传感器阵列和多截面合成三维形面测量方法，可用普通的场速率摄像机实现高速测量，成倍提高了测量速度，为高速在线三维形面测量提供了一种新的实现方法。

四、附图说明

图1是多截面合成三维形面测量方法和装置的原理图；

图2是单光刀光切法三维测量传感器示意图及光路图；其中，(A)是光切法三维测量传感器结构示意图，(B)是(A)的光路图；

图3是双光刀光切法三维测量传感器示意图及光路图；其中，(A)是双光切三维测量传感器结构示意图，(B)是(A)的光路图；也是本发明的实施例一；

图4是四光刀多截面三维形面测量光刀位置示意图，为本发明的实施例二。

五、具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明的方法和装置：

如图1所示，被测物体4放置在传送装置1上，而三维测量传感器阵列2放置在传送装置1和被测物体4上方，图像采集和处理装置3接收三维测量传感器阵列2发送的图像测量数据，并进行数据处理。本发明的方法是按以下步骤实现的：

1)传送装置1上具有放置被测物体的测量基准平面，并能够按速度V匀速移动被测物体4；

2)在传送装置上方安置三维测量传感器阵列2，保证三维测量传感器的光刀光轴与传送装置测量基准平面垂直，光刀方向(线光源的线长度方向)与传送装置移动方向垂直。

3)三维测量传感器阵列2的光刀数量由测量截面间距和传送装置移动速率决定。若传送装置移动速度为V，要求测量截面间距为△P，摄象机场频(最高采样速度)为F，则选择光刀数N＝V/(△P·F)，每秒等效测量截面数为(N·F)。如采用标准的PAL制摄象机，场频F＝50，传送装置移动速度V＝1000mm/s，要求测量截面间距△P＝10mm，则光刀数N＝2，每秒等效测量截面数为100个截面。

4)三维测量传感器阵列2的光刀间距由如下方法确定：

设传送装置均速移动，速度为V，三维测量传感器每秒取F场图象，每秒被测物体移动距离△X＝V/F，设三维测量传感器阵列2的光刀数为N，则采样间距△P＝△X/N，各个测量光刀位置可取为：

       Pn＝△X·K+n·△P

其中，n＝(0，1，2，…，N-1)为N个光刀，K为正整数。

5)被测物体放置在匀速运动的传送装置的测量基准平面上；

6)被测物体匀速通过三维测量传感器阵列2的所有测量光刀，各光刀测量的截面数据送入图像采集和处理装置3中；

7)图像采集和处理装置3通过合成各光刀测量的截面数据，就可得到整个物体的三维形面坐标。设三维测量传感器阵列有N+1个光刀，对被测物体进行了M+1次测量，Dnm表示Pn光刀在第m次采样的截面值，则被测物体各个截面数据合成顺序为：

D₀₀，D₁₀，D₂₀，…，D_N0，D₀₁，D₁₁，D₂₁，…，D_N1，…，D_0M，D_1M，D_2M，…，D_NM

采用本发明的方法可以制成的多截面合成三维形面测量装置，一般由以下几部分组成，它包括用于匀速移动被测物体的传送装置；用于获取测量截面几何尺寸数据的三维测量传感器阵列；放在传送装置上的被测物体；图像采集和处理装置。

图2描述了单光刀光切法三维测量传感器示意图及光路图。单光刀光切法三维测量传感器一般由光刀、摄象机和图像采集装置组成，通过计算机处理采集的光刀图象，求得被测物体三维形面数据，单光刀三维测量传感器系统的截面测量速度由摄象机场速率决定，如PAL制摄像机的场速率为每秒50场，即每秒最多只能测量50个截面，在高速在线测量中难于满足测量需要，高速摄像机虽然场速率可达每秒数百场，但成本很高。

图3描述了多截面合成三维形面测量方法和装置的实施例之一，双光刀光切法三维测量传感器示意图及光路图。与单光刀光切法三维测量传感器不同之处在于采用了P1、P2两个光刀，这样的光路设计可提高一倍的截面测量速度，还有利于在保证测量视场的要求下，充分利用摄象机的传感器靶面。如图3所示，设传送装置均速移动，速度V＝2000mm/s，摄象机场频(最高采样速度)F＝50，则采样间距△P＝20mm，每秒等效测量截面数为100个截面。P1、P2分别为光刀LD1、LD2的位置，S为摄象机镜头的摄影中心点，取基线B＝400MM，最大测量距离L＝1000MM，被测物最大高度Hmax＝420mm，两光刀间距P1P2＝180MM。则可算出：

光刀1的角度测量范围：α1＝12.79°

光刀2的角度测量范围：α2＝9.39°

光刀1比光刀2有更高的测量精度(用1/3英寸靶面，F＝8MM镜头，其水平视场角α_H＝33.4°，垂直视场角α_V＝25.4°)。

图4描述了多截面合成三维形面测量方法和装置的实施例之二，四光刀多截面三维形面测量装置光刀位置示意图。如传送装置均速移动速度V为1000mm/s时，设三维测量传感器阵列的光刀数为N＝4，每秒取F＝50场图象，则如图1和图4所示有：

△X＝1000/50＝20mm；△P＝△X/4＝20/4＝5mm；

光刀位置取：P0＝0，P1＝5mm，P2＝10mm，P3＝15mm；与光刀位置取：P0＝0，P1＝185mm，P2＝490mm，P3＝675mm；具有同样的测量效果。因为每次采样被测物体都移动△X＝20mm，在△X的整数倍位置上将采样到同一截面，因此光刀的具体位置可以根据光路需要灵活设置，解决了三维测量传感器阵列实现的关键问题。其中K值表示光刀采样位置的绝对差值，本例中P0、P1、P2、P3的对应K值为0，9，27，36即光刀P0的第0次采样分别与光刀P1、P2、P3的9，27，36次采样对应。消除光刀采样绝对差值后，设D_n0，D_n1，D_n2，…，D_nM分别代表Pn光刀在第0，1，2，…，M+1次采样的截面值，则被测物体各个截面合成数据为：D₀₀，D₁₀，D₂₀，D₃₀，D₀₁，D₁₁，D₂₁，D₃₁，…，D_0M，D_1M，D_2M，D_3M

本发明采用了多截面合成三维形面测量技术，在不增加摄像机场频的情况下，利用三维测量传感器阵列的多个光刀同时进行测量，使等效的截面测量速度成倍增加，从而达到了实时在线检测的需要，可广泛用于各种物体三维形面的非接触高速在线测量。

Claims (2)

1.一种多截面合成三维形面测量方法，其特征在于，采用匀速移动被测物体的传送装置，通过用多个光切法三维测量传感器，组成三维测量传感器阵列，同时对被测物体进行测量，并用计算机合成各传感器测量的截面数据，使等效的截面测量速度成倍增加，对物体三维形面尺寸进行实时在线检测；包括如下步骤：

1)在传送装置上设置有放置被测物体的测量基准平面，并能够按速度V匀速移动被测物体；

2)在传送装置上方安置三维测量传感器阵列，并保证三维测量传感器的光刀光轴与传送装置测量基准平面垂直，光刀方向/或线光源的线长度方向与传送装置移动方向垂直；

3)三维测量传感器阵列的光刀数量由要求的测量截面间距和传送装置移动速率决定；

4)三维测量传感器阵列的光刀间距由三维测量传感器几何尺寸、传送装置的移动速率、三维测量传感器阵列的图象采集场频率和光刀数确定；

5)被测物体放置在匀速运动的传送装置的测量基准平面上；

6)被测物体匀速通过三维测量传感器阵列的所有测量光刀，各光刀测量的截面数据送入图像采集和处理装置中；

7)图像采集和处理装置通过合成各光刀测量的截面数据，就可得到整个物体的三维形面坐标。

2.如权利要求1所述的多截面合成三维形面测量方法，其特征在于，所述三维测量传感器阵列的光刀间距由如下方法确定：

设传送装置均速移动，速度为V，三维测量传感器每秒取F场图象，每秒被测物体移动距离△X＝V/F，设三维测量传感器阵列的光刀数为N，则采样间距△P＝△X/N，各个测量光刀位置可取为：

      Pn＝△X·K+n·△P

其中，n＝(0，1，2，…，N-1)为N个光刀，K为正整数，K值可根据三维测量传感器阵列光路需要灵活设置为任意正整数。

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