CN202853566U - 一种基于投影标靶的光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于投影标靶的光学测量系统，主要由摄像机、投影标靶和计算机依次连接而成的，所述投影标靶包括微型投影仪、测量杆及测量头。本实用新型所述系统体积小、便于携带，具有测量精度高的特点，适用于光学设备技术领域。

Description

一种基于投影标靶的光学测量系统

技术领域

本实用新型属于光学设备技术领域，涉及一种基于投影标靶的光学测量系统。 

背景技术

标靶技术在机器视觉、工业检测、实物仿型等领域有着广泛的应用。标靶制作中，由于三维立体标靶的制作成本较高，且加工精度受到一定的限制，所以在应用中更多地采用制作相对容易的二维平面标靶。 

在传统的视觉测量技术中，采用一个校准后的摄像机和一个辅助标靶(辅助标靶可视为一种二维标靶)可以进行光学测量。辅助标靶上有3个以上的标记点和一个与被测物体接触的测点。标记点和测点在辅助测量棒坐标系中的坐标可预先精密测定。视觉测量系统只要测出标记点的坐标就可计算出测点坐标，进而得到物体表面该点的三维空间坐标。在采用辅助标靶进行三维测量的过程中，由于辅助标靶标记点个数较少，以及标记点定位的精度有限，会导致最终测量结果的精度有限。 

实用新型内容

为了克服现有资源和技术中的缺陷，解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于投影标靶的光学测量系统。 

其技术方案如下： 

一种基于投影标靶的光学测量系统，主要由摄像机、投影标靶和计算机依次连接而成的，所述投影标靶包括微型投影仪、测量杆及测量头。微型投影仪外接电脑。微型投影仪投出条纹图像到投影屏上，投影屏后面的摄像机采集投影屏上的图像，摄像机与计算机相连，通过计算机使用条纹分析方法计算其相位分布，以建立标靶上投影主点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定标靶测量头的三维空间坐标位置。进一步优选，所述摄像机为CCD摄像机。 

投影标靶可以用手持的方法在被测物体表面上移动，测量头与物体表面接触，摄像机获取投影标靶中投影仪投出的图像信息，计算机通过条纹分析方法建立标靶显示屏上各点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定测量头中心的三维空间坐标位置。对被测表面进行多点测量后，可计算出物体三维面形。 

投影标靶也可以用机械三维移动台(类似于三坐标测量机的移动台)驱动，当测量头与被测表面接触时，测量头上的微动开关控制摄像机获取投影标靶中微型投影仪投出的光栅图像信息，计算机通过条纹分析方法建立标靶显示屏上各点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定测量头中心的三维空间坐标位置。 

本实用新型的有益效果： 

1、本实用新型使用微型投影仪作为投影标靶，投影条纹的标记点数量可以根据需要进行适当的改变； 

2、本实用新型中标记点数量的大量增多，以及采用条纹分析方法能得到更准确的标记点定位，可以使测量结果的精度得到进一步的提高； 

3、本实用新型基于投影标靶的光学测量系统体积小，轻便，便于移动及携带： 

4、本实用新型的微型投影仪，将其用于制作投影标靶时工艺简单。 

附图说明

图1为本实用新型基于投影标靶的光学测量系统的结构示意图； 

图2为本实用新型基于投影标靶的光学测量系统的投影测量杆的结构示意图； 

图3为本实用新型基于投影标靶的光学测量系统的原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。 

参照图1和图2，一种基于投影标靶的光学测量系统，主要由摄像机、投影标靶和计算机依次连接而成的，所述投影标靶包括微型投影仪、测量杆及测量头。微型投影仪外接电脑。微型投影仪投出条纹图像到投影屏上，投影屏后面的摄像机采集投影屏上的图像，摄像机与计算机相连，通过计算机使用条纹分析方法计算其相位分布，以建立标靶上投影主点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定标靶测量头的三维空间坐标位置。进一步优选，所述摄像机为CCD摄像机。 

投影标靶可以用手持的方法在被测物体表面上移动，测量头与物体表面接触，摄像机获取投影标靶中投影仪投出的图像信息，计算机通过条纹分析方法建立标靶显示屏上各点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定测量头中心的三维空间坐标位置。对被测表面进行多点测量后，可计算出物体三维面形。 

投影标靶也可以用机械三维移动台(类似于三坐标测量机的移动台)驱动，当测量头与被测表面接触时，测量头上的微动开关控制摄像机获取投影标靶中微型投影仪投出的光栅图像信息，计算机通过条纹分析方法建立标靶显示屏上各点与摄像机像素点之间的对应关系，进而确定测量头中心的三维空间坐标位置。 

条纹图像投影到接收探测器表面上时，从成像系统获得的变形条纹可以描述为： 

I(x，y)＝R(x，y)[A(x，y)+B(x，y)cosφ(x，y)]   (1) 

式中，R(x，y)是强度变换函数，A(x，y)表示背景强度，B(x，y)/A(x，y)是条纹的对比。相位函数φ(x，y)由投影条纹的相位函数和投影仪与探测器之间的相对位置确定。 

不失一般性，假设投影条纹图形的相位函数设计为同心圆相位分布，可以表示为： 

其中，r为光栅上任意一点到光栅中心的距离，λ、C为一常数。 

根据(2)式，结合几何关系可以计算出探测器上变形条纹的相位分布，可以得到探测器上个点对应的x、y坐标。即通过相位的测量，可以建立探测器上各点与投影仪之间的对应关系。在这里，条纹的相位信息对建立和识别探测器图像坐标和投影仪的空间坐标关系起了重要作用。 

当采用本实用新型进行光学三坐标测量时： 

微型投影仪投条纹到投影屏上，在投影屏上形成的条纹由投影屏后面的CCD相机接收，CCD摄像机与微型投影仪位于投影屏的两侧。投影屏上某点的坐标与其在图像中对应点的相互关系是由CCD相机的几何成像模型决定的。在这里，几何成像模型的参数即为CCD摄像机的内、外参数。进行坐标测量就需要通过对CCD摄像机进行标定来确定这些参数。摄像机标定后，再将整个CCD摄像机的坐标系统固定，目的是保证xyz坐标系统的测量位置可以正确的位于CCD摄像机上。 

有了上述关系后，可以进行光学三维坐标测量。摄像机和投影屏保持不动，由微型投影仪投影条纹图像到投影屏上。微型投影仪可由机械手固定；也可以附着在带接触测头的三维移动装置上。测量时，通过摄像机拍摄投影屏上的条纹图像来确定微型投影仪在世界坐标系中的空间坐标和姿态。由于已知“测量头”在微型投影仪坐标系内的空间坐标，由此就可以获得测量头与物体接触点的空间绝对坐标。 

基于投影标靶的光学测量系统原理如图3所示，通过计算机产生(2)式所示的条纹图像，并通过投影仪投影到投影屏上，微型投影仪下端的O点为测量杆与精密电控平移台的共同测头。由精密电控平移台控制测量杆在三维空间内移动，记录下测量杆的测头在每一个位置时 的三维坐标，同时由摄像机同步拍摄对应位置的投影屏上的条纹图像，再根据上述所提的算法对所拍图像进行分析，最终计算出标靶每次的移动距离。 

本实验根据该方法在探测有效区域内的不同位置重复测量5次，测量得到x、Z坐标误差及对应的RMS精度如表1所示。 

表1多次测量误差的实验结果(单位：微米) 

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。 

Claims (2)

1.一种基于投影标靶的光学测量系统，其特征在于，主要由摄像机、投影标靶和计算机依次连接而成的，所述投影标靶包括微型投影仪、测量杆及测量头。 

2.根据权利要求1所述基于投影标靶的光学测量系统，其特征在于：所述摄像机为CCD摄像机。 

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