CN202928538U - 一种基于结构光投影的三维测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，包括底座（3）、安装在底座（3）上的投影机（13）、调整台（5、12）以及安装在调整台（5、12）上的相机（4、11），所述调整台（5）下底面和底座（3）上表面之间连接有拉力部件，并且调整台（5）下底面和底座（3）上表面之间还分别通过滚针（15）和第一螺杆状锁紧旋钮（6）连接，滚针（15）和第一螺杆状锁紧旋钮（6）分别位于拉簧（16、17）的两边。本实用新型能够实现基于结构光投影的动态三维测量，相机和投影机可以各自灵活调节方向，便于使用。另外，本实用新型还具有结构紧凑，体积小，易于封装的技术效果。

Description

一种基于结构光投影的三维测量仪

技术领域

本实用新型涉及计算机视觉测量技术领域，具体地说，本实用新型涉及一种非接触的光学三维测量仪。

背景技术

结构光三维数字成像系统因其非接触、测量速度快、测量效率高、易于自动化和柔性好等优点，被广泛应用于逆向工程、工业品在线检测、虚拟现实、生物医疗、文物保护等领域。但目前绝大部分的结构光三维测量都需要投射多幅编码图案到物体表面完成测量，无法实现运动或者变形过程中物体表面的三维测量。近年来，对于动态三维测量的需求越来越多，如高速在线检测，零件加工变形分析，运动物体检测，人脸表情识别等。

结构光动态测量技术是近几年来结构光检测技术领域的研究热点和重点。为实现结构光动态三维测量，人们提出了多种结构光的编码策略，这些策略主要是通过在单幅图像增加编码信息而减少投影图像数量。基于此，国内外学者提出了多种测量方法，如采用复合编码方法利用信号调制融合多幅图像再解调，用空域编码取代典型的时域编码，或利用彩色RBG实现3幅相移图像的编码投影，这些方法只需较少图像完成动态测量。然而，目前的研究专注于算法，市场上缺乏与之匹配的专用的测量仪器。

因此，当前迫切需要一种基于结构光投影的三维测量仪。

实用新型内容

本实用新型的目的是一种能够实现基于结构光投影的三维测量的三维测量仪。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种基于结构光投影的三维测量仪，包括底座、安装在底座上的投影机、调整台以及安装在调整台上的相机，所述调整台下底面和底座上表面之间连接有拉力部件，并且调整台下底面和底座上表面之间还设置有滚针且所述滚针为所述调整台的旋转枢轴。

其中，所述拉力部件为拉簧。

其中，所述底座具有螺孔，第一螺杆状锁紧旋钮从所述螺孔穿过底座，所述第一螺杆状锁紧旋钮的顶端设置有滚珠，并通过该滚珠与调整台连接。

其中，所述调整台具有螺孔，第一螺杆状锁紧旋钮从所述螺孔穿过调整台，所述第一螺杆状锁紧旋钮的顶端设置有滚珠，并通过该滚珠与底座连接。

其中，所述相机底部设有螺孔，第二螺杆状锁紧旋钮穿过所述调整台与所述相机底部的螺孔配合连接。

其中，所述的基于结构光投影的三维测量仪还包括支架，支架顶端具有万向旋转台，所述底座固定在所述万向旋转台上。

其中，所述相机和调整台各有两个，每个相机分别安装在各自对应的调整台上。

其中，所述投影机安装在底座中部，所述两个相机分别位于所述投影机的两侧。

其中，所述拉簧为两个，均位于所对应的滚针和第一螺杆状锁紧旋钮之间。

其中，一个所述拉簧设置在紧靠所述滚针的位置处。

其中，对于每个调整台，所对应的拉簧为两个，均位于所对应的滚针和第一螺杆状锁紧旋钮之间，并且其中一个拉簧设置在紧靠所述滚针的位置处。

其中，所述的万向旋转台为球形锁紧结构，通过旋钮进行锁紧，且俯仰转动可任意调节。

与现有技术相比，本实用新型具有下列技术效果：

1、本实用新型能够实现基于结构光投影的动态三维测量。

2、本实用新型中，相机和投影机可以各自灵活调节方向，便于使用。

3、本实用新型结构非常紧凑，体积小，易于封装。

附图说明

图1示出了本实用新型的实施例中的基于结构光投影的三维测量仪的结构主视示意图；

图2示出了本实用新型一个实施例中的相机角度调节结构的右视示意图；

图3示出了本实用新型一个实施例中的相机俯仰调节的示意图；

图4示出了本实用新型一个实施例中的相机偏摆调节的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步地描述。

根据本实用新型的一个实施例，提供了一种基于结构光投影的三维测量仪。图1从正面（主视方向）示出了该三维测量仪的结构，如图1所示，该三维测量仪包括具有底座3的外壳2、安装在底座3上的投影机13、调整台5、12以及安装在调整台5、12上的相机4、11。其中外壳2是一面（正面）开口的箱体，外壳2可以与一个相应的挡板（图中未示出）组成封闭箱体，从而将相机4、11和投影机13封装。当挡板取下时，即露出相机4、11和投影机13以便使用。相机和调整台的数目可以根据实际需要确定，例如图1中相机与调整台数目均为二。当然相机和调整台的数目也可以均为一。

该实施例中，调整台与底座连接形成角度调节结构用以调节相机的角度。图2示出了调整台与底座所构成的角度调节结构的右视图，如图2所示，调整台5下底面和底座3上表面之间连接有拉簧16、17，并且，调整台5下底面和底座3上表面之间还分别通过滚针15和第一螺杆状锁紧旋钮6连接。滚针15可以为圆柱形。该实施例中，调整台5下底面和底座3上表面均具有与滚针15相匹配的凹槽，滚针15置于所述凹槽中。滚针的数目为一个即可，当然在调整台宽度较大时，也可以使用一排同轴排列的滚针实现连接。仍然参考图2，该实施例中，底座3具有螺孔，所述第一螺杆状锁紧旋钮6从该螺孔穿过底座3，第一螺杆状锁紧旋钮6的螺杆端设置有滚珠18，并通过该滚珠18（例如钢珠）与调整台5的下底面连接。其中，第一螺杆状锁紧旋钮6的螺纹端上表面和调整台5的下底面均具有与滚珠18相匹配的凹槽，滚珠18嵌入所述凹槽中。当然，第一螺杆状锁紧旋钮6也可以采用其它方式实现与调整台5下底面的连接。例如，在另一实施例中，所述调整台具有螺孔，第一螺杆状锁紧旋钮从该螺孔穿过调整台，第一螺杆状锁紧旋钮的螺纹端设置有滚珠，并通过该滚珠与底座连接。另外，上述实施例中，拉簧也可以用其它拉力部件代替，这是本领域普通技术人员易于理解的。

参考图2，滚针15和第一螺杆状锁紧旋钮6分别位于拉簧16、17的两边。这样，一方面拉簧16、17的拉力使得调整台5向底座3靠拢，进而使得调整台5和底座3之间的连接稳固，另一方面，调整台5相对于底座3的俯仰角度可调。旋转第一螺杆状锁紧旋钮6，通过滚珠18将调整台5后端支起，如图3所示，此时调整台5会以滚针15为枢轴旋转，使相机向俯视的方向调整，而当松开第一螺杆状锁紧旋钮6时，拉簧16、17的拉力会将调整台5拉回来，使相机向仰视的方向调整，这样，就实现了相机俯仰角度的调节，因此，第一螺杆状锁紧旋钮6也可称为俯仰调节旋钮。所述基于结构光投影的三维测量仪还可实现相机偏摆角度的调节。在所述相机4底部设置有螺孔，第二螺杆状锁紧旋钮7穿过所述调整台与所述相机4底部的螺孔配合连接。第二螺杆状锁紧旋钮7也可称为偏摆调节旋钮。松开第二螺杆状锁紧旋钮7时，相机4解除锁紧状态，此时可调整相机4偏摆的角度（参考图4），确定好调整角度后，旋转第二螺杆状锁紧旋钮7，将相机镜头4锁死，固定偏摆角度。上述俯仰及偏摆角度调节结构非常紧凑，体积小，易于封装。

滚针15与第一螺杆状锁紧旋钮6之间的拉簧既可以为一个，也可以为多个。在一个实施例中所述拉簧为两个，这两个拉簧均位于所对应的滚针15和第一螺杆状锁紧旋钮6之间。相对于单个拉簧，两个拉簧可以使调整台5的受力更加均匀。优选地，其中一个拉簧17设置在紧靠所述滚针15的位置处，这样可以使滚针的连接更加牢固，防止其滑脱。当然，在仅使用一个拉簧时，该拉簧也可以设置在紧靠所述滚针的位置处，同样能起到防止滚针滑脱的作用。

参考图1，在一个实施例中，所述的基于结构光投影的三维测量仪还包括支架14，支架14顶端具有万向旋转台8，所述底座3固定在所述万向旋转台8上。万向旋转台8可以采用球形锁紧结构，通过旋钮进行锁紧，且俯仰、偏摆可任意调节。在使用时，先通过万向旋转台8调整投影机13的角度，然后再利用第一螺杆状锁紧旋钮6调整相机的俯仰角，最后再调整相机的偏摆角并由第二螺杆状锁紧旋钮7固定。当然，所述三维测量仪的支架14可以制成可拆卸的形式，以方便携带和使用。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述相机和调整台各有两个，每个相机分别安装在各自对应的调整台上，以便于每个相机各自的俯仰角度调节。所述投影机13安装在底座3中部，所述两个相机4、11分别位于所述投影机13的两侧。优选地，对于每个调整台，所对应的拉簧为两个，均位于所对应的滚针和第一螺杆状锁紧旋钮之间，并且其中一个拉簧设置在紧靠所述滚针的位置处。两个相机4、11分别通过第一螺杆状锁紧旋钮6、9调整俯仰角度，通过第二螺杆状锁紧旋钮7、10调整偏摆角度。当然，某些三维测量算法可能只需要一个相机，因此本领域普通技术人员易于理解，在另外的实施例中，相机也可以只有一个，且安装在一个与其对应的调整台上。

参考图1，在一个优选实施例中，所述三维测量仪还包括计算机1。相机4、11和投影机13各自通过数据线与所述计算机1互联。计算机一方面生成编码结构光图像以供投影机使用，另一方面接收相机所采集的图像数据并通过相应的算法得出所测物体表面的三维图像。优选地，投影机采用彩色条纹伪随机序列与正弦灰度光栅图像相结合的编码结构光。此时计算机负责产生彩色的结构光到投影机（例如数字投影仪），将彩色结构光投射到被测物体表面进行测量，相机（例如数字相机）采集变形的条纹图并将其传输给计算机，经过颜色判别、亮度提取、条纹级次确定、相位值求解等过程，最后计算得到被测物体的三维形貌图。当然，投影机也可以采用复合编码结构光（利用信号调制融合多幅图像再解调，用空域编码取代典型的时域编码的结构光），利用彩色RBG实现三幅相移图像的编码结构光等其它类型的结构光，这是本领域技术人员易于理解的。

下面示例性地给出利用上述三维测量仪测量物体表面的方法。

以具有两个相机的基于结构光投影的三维测量仪为例，在实际操作时，其测量过程包括以下几个步骤：

A、准备：

a1、用数据线将相机与计算机互联，用数据线将投影机与计算机互联。打开计算机1和数字投影机的电源开关。

a2、通过万向旋转台来调节整机的俯仰，使得投影机对准合适的测量区域。然后，调整两个数字相机的俯仰和偏摆，使两个相机皆可对被测物体进行完整且清晰的成像。以第一数字相机为例，第一数字相机放置在调整台一上，当松开第二螺杆状锁紧旋钮时，可调节第一数字相机的偏摆，可使第一数字相机在360°任意角度转动；当调整第一螺杆状锁紧旋钮时，在第一弹簧、第二弹簧以及钢珠共同的作用力下，可改变第一调整台和第一数字相机的俯仰。同理，可按此方法调节第二数字相机的偏摆和俯仰。

B、标定：利用标定靶对整个测量仪进行标定，建立空间物理坐标与成像面像素坐标之间的关系，求解出系统的内、外参数，为后续三维重建做出必要的准备。

C、测量：

c1、用计算机产生彩色结构光，即彩色条纹伪随机序列与正弦灰度光栅图像相结合的彩色光栅，输入到数字投影机13，通过投影机13将该结构光投射到被测物体表面。

c2、利用第一数字相机、第二数字相机从不同角度同时采集受到被测物体调制的变形条纹图。将得到的两幅图像通过数据线传输到计算机。

c3、分别对两幅图像进行颜色判别、亮度提取、条纹级次确定、相位值求解等过程，通过求解出的相位值对两个相机之间的对应点进行匹配，并结合标定出来的系统内、外参数最终求出被测物体的三维数据。

上述的实施例仅用来说明本实用新型，它不应该理解为是对本实用新型的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，包括底座（3）、安装在底座（3）上的投影机（13）、调整台（5、12）以及安装在调整台（5、12）上的相机（4、11），所述调整台（5）下底面和底座（3）上表面之间连接有拉力部件，并且调整台（5）下底面和底座（3）上表面之间还设置有滚针（15）且所述滚针（15）为所述调整台（5、12）的旋转枢轴。

2.根据权利要求1所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述拉力部件为拉簧。

3.根据权利要求2所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述底座（3）具有螺孔，第一螺杆状锁紧旋钮（6）从所述螺孔穿过底座（3），所述第一螺杆状锁紧旋钮（6）的螺纹端设置有滚珠（18），并通过该滚珠（18）与调整台（5）连接。

4.根据权利要求2所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述调整台（5）具有螺孔，第一螺杆状锁紧旋钮（6）从所述螺孔穿过调整台（5），所述第一螺杆状锁紧旋钮（6）的顶端设置有滚珠（18），并通过该滚珠（18）与底座（3）连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述相机（4）底部设有螺孔，第二螺杆状锁紧旋钮（7）穿过所述调整台（5）与所述相机（4）底部的螺孔配合连接。

6.根据权利要求5所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述的基于结构光投影的三维测量仪还包括支架（14），支架（14）顶端具有万向旋转台（8），所述底座（3）固定在所述万向旋转台（8）上。

7.根据权利要求2至4任一项所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述相机（4、11）和调整台（5、12）各有两个，每个相机（4、11）分别安装在各自对应的调整台（5、12）上，所述投影机（13）安装在底座（3）中部，所述两个相机（4、11）分别位于所述投影机（13）的两侧。

8.根据权利要求1至3任一项所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，所述拉簧为两个，均位于所对应的滚针（15）和第一螺杆状锁紧旋钮（6）之间。

9.根据权利要求2至4任一项所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，一个所述拉簧（17）设置在紧靠所述滚针的位置处。

10.根据权利要求7所述的基于结构光投影的三维测量仪，其特征在于，对于每个调整台（5），所对应的拉簧（16、17）为两个，均位于所对应的滚针（15）和第一螺杆状锁紧旋钮（6）之间，并且其中一个拉簧（17）设置在紧靠所述滚针的位置处。

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