FI95415C

FI95415C - Optical method for determining the three-dimensional shape of an object

Info

Publication number: FI95415C
Application number: FI933724A
Authority: FI
Inventors: Pertti Puumalainen; Asko Perttilae
Original assignee: Maentsaelaen Saha Ky
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1996-01-25
Also published as: FI933724A7; FI95415B; FI933724A0

Description

9541595415

OPTINEN MENETELMÄ KAPPALEEN KOLMIULOTTEISEN MUODON MÄÄRITTÄMISEKSIOPTICAL METHOD OF DETERMINING THE THREE DIMENSIONAL SHAPE OF A BODY

Keksinnön kohteena on optinen menetelmä kappaleen kolmiulot-5 teisen muodon määrittämiseksi.The invention relates to an optical method for determining the three-dimensional shape of a body.

Nykyään monissa menetelmissä käytetään hyväksi kuvausta, jossa kappaleen muoto, kameran kuvan tasossa, saadaan suoraan mittaamalla ja kappaleen korkeus saadaan usein eri 10 kameralla sivuvalaistuksen varjon pituudesta. Kamerat voivat olla viivakameroita, jolloin esineitä liikutetaan tasokuvan saamiseksi tai matriisikameroita, jolloin saadaan kolmiulotteinen kuva suoraan. Puun ja varsinkin tukkien dimensioiden mittaamiseen on käytetty tekniikkaa, jossa matriisikameralla 15 kuvataan liikkuvaa kohdetta sivusta. Kun esim. lasersuihkusta tehdään viivavalaisu esim. 45° kulmassa tukin pintaan kameran kuvausalueella, kuvaan muodostuu käyrä viiva, joka kuvaa kohteen dimensiovaihtelua kameran kuvaussunnassa. Kun kuvauksia otetaan kahdesta tai kolmesta suunnasta, saadaan 20 kohteen, esim. tukin, poikkileikkauspinta määritettyä. Kun kohdetta liikutetaan pitkittäissuunnassa kameroiden ohi, saadaan kolmiulotteinen kuva muodostettua.Today, many methods utilize imaging in which the shape of the body, in the plane of the camera image, is obtained directly by measurement, and the height of the body is often obtained with different cameras from the length of the side lighting shadow. The cameras can be line cameras, in which objects are moved to obtain a planar image, or matrix cameras, in which a three-dimensional image is obtained directly. To measure the dimensions of wood and especially logs, a technique has been used in which a moving object is photographed from the side with a matrix camera 15. When, for example, a laser beam is subjected to line illumination at an angle of e.g. 45 ° to the surface of the log in the camera's imaging area, a curved line is formed in the image, which describes the dimensional variation of the object in the camera's imaging direction. When images are taken from two or three directions, the cross-sectional area of 20 objects, e.g. a log, can be determined. When the subject is moved longitudinally past the cameras, a three-dimensional image is formed.

Edellä kuvatut menetelmät ovat usein verraten kalliita ja 25 vaativat usein erittäin tehokkaita tietojenkäsittelyjärjestelmiä, eli tunnettujen kaupallisten menetelmien suurimpana heikkoutena on niiden hinta.The methods described above are often relatively expensive and often require very efficient data processing systems, i.e. the main weakness of known commercial methods is their cost.

Keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin menetelmä kappaleen 30 kolmiulotteisen muodon määrittämiseksi, jolla menetelmällä poistetaan nykyisiin menetelmiin liittyviä epäkohtia. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin menetelmä, joka on edullinen, yksinkertainen ja luotettava.It is an object of the invention to provide a method for determining the three-dimensional shape of a body 30 by which method eliminates the drawbacks associated with current methods. In particular, it is an object of the invention to provide a method which is inexpensive, simple and reliable.

35 Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.The object of the invention is achieved by a method characterized by what is stated in the claims.

2 954152 95415

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kappaleen poikkiprofiilin mittauskohdan toiselle puolelle sijoitetaan valoa diffusoi-vaa materiaalia, siihen muodostetaan pyyhkäisevällä laser-suihkulla mitattavan poikkiprofiilin suunnassa liikkuva 5 valolähde, ja kappaleen toiselle puolelle sijoitetaan useita mittalaitteita vastaavasti halutussa poikkiprofiilitasossa, joilla mittalaitteilla havainnoidaan liikkuvaa valolähdettä, jolloin aina mittalaitteessa tapahtuvan valolähteen havaitsemisen päättyminen tai uudelleen havaitseminen merkitsee 10 kappaleen tangentiaalista poikkiprofiilipistettä, jolloin kun valolähteen paikka ajan funktiona tunnetaan, konstruoidaan poikkiprofiilipisteiden avulla kappaleen poikkipro-fiili, ja kun kappaletta liikutetaan suhteellisesti laitteisiin nähden toisessa suunnassa poikkiprofiileja mitattaessa, 15 saadaan peräkkäisten poikkiprofiilien avulla määritetyksi kappaleen kolmiulotteinen ääridimensiokuva. Menetelmä on yksinkertainen, edullinen ja toimii luotettavasti. Keksitty menetelmä sopii parhaiten yksinkertaisten pienehköjen kappaleiden poikkiprofiilin mittaamiseen hyvin nopeasti silloin 20 kun kappaletta siirretään mitattavaa poikkiprofiilia vastaan kohtisuoraan suuntaan. Näin esim. kuljetushihnalla saadaan liikkeen avulla kolmiulotteinen kuva kappaleen dimensiosta. Käyttöaloja on useita, kuten esim. puuteollisuudessa lautojen ja lankkujen dimensioiden valvonta, selluteollisuudessa 25 hakepalojen koon valvonta ja keskiarvojen mittaus, ja yleensä tuotettujen kappaleiden eheyden valvonta liukuhihnalla.In the method according to the invention, a light-diffusing material is placed on one side of the measuring point of the cross-sectional profile of the body, a light source 5 moving in the direction of the cross-section to be measured the end or re-detection of detection means a tangential cross-sectional point of 10 pieces, where when the position of the light source is known as a function of time, the cross-sectional points are constructed with cross-profile points, and The method is simple, inexpensive and works reliably. The invented method is best suited for measuring the cross-sectional profile of simple smaller bodies very rapidly when the body is moved in a direction perpendicular to the cross-sectional profile to be measured. In this way, for example, a three-dimensional image of the dimension of the part is obtained by means of a movement on a conveyor belt. There are several areas of application, such as the control of the dimensions of boards and planks in the wood industry, the control of the size of chips and the measurement of averages in the pulp industry, and the control of the integrity of pieces produced in general with a conveyor belt.

Seuraavaksi keksintöä selvitetään tarkemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa on esitetty keksinnön mukaisen 30 menetelmän periaate ja eräs käytäntöön sovellettu ratkaisu.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows the principle of a method according to the invention and a solution applied in practice.

····

Kuvan mukaiseen laitteistoon kuuluu opaalipintainen lasi 1, jonka päällä mitattavaa kappaletta 3 siirretään, laser 4, pyöritettävä monitahkopeili 5 ja mittalaitteet 6, 7, 8, 35 jotka on sijoitettu vastakkaiselle puolelle kappaletta kuin lasipinta 1. Menetelmän periaatteena on se, että pyyh-. käisemällä lasersuihkulla 10 valoa diffusoivan lasilevyn 1The apparatus according to the figure comprises an opal glass 1 on which the object 3 to be measured is moved, a laser 4, a rotatable polygonal mirror 5 and measuring devices 6, 7, 8, 35 placed on the opposite side of the object from the glass surface 1. The principle of the method is to wipe. by spraying 10 light - diffusing glass plates 1 with a laser jet

IIII

95415 3 yli saadaan aikaan nopeasti liikkuva valolähde 9, joka valaisee kaikkiin suuntiin. Tässä sovelluksessa valolähde 9 on tehty siten, että laserista 4 saatava valosuihku 10 ohjataan pyörivän monitahkoisen peilin 5 kautta pyyhkimään 5 nuolen 2 osoittamaan suuntaan opaalilasin yli. Toisin sanoen opaalilasin pintaan muodostetaan liikkuva valolähde. Poik-keutus voidaan tehdä usealla tavalla, esimerkiksi akusto-optisella hilalla ilman liikkuvia osia tai muulla tunnetulla tavalla.95415 3, a fast-moving light source 9 is provided, which illuminates in all directions. In this embodiment, the light source 9 is made so that the light beam from the laser to be April 10 controlled by the rotary polyhedral mirror 5 to the wipe 2 5 indicate the direction of the arrow over the opal glass. In other words, a moving light source is formed on the surface of the opal glass. The deflection can be made in several ways, for example with an acousto-optical grating without moving parts or in another known way.

1010

Kun on saatu aikaan liikkuva valolähde 9, asetetaan valolähteen kulkusuunnan päälle mitattava kappale 3. Tässä tapauksessa tutkittavana kappaleena on höyläykseen menevä lauta, joka liikkuu kuvan tasosta kohtisuoraan katsojaan päin.When a moving light source 9 is provided, a body 3 to be measured is placed on the direction of travel of the light source. In this case, the body to be examined is a planing board moving from the plane of the image perpendicular to the viewer.

15 Tarkoituksena dimensiovalvonnassa on varmistaa, että lauta on kyllin leveä, ja että se on täysikanttinen eli riittävän korkea kummaltakin puolelta.15 The purpose of dimensional control is to ensure that the board is wide enough and that it is full-beam, ie sufficiently high on both sides.

Tarkastellaan tilannetta, missä valolähdettä siirretään 20 oikeasta reunasta kohti vasenta reunaa. Aluksi kaikki kolme valon intensiteettimittaria, fotodiodia 6, 7, 8, havaitsevat valon. Kun valolähde etenee jonkin matkaa, fotodiodi 6 ei enää havaitse valolähdettä. Mitataan aikaa, ja kun fotodiodi 7 ei enää havaitse valolähdettä, lopetetaan ajanmittaus ja 25 saadaan aika t2. Samalla aloitetaan uusi ajanmittaus, joka lopetetaan kun fotodiodi 7 taas havaitsee valolähteen ja saadaan aika t2 (vastaa kuvaan piirrettyä tilannetta). Tämän jälkeen aloitetaan kolmas ajanmittaus, joka lopetetaan kun fotodiodi 8 havaitsee valon. Tällöin lopetetaan ajanmittaus 30 ja saadaan aika t3. Fotodiodit ovat kaukana eli niiden ·. etäisyydet laudasta ovat huomattavasti suuremmat kuin laudan leveys, ja valolähteen pyyhkäisynopeus on vakio. Pyyh-käisynopeus voidaan mitata asettamalla opaalilasin reunoihin fotodiodit, ja nopeus voi olla esim. 1 cm/ms. Jos foto-35 diodien 6 ja 8 tarkastelukulmat ovat 45’, laudan oikean puolen korkeus saadaan suoraan kaavasta hx = tx x v, laudan . leveys kaavasta 1 = t2 x v ja vasemman puolen korkeus kaa- 4 95415 vasta h a = t3 x v. Kun nopeus on 1 cm/ms, ovat millisekunneissa mitatut ajat suoraan senttimetrejä. Vajaasärmäisyys näkyy seuraavasti: jos alapuolelta esimerkiksi vasemmalta puuttuu kantti, havaitsee fotodiodi 6 valolähteen liian 5 aikaisin verrattuna fotodiodiin 7. Jos yläpuolen nurkista puuttuu kantti, näkyy se tietysti korkeuksien h3 tai h2 pienenemisenä.Consider a situation where a light source is shifted from 20 right edges to the left edge. Initially, all three light intensity meters, photodiodes 6, 7, 8, detect light. When the light source travels some distance, the photodiode 6 no longer detects the light source. The time is measured, and when the photodiode 7 no longer detects the light source, the time measurement is stopped and the time t2 is obtained. At the same time, a new time measurement is started, which is stopped when the photodiode 7 again detects the light source and the time t2 is obtained (corresponds to the situation drawn in the figure). A third timing is then started, which is stopped when the photodiode 8 detects light. In this case, the time measurement 30 is stopped and the time t3 is obtained. Photodiodes are far away i.e. their ·. the distances from the board are considerably greater than the width of the board, and the scanning speed of the light source is constant. The sweep speed can be measured by placing photodiodes on the edges of the opal glass, and the speed can be e.g. 1 cm / ms. If the photo-diodes 35 6 and 8, the viewing angles are 45 ', the right-side board height is obtained directly from the formula t x hours x = x v of the board. the width of the formula 1 t 2 = x 'and the height of the left side of the formula 4 95415 antibody h a t 3 = x v. When the speed of 1 cm / ms, are measured in milliseconds times directly centimeters. Rough edge orientation is shown as follows: if for example the underside of the left edge is missing, a photodiode 6 detects the light source 5 too early compared with the photodiode 7. If the upper edge of the corners missing, it is shown, of course, the heights h 3 and h 2 decrease.

Edelläesitetyssä sovelluksessa käytettiin kolmea fotodiodia 10 ja tarkasteltiin esineen kolmea poikkileikkausdimensiota, jolloin poikkileikkauksien perusteella saadaan liikkuvasta esineestä kolmiulotteinen kuva. Mittaavia fotodiodeja voidaan tietysti lisätä. Tällöin kappaleen poikkileikkaussuunta tulee mitatuksi tarkemmin, koska periaatteessa aina lisää-15 mällä fotodiodi saadaan yksi sivuava raja lisää kappaleen poikkipinnan määrittämistä varten. Menetelmällä ei tietenkään saa kappaleen koverien pintojen koveruutta mitatuksi, vaan aina sivuavat pisteet eli äärirajoja poikkipintatarkas-teluissa. Laserin pyyhkäisytaso taitetaan sivuun valon 20 intensiteettimittareiden kuvaustasosta, jolloin diffuuseris-ta läpimennyt suihku ei osu valonintensiteettimittalaittei-siin.In the above application, three photodiodes 10 were used and three cross-sectional dimensions of the object were considered, whereby a three-dimensional image of a moving object is obtained on the basis of the cross-sections. Measuring photodiodes can of course be added. In this case, the cross-sectional direction of the body becomes more accurately measured, because in principle each time the photodiode is added, one lateral limit is added to determine the cross-sectional area of the body. Of course, the method does not measure the concavity of the concave surfaces of the body, but always the lateral points, i.e. the extremes, in the cross-sectional inspections. The laser scanning plane is folded aside from the imaging plane of the light intensity meters 20 so that the jet passed through the diffuser does not hit the light intensity measuring devices.

Keksintöä ei rajata edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan sitä 25 voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa. Yleisesti ’ ottaen se soveltuu mihin tahansa kappaleiden dimensioiden tarkasteluun, kun vain kappale voidaan asettaa vaadittuun tarkastelugeometriaan.The invention is not limited to the above example, but can be modified within the scope of the claims. In general, ‘it is suitable for any view of the dimensions of objects, as only a part can be placed in the required viewing geometry.

»t I *»T I *

IIII

Claims

An optical method for determining the three-dimensional shape of a body, characterized in that light diffusing material (1) is placed on the other side of the cross-profile measurement point of the body (3), in which it is formed by a sweeping laser beam (10). in the direction of the transverse profile, which is to be measured, concerning the light source (9), and that on the other side of the body several measuring devices (6, 7, 8) are placed in corresponding ways on the desired transverse profile plane, with which the measuring device observes the moving light source (9), wherein always terminating an observation of the light source that occurs in the measuring device (6, 7, 8), or a new occurrence of observation means a tangential transverse profile point of the body (3), whereby the location of the light source as a function of time is known, is constructed with the aid of the cross-profile points the cross-profile of the body, and when the body (3) is moved relative to the members in the other direction when measuring cross-sections, it is possible to use the following consecutive profiles of the body's three-dimensional contour dimension image determined.

A method according to claim 1, characterized in that the sweeping laser beam is formed by directing the light beam coming from the laser (4) over a rotating quantity edge mirror (5) into the diffusing material (1).

A method according to claim 1, characterized in that a bright spot is formed on the opaque surface (1) of the light-diffusing glass, which is placed directly below the body (3) to be measured. * i

A method according to claim 3, characterized in that the laser sweeping plane is folded sideways from the imaging plane of the light intensity meter (6, 7, 8), where the beam passed through the diffuser (1) does not hit the light intensity measuring means (6, 7, 8). .