RU164082U1 - Устройство контроля линейных размеров трехмерных объектов - Google Patents

Abstract

1. Устройство для выполнения 3Д измерений объекта, содержащее общий корпус, в котором размещены проектор с транспарантом заданного изображения с периодической структурой, состоящей из линий, и с источником света для проецирования на исследуемый объект указанного изображения, ориентированного вдоль одной из продольных осей с постоянным расстоянием между ними, и камеру с матрицей пикселей для регистрации отраженного изображения, размещенную с образованием триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральным лучом камеры, а также ЭВМ с процессором для определения координат и с монитором для формирования 3Д изображения объекта, при этом расстояние между проектором и камерой выбрано равным произведению расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней, отличающееся тем, что проектор выполнен с транспарантом изображения, состоящего из двух пересекающихся групп линий, в каждой группе линии параллельны между собой и расположены под углом к вертикальной оси плоскости триангуляционного угла, при этом процессор ЭВМ выполнен с возможностью определения и идентификации на матрице камеры точек в зоне пересечения каждой пары регистрируемых ей линий между собой и со столбцами и строками пикселей матрицы камеры, причем группы параллельных проецируемых линий изображения на транспаранте проектора выполнены таким образом, что одна из каждых взаимно перпендикулярных линий расположена под острым утлом к столбцам, а другая - к строкам пикселей матрицы камеры, выбранным из соотношения β=arcsin(Tv2·M/((z2-z1)·sinα)), где β - угол расположения проецируемых линий, Tv2 -

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и представляет собой устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D-модель, т.е. функционально представляющее собой активный 3Д сканер. Устройство предназначено для визуализации и измерения профилей трехмерных объектов путем наблюдения спроецированного заранее известного изображения под разными триангуляционными углами.

Известно устройство контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем координатам, который заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по величине искажений изображения структуры зондирующей подсветки, а двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении (WO 99/58930).

Недостатками известного устройства является высокая погрешность, обусловленная тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта, модулированного по одной координате транспарантом с неизменной периодической структурой оптического изучения, нельзя предусмотреть либо заранее учесть искажения картины, вызванные различными отражательными свойствами поверхности и глубокими впадинами, которые невозможно идентифицировать без априорной информации о макроструктуре поверхности контролируемого объекта.

Известно устройство для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Работа устройства заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных полос, создаваемая путем пространственной модуляции вдоль одной координаты интенсивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. О контролируемых размерах судят по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат (WO 00/70303).

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением спектрального коэффициента отражения, зависящего от цвета какого-либо участка поверхности контролируемого объекта. Если же контролируемый объект представляет собою совокупность локальных компонент, например множество лопаток турбины, восстановление топологии такого объекта и последующий контроль линейных размеров невозможен.

Известно устройство оптического измерения формы поверхности, включающий размещение поверхности в поле освещения проекционной оптической системы и одновременно в поле зрения устройства для регистрации изображений упомянутой поверхности, проецирование с помощью упомянутой проекционной оптической системы на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям. При этом на упомянутую поверхность проецируют поочередно как минимум три периодические распределения интенсивности освещенности, представляющие собой набор полос, интенсивность которых в поперечном направлении меняется по синусоидальному закону, причем упомянутые периодические распределения интенсивности освещенности отличаются сдвигом этого набора полос в направлении, перпендикулярном полосам, на контролируемую величину в пределах полосы, обрабатывают зарегистрированные изображения для получения предварительного фазового распределения, содержащего фазы, соответствующие точкам поверхности. Кроме того, на упомянутую поверхность однократно проецируют дополнительное распределение интенсивности освещенности, позволяющее для каждой точки упомянутой поверхности определить номер полосы из упомянутого набора полос, регистрируют дополнительное изображение упомянутой поверхности, получают для каждой видимой точки упомянутой поверхности результирующее фазовое распределение, исходя из упомянутого изображения объекта, освещенного предварительным фазовым распределением, и упомянутого изображения объекта, освещенного дополнительным распределением освещенности. А из упомянутого результирующего фазового распределения получают абсолютные координаты точек упомянутой поверхности с использованием данных предварительной калибровки. При проведении измерений известными устройствами предполагается, что регистрация изображения каждой точки поверхности происходит в условиях, когда ее освещение происходит только прямым лучом проектора, и освещенность изображения данной точки объекта на регистраторе изображений считается пропорциональной яркости луча, падающего на эту точку непосредственно от проектора (RU №2148793).

Недостатками данного устройства являются сложность реализации и длительность процесса, требующая значительного времени для проведения измерений и допускающая возникновение погрешностей, в случае механических колебаний положения аппаратуры - проектора и камеры.

Известное устройство для выполнения 3Д измерений объекта при помощи структурированной подсветки содержит проектор для проецирования на исследуемый объект изображения, имеющего, по меньшей мере, две непересекающиеся линии вдоль одной из продольных осей и, по меньшей мере, две камеры для регистрации положении изображения, размещенные на разных расстояниях от проектора с образованием разных триангуляционных углов между центральным лучом проектора и центральными лучами камер, с возможностью подключения процессора ЭВМ для измерения и определения координат и монитора для формирования 3Д изображения объекта, при этом расстояние между проектором и ближайшей к нему камерой выбирается как произведение расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней. Проектор и камера размещены в одном общем корпусе и снабжены средствами подключения к переносному или стационарному процессору ЭВМ. При этом определяют на изображении первой камеры продольные координаты центров линий по их ширине, как самые яркие пиксели, а для дальнейшего уточнения вертикальной координаты оно содержит третью, четвертую и последующие камеры. В частных случаях реализации устройство снабжено полупрозрачным зеркалом или призмой, а, по меньшей мере, две камеры располагают с разных сторон от проектора, причем указанное зеркало располагают в положении пересечения центральных лучей проектора и, предпочтительно, первой камеры.

При этом процессор ЭВМ выполнен с программным обеспечением процедуры измерений, при которой производят идентификацию каждой линии, проецированной проектором и образованной отраженным светом, принятым каждой камерой, путем сравнения координат линий, принятых камерами, при этом триангуляционный угол между центральным лучом проектора и центральными лучом первой камеры, расположенной на минимальном расстоянии от проектора, выбирают равным арктангенсу отношения расстояния между проецируемыми полосами к глубине резкости объектива этой камеры, определяют на изображении первой камеры продольные координаты центров линий и вертикальные координаты, как частное от деления продольной координаты на тангенс триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральными лучом первой камеры, а для уточнения вертикальной координаты используют ее значение, полученное с помощью второй камеры, расположенной под большим, чем первая, триангуляционным углом, для чего идентифицируют на изображении второй камеры местонахождение тех же линий как наиболее приближенных к продольным координатам, вычисленным в виде произведения упомянутой вертикальной координаты, определенной с помощью первой камеры, на тангенс триангуляционного угла второй камеры, а затем определяют для этих линий уточненные значение продольной и вертикальной координат.(RU 125335, прототип).

Недостатками данного устройства являются неравномерность получаемых измерений по оси Y, недостаточная чувствительность по оси Z, в результате чего имеет место возможность достаточно значительной погрешности измерений, особенно, мелких объектов. Эти недостатки обусловлены тем, что при проецировании на объект непрерывных сплошных линий, эти линии проецируются с некоторым периодом между ними, из за этого существует неравномерность получаемых измерений по оси Y. Кроме того, не рационально используется площадь сенсора или приемника камеры и ограничена чувствительность 3Д сканирования по оси Z. При этом по оси Y мы получаем измерения через период обычно это от через каждые 5-10 пикселей на изображении камеры, а по оси X измерения можно получать в каждом пикселе, через который проходит линия и таким образом разрешение вдоль оси X раз в 5-10 больше чем по оси Y. Недостатками данного способа являются, то что при его реализации требуется как минимум две камеры а лучше три и более, и возможность существенных погрешностей в случае использования одной камеры при определении координаты Z, связанная с погрешностями определения точек вдоль отраженной объектом линии и принятого камерой поля связанное с периодом на столбцах и строках пикселей матрицы камеры, причем принятое поле, связанное с периодом отраженной линии располагается на большом возможном числе столбцов и строк пикселей матрицы камеры. Изображение, полученное на первой камере которая расположена под малым углом к проектору и где область куда может быть спроецирована линия никогда не занимает область другой линии где бы не находился объект в рабочей зоне от которого отразилась линия, но точность определения координат 3д не очень большая и для уточнения используется вторая камера.

Поле линии на изображении камеры это область из пикселей матрицы камеры, где может находиться центр спроецированной линии, размер поля зависит от периода между спроецированными линиями и от толщины спроецированной линии. Без использования второй камеры практически невозможно уточнение зоны расположения проекций точек объекта на матрице.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного устройства для выполнения 3Д измерений объекта при помощи структурированной подсветки и расширение арсенала устройств выполнения 3Д измерений объекта при помощи структурированной подсветки.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в сокращении длительности и сокращении возможности погрешностей измерений и построений изображения исследуемого объекта, связанных с погрешностями определения точек вдоль отраженной объектом линии и принятого камерой поля на столбцах и строках пикселей матрицы камеры, так как поиск и формирование на изображении камеры каждой точки производится по двум линиям, а именно, как точка пересечения двух взаимно перпендикулярных линий, что практически исключает возможность ошибочного поиска точки вдоль линии и ошибочного определения номера линии, причем принятое поле отраженных пересекающихся линий, повернутых относительно столбцов и строк матрицы, располагается на минимально возможном числе столбцов и строк пикселей матрицы единственной камеры, необходимой для реализации заявляемого способа. В предложенной заявке роль второй камеры выполняют спроецированные горизонтальные линии перпендикулярные к вертикальным, все точки пересечения вертикальных и горизонтальных линий однозначно задают номера горизонтальных линий, определение 3д координат происходит либо по точкам пересечения линий либо по горизонтальным линиям, и все происходит с помощью одной камеры, и на изображении одной камеры.

В результате область неопределенности - поле нахождения искомой точки - содержит минимальное количество пикселей и, следовательно, существенно меньше, чем при реализации известных способов.

Сущность полезной модели состоит в том, что устройство для выполнения 3Д измерений объекта содержит общий корпус, в котором размещены проектор с транспарантом заданного изображения с периодической структурой, состоящей из линий, и с источником света для проецирования на исследуемый объект указанного изображения, ориентированного вдоль одной из продольных осей с постоянным расстоянием между ними и камера с матрицей пикселей для регистрации отраженного изображения, размещенную с образованием триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральным лучом камеры, а также ЭВМ с процессором для определения координат и с монитором для формирования 3Д изображения объекта, при этом расстояние между проектором и камерой выбрано равным произведению расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней, отличающееся тем, что проектор выполнен с транспарантом изображения, состоящего из двух пересекающихся групп линий, в каждой группе линии параллельны между собой и расположены под углом к вертикальной оси плоскости триангуляционного угла, при этом процессор ЭВМ выполнен с возможностью определения и идентификации на матрице камеры точек в зоне пересечения каждой пары регистрируемых ей линий между собой и со столбцами и строками пикселей матрицы камеры.

Предпочтительно, группы параллельных проецируемых линий изображения на транспаранте проектора выполнены попарно взаимно перпендикулярными, а линии в каждой группе расположены на равных расстояниях между ними, при этом угол наклона проецируемых линий выполнен острым.

Предпочтительно, группы параллельных проецируемых линий изображения на транспаранте проектора выполнены таким образом, что одна из каждых взаимно перпендикулярных линий расположена под острым углом к столбцам, а другая - к строкам пикселей матрицы камеры, выбранным из соотношения: β=arcsin(Tv2*M/((z2-z1)*sinα)), где: β - угол расположения проецируемых линий, Tv2 - расстояние между соседними проецируемыми линиями, М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, Z1 и Z2 - границы совместной рабочей зоны проектора 1 и камеры 5, α - триангуляционный угол.

Предпочтительно, процессор ЭВМ выполнен с возможностью для каждой найденной на матрице точки пересечения пары спроецированных линий с вертикальным столбцом определять как координату Xn точки N на объекте, точки пересечения горизонтальной строки пикселей с этой парой линий определять как координату Yn на объекте, а координату Z определять из соотношения Z=M*Yn/sin(α), где М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, α - триангуляционный угол.

На чертеже фиг. 1 изображена схема расположения проектора и камеры в устройстве при проецировании одной горизонтальной линии на объект; на фиг. 2 - схема расположения проектора и камеры при проецировании линии, повернутой на угол β относительно столбцов и строк пикселей камеры на объект; на фиг. 3 - схема расположения проектора и камеры при проецировании линии, двух взаимно перпендикулярных линий, повернутых относительно столбцов и строк пикселей камеры, на объект; на фиг. 4 - точки пересечения спроецированных на объект взаимно перпендикулярных линий и столбцов пикселей на матрице камеры; на фиг. 5 - область неопределенности, образованная при пересечении столбца матрицы камеры и спроецированных на объект взаимно перпендикулярных линий, на фиг. 6 - устройство в сборе.

На чертежах позициями обозначены проектор 1, состоящий из источника 2 излучения, трафарета 3 проецируемого изображения, объектива 4. Камера 5 включает в себя приемную матрицу 6 и идентичный объективу проектора объектив 4. Проектор 1 и камера 5, а также ЭВМ, имеющая процессор 16 и монитор 17, скреплены между собой с помощью соединительных средств и электрических связей в единое устройство, функционально и конструктивно объединенное в общем корпусе 18 (изображен условно), пригодное для хранения, транспортирования и введения в гражданский оборот. Место (стол) для размещения объекта 7 измерений может крепиться к общему корпусу 18 или быть выполнено заодно с ним.

Трафарет 3 (идентично: транспарант, шаблон, слайд и т.п.), например, тонкая пластина, обладающая в разных точках плоскости, на которую падает световой луч источника 2 излучения, различной поглощательной способностью или показателем преломления встроена в проектор 1. Проектор 1 и камера 5 размещены на расстоянии А между их объективами 4 с образованием триангуляционного угла α между центральным лучом проектора 1 и центральным лучом камеры 5 и триангуляционной плоскости. При этом Z1 и Z2 на фиг. 1 - границы (глубина) совместной рабочей зоны проектора 1 и камеры 5. Рабочая зона сканера выглядит геометрически как область пространства где пересекаются лучи проектора, который формирует изображение на объекте и лучи, ограничивающие поле зрения камеры.

На фиг. 1 проецируемая проектором 1 на измеряемый объект 7 горизонтальная линия 8 отражается на последнем и принимается пикселями на матрице 6 камеры 5 в области Ly (ограниченной на чертеже горизонтальными пунктирными линиями) на всей ширине матрицы 6. На фиг. 2 пересечение горизонтальной линии 8 и линии 9, проецируемой под углом β на измеряемый объект 7, отражаются на последнем и принимаются пикселями на матрице 6 камеры 5 в области Lу*Tv2, содержащей значительно меньшее количество пикселей, располагаемых в области, ограниченной на чертеже наклонными и горизонтальными пунктирными линиями, являющимися принятыми изображениями взаимно перпендикулярных линий 8 и 9, повернутых под углом β в плоскости трафарета 3 и, следовательно, под углом β к столбцам и строкам пикселей в плоскости матрицы 6 камеры 5.

На фиг. 3 пересечение взаимно перпендикулярных линий 10 и 11, проецируемых под острым углом β на измеряемый объект 7, отражается на последнем и принимаются пикселями на матрице 6 камеры 5 в зоне пересечения, содержащей еще меньшее количество пикселей, располагаемых в области, ограниченной на столбце 13 пикселей наклонными пунктирными линиями, являющимися принятыми изображениями линий 10 и 11.

На фиг. 4 сверху изображено пересечение взаимно перпендикулярных линий 9 и 11, 12, проецируемых под углом

на измеряемый объект 7, которые отражаются на последнем и принимаются двумя столбцами 13, 14 пикселей на матрице 6 камеры 5 в области, содержащей минимальное количество столбцов и строк пикселей, располагаемых в зоне, ограниченной на чертеже двумя жирными точками, являющимися принятыми изображениями точек пересечения линии 9 и линий 11 и 12.

На фиг. 4 снизу изображено пересечение группы взаимно перпендикулярных линий 9 и 11, 12, проецируемых под углом

к триангуляционной плоскости (и столбцам и строкам пикселей матрицы камеры) на измеряемый объект 7, которые отражаются на последнем и принимаются двумя столбцами 13, 14 пикселей на матрице 6 камеры 5 в области, содержащей минимальное количество столбцов и строк пикселей, располагаемых в области, ограниченной на чертеже четырьмя жирными точками, являющимися принятыми изображениями точек пересечения проецируемых линий.

На фиг. 5 изображено принятое поле 15 отраженных пересекающихся полей (толщиной b) линий 9, 11, повернутых относительно триангуляционной плоскости и столбца 13 матрицы, которое располагается на минимально возможном числе столбцов и строк пикселей матрицы 6 камеры 5.

Устройство функционирует следующим образом.

Работа заявляемого устройства заключается в проецировании проектором 1 на поверхность объекта 7 изображения с периодической структурой. Отраженный от объекта 7 свет проектора 1 регистрируют с помощью пикселей приемной матрицы 6 камеры 5, смещенной на расстояние А по отношению к проецирующей системе проектора 1 и размещенной с образованием триангуляционного угла а между центральным лучом проектора 1 и центральным лучом камеры 5.

С помощью проектора 1 единовременно проецируют на исследуемый объект 7 изображение с периодической структурой, состоящее из двух групп попарно пересекающихся линий, например, взаимно перпендикулярных, линий 9, 10, 11, расположенных под острым углом β к плоскости триангуляционного угла (триангуляционной плоскости), т.е., как правило, и к столбцам 13 и строкам пикселей матрицы 6 камеры 5, регистрируют отраженный от объекта 7 свет проектора 1 с помощью пикселей приемной матрицы 6 камеры 5. Одна из групп линий обеспечивает первоначальное измерение формы объекта 7, а вторая группа (например, перпендикулярная первой) - ее уточнение.

На фиг. 1 проектор 1 проецирует, как и в известных аналогах, изображение трафарета 3, состоящее из одной горизонтальной линии 8, которая проходит через центр изображения проектора 1. Камера 5 наблюдает объект 7 под углом α и линия 8 отраженная от объекта 7 проецируется на матрицу 6 камеры 5 в разных местах в зоне Ly в зависимости от положения объекта 7 в рабочей зоне z1-z2. При этом Ly=((z1-z2)*sin(α))/M, где М - масштабный коэффициент объектива 4, который используется для проецирования изображения на матрицу 6 камеры 5, Таким образом, можно наблюдать, что спроецированная линия 8 может занять любое положение в диапазоне Ly на матрице 6 камеры в зависимости от положения объекта 7 в рабочей зоне. Из этого следует что, чтобы однозначно определять и не путать на матрице 6 камеры 5 хотя бы спроецированные линии, нужно проецировать линии с периодом больше чем Ly т.е. Тv1>Ly=((z1-z2)*sin(α))/M.

В данном случае для упрощения предполагается, что одинаковый объектив 4 с одинаковым масштабным коэффициентом может быть использован и для проектора 1 и для камеры 5. Если используются разные объективы, то в значении М нужно учитывать отношение масштабов между разными проекционными объективами на проекторе 1 и на камере 5. М может быть не просто числом, но и матрицей для каждого объектива, которая содержит в себе поправки масштаба по горизонтальному и вертикальному направлению проецируемого изображения. Эти поправки служат для коррекции дисторсии (оптическое искажение пространства) объектива.

Если повернуть изображение в проекторе 1 проецировать не горизонтальные линии, а линии 9, расположенные под углом β к триангуляционной плоскости, как изображено на фиг. 2, то можно проецировать больше параллельных линий, т.е. с меньшим периодом. Период между линиями в этом случае будет зависеть от угла β поворота проецируемого изображения в проекторе 1. Расстояние между параллельными линиями Tv2>Ly*sin(β).

Если бы период Tv2 был меньше Ly* sin(β). то линия может попасть в область Tv2 другой линии и возможно неправильное определение номера линии и, соответственно, неправильно определение положения Z объекта 7 в рабочей зоне.

Не исключено проектирование составного периодического изображения линий 9, 11, 12 с помощью большего числа проекторов, например, двух проекторов (с центральными лучами, лежащими в одной триангуляционной плоскости), но в этом случае формулы для расчетов усложняются. В объем притязаний заявителя по данной заявке не входит.

Все линии 9, спроецированные с таким углом β поворота и периодом будут уникальными т.е. в зависимости от положения объекта 7 в рабочей зоне z2-z1 все спроецированные линии будут проецироваться в свои определенные области на матрице 6 камеры 5.

Взаимно перпендикулярные линии 9 и 11, 12 на фиг. 4, 5 расположены под острым углом β к вертикальной оси плоскости триангуляционного угла α и к столбцам пикселей камеры 5. Одна из каждых взаимно перпендикулярных линий, например линия 9, расположена под острым углом к столбцам, а другая, например, линии 11, 12, - к строкам пикселей матрицы 6 камеры 5. При этом острый угол β равен, предпочтительно, арксинусу отношения расстояния между проецируемыми линиями к рабочей зоне умноженной на синус триангуляционного угла α с учетом масштабного коэффициента, т.е. определяется соотношением: β=(arcsin(Tv2*M/((z2-z1)*sinα))), где: β - угол расположения проецируемых линий, Tv2 - расстояние между соседними проецируемыми линиями, М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, Z1 и Z2 - границы совместной рабочей зоны проектора 1 и камеры 5, α - триангуляционный угол.

Таким образом, при повороте изображения 3 в проекторе 1 можно спроецировать на матрицу 6 камеры 5 больше линий 9, 11, 12 и получить больше информации об объекте 7 и, тем самым, сузить зону неопределенности для каждой точки объекта 7 на матрице 6 одной камере 5.

Так как камера 5 расположена под углом α относительно проектора 1 в вертикальной плоскости то перемещение объекта 7 в рабочей зоне по оси Z вызывает перемещение всех линий и всех точек на линиях вдоль вертикальных столбцов пикселей на матрице 6 камеры 5.

Последующее определение (нахождение и исследование) на матрице 6 камеры 5 зоны пересечения каждой пары спроектированных линий между собой и со столбцами и строками пикселей основании на следующем.

Если на изображении проектора 1 проецируемую под углом β к вертикали (далее - условно называемую «вертикальную») линию 9 пересечь перпендикулярной ей под углом β к горизонтали (далее - условно называемую «горизонтальной») линией 11, как на фиг. 3 то на матрице 6 камеры 5 точка 10 пересечения указанных линий будет проецироваться всегда на вертикальный столбец матрицы 6 камеры 5. Если пересечь линию 9 линией 11 и линией 12, то каждое пересечение будет проецироваться на свой столбец на матрице 6, согласно фиг. 4. Пересечение линий 9 и 12 спроецируется на столбец 14, пересечение линии 9 и 11 спроецируется на столбец 13.

Производят идентификацию каждой линии, образованной отраженным светом и принятым пикселями матрицы 6 камеры 5, для определения линий координат на изображении камеры 5.

При необходимости максимально точного осуществления измерений для каждого конкретного трафарета 3 может быть проведено предварительное установление нулевого положения нумерации столбцов и строк пикселей на матрице 6 камеры 5 предварительно (перед рабочим использованием системы состоящей из камеры 5 и проектора 1). Эта операция может служить для заблаговременной коррекции дисторсии (оптическое искажение пространства) объектива и уточнения упомянутого масштабного коэффициента М.

Установление нулевого положения производится путем процесса предварительной (до установки объекта 7) калибровки, при которой в рабочей зоне устройства перемещают вдоль координаты Z произвольно выбранную калибровочную плоскость (например, в виде перестанавливаемого экрана) и запоминают все столбцы на матрице 6 камеры 5 вдоль которых движутся все пересечения проецируемых линий. Позицию калибровочной плоскости в точке пересечения лучей проектора 1 и камеры 5 выбирают в качестве нулевого положения. В нулевом положении линия 9 проходящая на изображении 3 проектора 1 через центр изображения 3 будет проецироваться на матрицу 6 камеры 5 в ее центр и это положение спроецированной линии 9 на матрице камеры будет также называться нулевым. На фиг. 1 нулевое положение обозначено 0 по оси Y. Отклонение ΔYn линии на матрице 6 камеры 5 при перемещении калибровочной плоскости ближе или дальше от системы состоящей из камеры 5 и проектора 1 используется для уточнения найденных точек пересечения этой линии на матрице 6.

Определение положения линии 9 на матрице 6 камеры 5 осуществляется путем поиска центра линии 9 фиг. 5, потому что в реальности спроецированные линии имеют определенную толщину b на матрице 6 камеры 5, которая может занимать несколько пикселей. При повороте изображения 3 проектора 1 толщина линии 9, которую пересекает столбец 13 из пикселей на матрице 6, возрастает. И определение положения линии 9 могло бы быть менее точным, что ведет к неоднозначности в определении пересечений «вертикальных» и «горизонтальных» линий, для этого период между «горизонтальными» линиями 9 лучше выбирать больше чем зона 15 неопределенности, показанная на фиг. 5 при пересечении столбца 13 и линии 9, т.е. Т gor>b/tg(β), где b - толщина проектируемой линии 9, Т gor - период между «горизонтальными» линиями 11, 12.

Поворот «вертикальных» линий 9 необходим для того, чтобы спроецировать больше линий 11, 12, чем просто горизонтальных, как показано на фиг. 1, где одна линия и область ее нахождения Ly на матрице занимает почти всю матрицу 6 камеры 5, поэтому проецируются «вертикальные» линии 9 под углом β к вертикали и по фиг. 2 видно что область Tv2 гораздо меньше чем область Ly. «Вертикальные» линии 9 пересекают «горизонтальные» линии 11, 12 и точки пересечения указанных линий однозначно дают информацию о номерах пересекающихся в данной точке вертикальной и горизонтальной линий.

Период для «горизонтальных» линий 11, 12 целесообразно выбирать равным либо меньшим, чем вертикальных, чтобы избежать неоднозначностей в определении пересечений линий, одновременно период горизонтальных линий предлагается выбирать больше чем зона неопределенности, которую имеет место при пересечении линий, что ведет к неоднозначности в определении пересечений вертикальных и горизонтальных линий.

Таким образом можно реализовать изображение 3, которое проецирует проектор 1 с периодом вертикальной решетки Tv2>((z1-z2)*sin(α)*sin(β))/M и периодом горизонтальной решетки Tgor>b/tg(β) и изображение 3 должно быть повернуто на угол β по отношению к вертикальным столбцам 13 пикселей матрицы 6.

Такое спроецированное на объект 7 изображение позволяет без ошибок определять номера спроецированных «горизонтальных» линий 11, 12, что дает возможность, зная геометрию (относительное расположение камеры 5 и проектора 1, а именно угол

системы, состоящий из камеры 5 и проектора 1, определять форму объекта 7, который находится в рабочей зоне системы состоящей из камеры 5 и проектора 1 Z=M*Yn/sin(α). Yn - это смещение (номер) горизонтальной линии 11 на матрице 6 камеры 5 относительно ее центрального положения т.е. положения когда она проходит через центр матрицы 6. Линия 11 пересекает центр матрицы 6 тогда, когда объект 7 находится в середине рабочей зоны.

В результате имеется возможность оперативного и точного определения точки пересечения на матрице камеры спроектированных линий между собой и со столбцами пикселей, при этом точка пересечения на матрице камеры пары спроецированных линий с ближайшим вертикальным столбцом определяется как координата Xn точки N на объекте, точка пересечения ближайшей горизонтальной строки пикселей с этой парой линий определяется как координата Yn на объекте, а координата Z определяется из соотношения Z=M*Yn/sin(α), где М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, α - триангуляционный угол.

На фиг. 5 видно, что область 15 неопределенности - поле нахождения искомой точки для определения номера линии - содержит минимальное количество пикселей и, следовательно, существенно меньше, чем при реализации известных способов. При этом не требуется применения второй камеры, что упрощает конструкцию используемого оборудования, технологию и обработку результатов измерений. Измерения (вычисление конкретных характеристик) и определение координат производят с помощью процессора 16 ЭВМ, а на мониторе 17 ЭВМ формируют 3Д изображение объекта измерений.

Таким образом, обеспечивается сокращение длительности и возможность погрешностей измерений и построений изображения исследуемого объекта.

Claims (3)

1. Устройство для выполнения 3Д измерений объекта, содержащее общий корпус, в котором размещены проектор с транспарантом заданного изображения с периодической структурой, состоящей из линий, и с источником света для проецирования на исследуемый объект указанного изображения, ориентированного вдоль одной из продольных осей с постоянным расстоянием между ними, и камеру с матрицей пикселей для регистрации отраженного изображения, размещенную с образованием триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральным лучом камеры, а также ЭВМ с процессором для определения координат и с монитором для формирования 3Д изображения объекта, при этом расстояние между проектором и камерой выбрано равным произведению расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней, отличающееся тем, что проектор выполнен с транспарантом изображения, состоящего из двух пересекающихся групп линий, в каждой группе линии параллельны между собой и расположены под углом к вертикальной оси плоскости триангуляционного угла, при этом процессор ЭВМ выполнен с возможностью определения и идентификации на матрице камеры точек в зоне пересечения каждой пары регистрируемых ей линий между собой и со столбцами и строками пикселей матрицы камеры, причем группы параллельных проецируемых линий изображения на транспаранте проектора выполнены таким образом, что одна из каждых взаимно перпендикулярных линий расположена под острым утлом к столбцам, а другая - к строкам пикселей матрицы камеры, выбранным из соотношения β=arcsin(Tv2·M/((z2-z1)·sinα)), где β - угол расположения проецируемых линий, Tv2 - расстояние между соседними проецируемыми линиями, М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, Z1 и Z2 - границы совместной рабочей зоны проектора 1 и камеры 5, α - триангуляционный угол.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что группы параллельных проецируемых линий изображения на транспаранте проектора выполнены попарно взаимно перпендикулярными, а линии в каждой группе расположены на равных расстояниях между ними, при этом угол наклона проецируемых линий выполнен острым.

3. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что процессор ЭВМ выполнен с возможностью для каждой найденной на матрице точки пересечения пары спроецированных линий с вертикальным столбцом определять как координату Xn точки N на объекте, точки пересечения горизонтальной строки пикселей с этой парой линий определять как координату Yn на объекте, а координату Z определять из соотношения Z=M·Yn/sin(α), где М - масштабный коэффициент объектива для пересчета пикселей в пространственные размеры, α - триангуляционный угол.

Images