RU2208370C2 - Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment - Google Patents
Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2208370C2 RU2208370C2 RU2001120817/12A RU2001120817A RU2208370C2 RU 2208370 C2 RU2208370 C2 RU 2208370C2 RU 2001120817/12 A RU2001120817/12 A RU 2001120817/12A RU 2001120817 A RU2001120817 A RU 2001120817A RU 2208370 C2 RU2208370 C2 RU 2208370C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measurement
- circle
- section
- horizontal
- plane
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к легкой промышленности, в частности к швейной, и может быть использовано при бесконтактном измерении топографии поверхности объектов сложной формы, преимущественно фигуры человека, в частности для массовых антропометрических обследований населения и при изготовлении одежды по индивидуальным заказам, обеспечивающем повышение уровня автоматизации и точности индивидуального проектирования шаблонов одежды. The invention relates to light industry, in particular to sewing, and can be used for non-contact measurement of surface topography of objects of complex shape, mainly human figures, in particular for mass anthropometric surveys of the population and in the manufacture of clothing for individual orders, providing an increase in the level of automation and accuracy of individual designing clothing patterns.
Известны различные системы объективного пространственного обмера фигуры человека или других тел сложной формы, отличающиеся степенью автоматизации данного процесса и принципами работы. Распространены контактные системы, в которых, например, данные о фигуре человека получают в виде функции или ее дискретных значений, заключающей в себе описание формы обмеряемой фигуры по угловому положению измерительной ленты в процессе ее качения по поверхности фигуры во время обмера (см., например, авторское свидетельство СССР 341465, кл. А 41 Н 1/04, 1969; авторское свидетельство СССР 508247, кл. А 41 Н 1/04, 1974; авторское свидетельство СССР 936874, кл. А 41 Н 1/04, 1980). При этом сечения или прямоугольные проекции фигуры человека восстанавливают по угловому отклонению измерительной ленты от направления радиус-вектора положения устройства подачи и приема измерительной ленты в пространстве, то есть от направления на центр кольцевой траектории движения лентопротяжного механизма. Замкнутая в кольцо измерительная лента выполняет функцию контактного элемента, прикатывающего легкую одежду и располагающегося по касательной к контуру сечения фигуры, что используется для измерений. Устройства, как правило, содержат узел углового сканирования (механизм обмера фигуры), электрически связанный с пультом управления и подвижно размещенный на вертикальной направляющей стойке, установленной на основании устройства, датчик положения и привод перемещения узла углового сканирования вдоль стойки с помощью механизма вертикального перемещения, и регистрирующие результаты измерений и вычислительные блоки, как, например, размещенные в пульте управления и соединенные между собой угломерный блок и блок обработки и выдачи информации (авторское свидетельство СССР 936874, кл. А 41 Н 1/04, 1980). В целом узел углового сканирования таких устройств представляет собой подвижно установленную для вертикального перемещения на стойке, ориентированную в горизонтальной плоскости кольцевую направляющую (круговое основание) с расположенными на ней подвижной кареткой с приводом вращения, подвижным датчиком углового отклонения измерительной ленты, кинематически связанным с лентой и выполненным в виде сигнальной планки, и с компенсатором натяжения измерительной ленты, посредством лентопротяжного механизма связанной с кареткой, а также отсекатели измерительной ленты и датчики положения каретки, выполненные в виде оптронных пар и размещенные на круговом основании с возможностью взаимодействия с сигнальной планкой. В процессе обмера человек остается неподвижным, в то время как лентопротяжный механизм равномерно движется по кольцевой направляющей вокруг фигуры человека, а последняя перемещается по вертикали и соответственно перемещается по вертикали плоскость расположения витка измерительной ленты, охватывающего объект. Таким образом, каретка с лентопротяжным механизмом описывает в пространстве винтовую линию вокруг объекта и, следовательно, выходная функция обмера поверхности содержит в себе описание винтового контура поверхности, измеренного в результате движения по поверхности фигуры единственной точки касания витка измерительной ленты со стороны сигнальной планки по винтовой линии, что усложняет и снижает точность алгоритма восстановления сечений (прямоугольных проекций) фигуры человека для дальнейших вычислений параметров фигуры с целью проектирования шаблонов одежды. Основным недостатком таких систем, кроме того, является низкая надежность в работе из-за большого числа подвижных, механически управляемых элементов устройств, участвующих в процессе обмера: это сама измерительная лента, подвижные натягивающие каретки, ограничители натяжения измерительной ленты, двигающиеся по соответствующим направляющим. Применение механических систем накладывает ограничения на продолжительность процесса обмера, что повышает вероятность погрешностей за счет подвижки объекта за длительное время измерения. Various systems are known for objective spatial measurement of a human figure or other bodies of complex shape, which differ in the degree of automation of this process and the principles of operation. Contact systems are widespread in which, for example, data on a person’s figure is obtained as a function or its discrete values, which includes a description of the shape of the measured figure by the angular position of the measuring tape during its rolling on the surface of the figure during measurement (see, for example, USSR copyright certificate 341465, class A 41
Общим недостатком систем контактного обмера фигуры человека является наличие погрешностей вследствие соприкосновения измерительных элементов с мягкими тканями поверхности тела человека, что снижает точность и скорость обмера, а также может вызвать неудобство и неприятные ощущения для измеряемого человека. Контактные методы также исключают возможность одновременного обмера более чем одного объекта, как, например, поверхность торса тела человека и рук или обеих ног, и ограничивают количество информации, получаемой об объекте. Это снижает общую информативность измерений и, как следствие, качественный уровень информационного обеспечения САПР одежды. A common drawback of systems of contact measurement of a human figure is the presence of errors due to the contact of measuring elements with soft tissues of the surface of the human body, which reduces the accuracy and speed of measurement, and can also cause inconvenience and discomfort for the person being measured. Contact methods also exclude the possibility of simultaneously measuring more than one object, such as, for example, the surface of the torso of a person’s body and arms or both legs, and limit the amount of information received about the object. This reduces the overall informativeness of measurements and, as a result, the quality level of information support of CAD clothing.
Бесконтактным способом изучают форму поверхности объемных тел при помощи устройств, излучающих электромагнитные световые или звуковые волны. In a non-contact way, the surface shape of volumetric bodies is studied using devices that emit electromagnetic light or sound waves.
Известны бесконтактные стереофотограмметрические и автоматические телевизионные системы (обязательно включают съемочные камеры и воспроизводящий монитор) измерения поверхности тела человека, предлагающие аналоговое представление информации и требующие автоматического анализа изображений на ЭВМ для определения обхватных параметров тела (см., например, Петров С.В., Медведева Т.В. Метод проектирования цифровых моделей поверхностей манекенов фигур // Швейная промышленность. М., 1992. 5 и "Making measurements on a body" EP 0222498 А2, publ. 20.05.87, Bulletin 87/21). Первая технология основывается на методах короткобазисной фотограмметрии, которые позволяют проводить высокоточные множественные измерения координат трехмерных объектов по их разноракурсным изображениям. В основу данного способа изучения формы поверхности объекта положено изображение всей поверхности. Данные системы бесконтактного обмера характеризуются высокой точностью и скоростью измерений. Однако в них используются большие сложные оптические системы и массивы камер для измерений и предусматриваются особые требования к освещению и отражательной способности поверхности объекта, который необходимо измерить. Все это усложняет данные методы и устройства, создает неудобства в использовании, ограничивает возможности применения, значительно повышает стоимость систем, сложность и продолжительность алгоритмов автоматической обработки результатов измерений и, как следствие, нецелесообразность применения систем для малых партий измерений. Для обработки результатов обмера во многих случаях требуется работа устройства в системе со специализированными компьютерами. Non-contact stereophotogrammetric and automatic television systems (necessarily include shooting cameras and a reproducing monitor) measure the surface of the human body, offering an analog representation of information and requiring automatic image analysis on a computer to determine the girth parameters of the body (see, for example, Petrov S.V., Medvedeva T.V. Method of designing digital models of surfaces of mannequins of figures // Sewing Industry. M., 1992. 5 and "Making measurements on a body" EP 0222498 A2, publ. 20.05.87, Bulletin 87/21). The first technology is based on short-range photogrammetry methods that allow highly accurate multiple measurements of the coordinates of three-dimensional objects from their multi-angle images. The basis of this method of studying the surface shape of an object is an image of the entire surface. These non-contact measurement systems are characterized by high accuracy and measurement speed. However, they use large complex optical systems and arrays of cameras for measurements and provide special requirements for lighting and reflectivity of the surface of the object that needs to be measured. All this complicates these methods and devices, creates inconveniences in use, limits the possibility of application, significantly increases the cost of systems, the complexity and duration of algorithms for automatic processing of measurement results and, as a result, the inappropriateness of using systems for small batches of measurements. To process the measurement results in many cases, the device must work in the system with specialized computers.
Известны также системы оптического измерения топографии поверхности объектов сложной формы, как, например тела человека, путем блокирования или затенения источника когерентного света, отличающиеся по конструкции развертывающего устройства, траектории сканирующего луча, размеру и типу измеряемых объектов, типу фотоэлектронного преобразователя и способу фиксирования тени, оптической разрешающей способности. В основе метода топографического измерения формы и размеров поверхности объекта лежит измерение контура поверхности объекта в поперечных направлениях с определением горизонталей поверхности как поперечных сечений поверхности в виде замкнутых плоских кривых, в совокупности формирующих дискретный каркас - топографию поверхности измеряемого объекта. Горизонтали поверхности определяют как сечения измеряемого объекта, полученные в дискретных секущих горизонтальных плоскостях уровня. Optical systems for measuring the topography of the surface of objects of complex shape, such as, for example, human bodies, by blocking or shading a source of coherent light, are also known, which differ in the design of the deployment device, the path of the scanning beam, the size and type of objects to be measured, the type of photoelectronic converter, and the method for fixing the shadow, optical resolution. The method of topographic measurement of the shape and size of the surface of an object is based on measuring the contour of the surface of the object in transverse directions with the definition of the surface contours as the cross sections of the surface in the form of closed flat curves that together form a discrete frame - the surface topography of the measured object. Horizontal surfaces are defined as sections of a measured object obtained in discrete secant horizontal level planes.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности являются бесконтактный способ и устройство для оптического измерения топографии поверхности объекта (см. "Устройство для оптического измерения топографических параметров поверхности объекта" // Изобретения стран мира 08/98 или "Optical method and apparatus for measuring surface topography of an object" US 5636030, publ. 3.06.1997, Int. Cl.6 G 01 B 11/10; G 02 B 26/08). Устройство предназначено для измерения полной поверхности больших непрозрачных объектов сложной формы, как, например тело человека, и его характеристики в трех измерениях. В соответствии с текстом описания и схемным решением устройство содержит источник узкого луча света - генератор когерентного излучения типа лазера с малым сечением светового пучка, излучающего световой пучок с очень острой направленностью, т.е. малой расходимостью световых лучей в пучке, установленный в неподвижном горизонтальном положении над измеряемым объектом в оптомеханическом блоке, вмещающем устройство углового поперечного сканирования пространства лучом. Устройство также содержит фоточувствительный приемник излучения источника в виде одиночного оптического датчика состояния светового луча, на котором фокусируется отраженное излучение типа фотодиода, установленного в неподвижном осевом положении над измеряемым объектом в оптомеханическом блоке и регистрирующего состояния светового луча при его блокировании объектом и вырабатывающего электрический сигнал согласно количеству излучения, падающего на датчик в различные моменты времени. В настоящем изобретении используются единственный оптический приемник, который регистрирует состояния светового луча, а именно блокируется ли световой луч объектом или нет. Источник узкого светового луча оптически связан с внешней оптической системой отклоняющих зеркал для управления направлением излучения, ориентируемым последовательно в вертикальном и горизонтальном направлении по сложенному оптическому пути с многозвенной геометрической конфигурацией в плоскость измерения устройства многоракурсного поперечного углового сканирования его внутреннего пространства лучом, которое содержит механически управляемые конструктивные элементы, а именно вращающийся горизонтально ориентированный кронштейн-основание, конструктивно радиально связывающий пару размещенных по краям, оптически связанных поворотных зеркал в форме призмы с угловым наклоном рабочих граней 45o, последовательно направляющих осевой луч горизонтально радиально во внешнюю сторону от центральной оси устройства на расстояние направляющей кронштейна, согласованного с радиусом кольцевого модуля, и радиальный луч - вертикально в положение слежения сканирующего многогранного зеркала, ведущее зубчатое колесо привода механической зубчатой передачи с внутренним зацеплением непрерывного вертикального движения кольцевого модуля, являющееся основанием для многогранного сканирующего зеркала, осуществляющее его вращение вокруг собственной оси и одновременно движение по окружности направляющей зубчатой передачи с внутреннем зацеплением, для углового сканирования в плоскости измерения кольца с внутренней поверхностью обратного отражения, выполненного в виде пирамиды с угловым наклоном граней 45o, одновременно совершающего собственное вращение и движение вокруг объекта по направляющей (орбите) кольцевого модуля с помощью привода и разворачивающего и направляющего следящий луч внутрь кольцевого модуля в горизонтальную плоскость сканирования, и связанное с ведомым зубчатым колесом внутреннего зацепления механической передачи и с внутренней поверхностью обратного отражения сканирующего луча назад вдоль траектории падения через светоделительное зеркало и линзу на оптический датчик. Кольцевой модуль, имеющий достаточный диаметр для охвата измеряемого объекта и выполненный с возможностью вертикального перемещения вдоль центральной вертикальной осевой линии с помощью привода, размещен в оптомеханическом блоке устройства в горизонтальном положении и включает кольцевое основание с кольцевой направляющей вращательного движения сканирующего оптического элемента - многогранного зеркала, выполненной в виде поверхности зубчатого колеса с внутренним зацеплением передачи механизма привода вращения зеркала вдоль направляющей, и ведущее несущее зубчатое колесо этого механизма с соосно размещенным сверху на его внешнем диаметре многогранным зеркалом. Вдоль внутренней поверхности кольцевого модуля размещается лента с поверхностью обратного отражения луча вдоль траектории его падения. А также в оптомеханическом блоке устройства размещены в удалении от объекта и положении по одну сторону измеряемого объекта над ним источник, генерирующий узкий световой луч, и оптический датчик, регистрирующий состояния светового луча в процессе измерения, и оптически связаны между собой посредством внешней оптической системы отклоняющих зеркал для управления направлением излучения источника с помощью динамичных оптических элементов, передающей на оптический датчик поток света, не блокированный объектом, т.е. возвращающийся отраженный от внутренней обратно отражательной поверхности кольцевого модуля оптической системы луч, включающей также неподвижно расположенные вдоль центральной вертикальной оси оптомеханического блока светоделительное зеркало и фокусирующую излучение на детектор линзу.The closest to the proposed invention by technical essence are a non-contact method and device for optical measurement of the topography of the surface of the object (see "Device for optical measurement of topographic parameters of the surface of the object" // Inventions of the world 08/98 or "Optical method and apparatus for measuring surface topography of an object "US 5636030, publ. 06/03/1997, Int. Cl. 6 G 01
Принятый световой поток преобразуется в электрический сигнал. В целом все конструктивные компоненты и оптический элементы устройства ориентированы вдоль центральной вертикальной оси оптомеханического блока, проходящей через центр кольцевого модуля, линзу и направляющее луч светоделительное зеркало и оптический датчик излучения. Эта ось является одновременно осью механического вращения элементов кинематического механизма сканирования по направляющей кольцевого модуля вокруг объекта и направлением относительного вертикального перемещения кольцевого модуля и объекта. The received luminous flux is converted into an electrical signal. In general, all structural components and optical elements of the device are oriented along the central vertical axis of the optomechanical block passing through the center of the ring module, the lens and the beam-guiding beam splitting mirror, and the optical radiation sensor. This axis is simultaneously the axis of mechanical rotation of the elements of the kinematic scanning mechanism along the guide of the annular module around the object and the direction of relative vertical movement of the annular module and the object.
При измерении объекта, топографию поверхности которого необходимо получить, устанавливают в вертикальном положении в целом в одну линию с центральной осью оптомеханического блока устройства. Источник света генерирует световой пучок с малой расходимостью лучей, который отражается ответвителем под прямым углом. Этот отраженный луч падает на первое зеркало вращающейся пары поворотных зеркал вдоль оси вращения этого зеркала. Первое вращающееся зеркало пары расположено под углом 45o, так что луч вновь отражается под прямым углом, тем самым создавая вращательный сканирующий луч, который непрерывно сплошь сканирует пространство в секторе угла 360o в горизонтальной плоскости, совершая непрерывное круговое сканирование. Данный вращательный сканирующий луч в свою очередь отражается под прямым углом вторым, радиально смещенным вдоль направляющей кронштейна зеркалом пары, совершающим вращение вокруг первого зеркала. При этом вращательный сканирующий луч преобразуется в луч, параллельно сканирующий в вертикальной плоскости по образующей цилиндрической поверхности. Далее этот цилиндрически сканирующий луч падает на многогранное зеркало, которое синхронно с этим лучом обращается вдоль кольцевого основания вокруг измеряемого объекта, и отражается многогранным зеркалом под прямым углом внутрь плоскости измерения, ограниченной им. Так как данное многогранное зеркало совершает собственное вращение по мере того, как оно движется вдоль кольцевого основания вокруг измеряемого объекта, поворотным сканирующим лучом многократно сканируют поперек объекта со всех его сторон.When measuring an object whose surface topography is to be obtained, they are installed in a vertical position as a whole in one line with the central axis of the optomechanical unit of the device. The light source generates a light beam with low beam divergence, which is reflected at a right angle by the coupler. This reflected beam is incident on the first mirror of a rotating pair of rotary mirrors along the axis of rotation of this mirror. The first rotating mirror of the pair is located at an angle of 45 o , so that the beam is again reflected at a right angle, thereby creating a rotational scanning beam, which continuously continuously scans the space in the sector of the angle 360 o in the horizontal plane, making a continuous circular scan. This rotational scanning beam, in turn, is reflected at right angles to the second, radially offset along the guide bracket of the pair mirror, which rotates around the first mirror. In this case, the rotational scanning beam is converted into a beam that simultaneously scans in a vertical plane along the generatrix of the cylindrical surface. This cylindrical scanning beam then falls onto a multifaceted mirror, which synchronously with this beam rotates along the annular base around the measured object, and is reflected by a polyhedral mirror at right angles into the measurement plane bounded by it. Since this multifaceted mirror performs its own rotation as it moves along the annular base around the measured object, a rotary scanning beam is repeatedly scanned across the object from all its sides.
Доли светового потока для каждой развертки луча в плоскости измерения, соответствующей завершенному циклу оборота грани зеркала вокруг своей оси, которые не блокируются измеряемым объектом, попадают на кольцевое основание с поверхностью обратного отражения, которое окружает объект. Обратно отражающее кольцевое основание возвращает сканирующий луч вдоль соответствующей траектории падения обратно на светоделительное зеркало. Возвращаемый световой луч проходит через светоделительное зеркало и фокусируется линзами на фотоприемнике. Принятый световой поток преобразуется в электрический сигнал. Оптический параметр (коэффициент поглощения), являющийся функцией положения сканирующего луча в кольцевом модуле, преобразуется в амплитуду электрического сигнала, изменяющуюся на выходе оптического датчика во времени при угловом сканировании пространства лучом. Непрерывный диапазон напряжения электрического сигнала, полученного от оптического датчика, является аналогом состояния излучения по данному ракурсу в кольцевом модуле. В процессе аналого-цифрового преобразования с помощью специальной платы ПЭВМ предварительно осуществляют замену непрерывного интервала значений электрического сигнала рядом дискретных значений при квантовании на два уровня. Таким образом, измеряя продолжительность тени, созданной объектом, во время каждого скана и связывая эту тень для каждого цикла с соответствующими местоположением на орбите (кольцевой траектории) и ориентацией собственного вращения многогранного зеркала, можно вычислить поперечное сечение объекта, лежащее в плоскости сканирующего луча. При этом кольцевой модуль перемещается относительно объекта в продольном вертикальном направлении с помощью электромеханического привода. По данному способу следующие один за другим поперечные сечения измеряются путем вертикального перемещения многогранного зеркала вместе с обратно отражающим кольцом вдоль объекта. Далее можно геометрически соединить последовательные поперечные сечения в единое целое для вычисления топографии всей поверхности объекта. Дальнейшая обработка результатов обмера также осуществляется на ПЭВМ. The luminous flux fractions for each scan of the beam in the measurement plane corresponding to the completed cycle of revolution of the mirror face around its axis, which are not blocked by the measured object, fall on the annular base with a back reflection surface that surrounds the object. The retroreflective ring base returns the scanning beam along the corresponding path of incidence back to the beam splitting mirror. The returned light beam passes through a beam-splitting mirror and is focused by lenses on the photodetector. The received luminous flux is converted into an electrical signal. The optical parameter (absorption coefficient), which is a function of the position of the scanning beam in the ring module, is converted to the amplitude of the electrical signal, which changes at the output of the optical sensor in time during angular scanning of space by the beam. The continuous voltage range of the electrical signal received from the optical sensor is an analog of the radiation state from this angle in the ring module. In the process of analog-to-digital conversion using a special PC board, the continuous interval of values of the electrical signal is preliminarily replaced by a number of discrete values during quantization into two levels. Thus, by measuring the duration of the shadow created by the object during each scan and associating this shadow for each cycle with the corresponding location in the orbit (circular path) and the orientation of the proper rotation of the polyhedral mirror, we can calculate the cross-section of the object lying in the plane of the scanning beam. In this case, the ring module is moved relative to the object in the longitudinal vertical direction using an electromechanical drive. In this method, the cross-sections following one after the other are measured by vertical movement of the polyhedral mirror along with the back-reflecting ring along the object. Then it is possible to geometrically connect successive cross sections into a single whole to calculate the topography of the entire surface of the object. Further processing of the measurement results is also carried out on a PC.
В данном устройстве (прототипе) управление направлением излучения осуществляется использованием ряда нестационарных оптических элементов, в том числе движущегося по окружности сканирующего элемента (многогранное зеркало). Тем самым обеспечивается последовательное движение светового луча в плоскости поперек объекта и периодическое блокирование (прерывание) светового луча, направленного к объекту, в плоскости сканирования (поле развертки луча). In this device (prototype), the direction of radiation is controlled using a number of non-stationary optical elements, including a scanning element moving around the circumference (polyhedral mirror). This ensures a consistent movement of the light beam in the plane across the object and periodically blocking (interrupting) the light beam directed to the object in the scanning plane (beam sweep field).
В основу данного способа изучения формы поверхности объекта положено получение теневых контуров поперечных сечений рельефной поверхности измеряемого объекта в горизонтальных плоскостях с последующим вычислением координат узловых точек сечений. Таким образом, получают графическое задание объемной формы поверхности измеряемого объекта в виде набора ее горизонтальных сечений плоскостями уровня с образованием каркаса поверхности. С помощью таких устройств получают топографию проекций контуров поперечных сечений поверхности объекта на плоскости, приведенных к единому центру - центру измерительной окружности. The basis of this method of studying the surface shape of an object is to obtain shadow contours of cross sections of the embossed surface of the measured object in horizontal planes, followed by calculation of the coordinates of the nodal points of the cross sections. Thus, a graphical definition of the volumetric shape of the surface of the measured object is obtained in the form of a set of its horizontal sections by level planes with the formation of a surface frame. With the help of such devices, a topography of the projections of the contours of the cross sections of the surface of the object on the plane reduced to a single center — the center of the measuring circle — is obtained.
При измерении поверхность облучают источником узкого луча света, при этом зеркало, вращаясь вокруг собственной оси и одновременно перемещаясь по окружности вокруг объекта, отражает луч поперек объекта и сканирует данным лучом при движении по окружности. Таким образом, выполняют многоракурсное угловое сканирование пространства в отраженном свете узким лучом в плоскости поперек объекта путем регистрации отраженного излучения источника, не блокированного объектом. Датчик регистрирует отраженное излучение и вырабатывает электрический сигнал, соответствующий количеству излучения, заблокированного объектом. Предложенный способ сканирования не требует перемещения источника вокруг объекта. Таким образом, по данному способу измерение топографии поверхности объекта осуществляется многократным измерением продолжительности тени на детекторе в результате блокирования источника излучения измеряемым объектом для каждой развертки луча за время полного оборота направляющей лазерный луч оптической системы зеркал вокруг объекта в процессе измерения и определением границ тени для соответствующих ракурсов (направлений) излучения и положений многогранного зеркала обращающейся оптической системы зеркал на орбите по моментам времени начала и конца тени от объекта на детекторе. По результатам измерений тени вычисляют касательные к контуру сечений поверхности, связывая соответствующие орбитальную позицию и собственную вращательную ориентацию многогранного зеркала, и вычисляют поперечное сечение поверхности объекта. Таким образом, согласно прототипу горизонтальные сечения поверхности тела человека определяют по касательным к поверхности, соответствующим полученным границам тени объекта в секторе развертки для каждого ракурса обзора лучом, измеренным в различные моменты времени обмера фигуры человека. Объект в процессе измерения остается неподвижным, а пара зеркал и многогранное зеркало обращаются вокруг него, одновременно совершая перемещение вдоль вертикальной оси. During measurement, the surface is irradiated with a source of a narrow beam of light, while the mirror, rotating around its own axis and at the same time moving around the circumference around the object, reflects the beam across the object and scans this beam when moving around the circle. Thus, a multi-angle angular scanning of the space in reflected light is performed by a narrow beam in a plane across the object by registering the reflected radiation of a source that is not blocked by the object. The sensor detects reflected radiation and generates an electrical signal corresponding to the amount of radiation blocked by the object. The proposed scanning method does not require moving the source around the object. Thus, in this method, the measurement of the topography of the surface of an object is carried out by repeatedly measuring the duration of the shadow on the detector as a result of blocking the radiation source by the measured object for each beam scan during a full revolution of the laser beam of the optical system of mirrors around the object during measurement and determining the shadow boundaries for the corresponding angles (directions) of radiation and the positions of a multifaceted mirror of an orbiting optical system of mirrors in orbit at times Change the beginning and end of the shadow from the object on the detector. According to the measurement results, the tangents to the contour of the surface sections are calculated, linking the corresponding orbital position and the own rotational orientation of the polyhedral mirror, and the cross-section of the surface of the object is calculated. Thus, according to the prototype, horizontal sections of the surface of the human body are determined by the tangents to the surface corresponding to the obtained boundaries of the object’s shadow in the scanning sector for each angle of view by a beam measured at different times of measurement of the human figure. The object remains stationary during the measurement, and a pair of mirrors and a polyhedral mirror revolve around it, while simultaneously moving along the vertical axis.
Устройство и способ позволяют произвести определение координат полной поверхности тела человека путем расчета по касательным к контуру сечений поверхности тела человека. Касательные могут быть составлены в контур для вычисления горизонтального сечения, лежащего в плоскости поля разверток (секторов разверток), охватываемого сканирующим лучом (прототип). The device and method allow to determine the coordinates of the full surface of the human body by calculating tangent to the contour of the cross-sections of the surface of the human body. Tangents can be made into a contour for calculating a horizontal section lying in the plane of the field of sweeps (sectors of sweeps) covered by a scanning beam (prototype).
Устройство и способ для оптического измерения топографических параметров поверхности объекта (прототип) обладает рядом известных преимуществ, однако в некоторых его аспектах может быть улучшен для достижения наилучшего результата измерений. В связи с этим основным недостатком прототипа является описанная необходимость использования механических элементов привода узла углового сканирования лучом в плоскости измерения горизонтального сечения и механических управляемых конструктивных элементов, включающих ряд нестационарных оптических элементов, в том числе движущийся по окружности сканирующий оптический элемент (многогранное зеркало), для управления направления света в сочетании с точной оптикой измерительной системы, что ограничивает время проведения измерений и снижает надежность системы в работе. Наличие движущихся и вращающихся несущих конструкций для линз и зеркал достаточно сложной оптомеханической системы требует точной динамической балансировки и синхронизации работы ее элементов и при этом не только понижает надежность устройства, но и значительно усложняет его. Применяемый принцип развертки луча предусматривает высокую скорость вращения зеркала, что при жестких требованиях к точности изготовления механических узлов повышает стоимость системы и снижает экономичность и эффективность ее использования для малых партий измерений, что характерно при текущих антропометрических обмерах. The device and method for optical measurement of topographic parameters of the surface of an object (prototype) has a number of known advantages, however, in some of its aspects it can be improved to achieve the best measurement result. In this regard, the main disadvantage of the prototype is the described need for the use of mechanical elements of the drive unit of the angular scanning beam in the plane of measurement of horizontal section and mechanical controlled structural elements, including a number of non-stationary optical elements, including a scanning optical element moving around the circumference (multifaceted mirror), for control of the direction of light in combination with the precise optics of the measuring system, which limits the time of measurements and sn zhaet system reliability. The presence of moving and rotating load-bearing structures for lenses and mirrors of a rather complex optomechanical system requires accurate dynamic balancing and synchronization of the operation of its elements and at the same time not only reduces the reliability of the device, but also significantly complicates it. The applied principle of beam scanning provides for a high speed of rotation of the mirror, which, with strict requirements on the accuracy of manufacturing mechanical components, increases the cost of the system and reduces the cost-effectiveness and efficiency of its use for small batches of measurements, which is typical for current anthropometric measurements.
Характерно, что при данной реализации способа измерения полной топографии поверхности объекта по мере того, как многогранное зеркало обращается по круговой направляющей кольцевого модуля вокруг объекта в процессе его поперечного углового сканирования, плоскость траектории непрерывно равномерно перемещается по вертикали. Таким образом зеркало описывает в пространстве винтовую линию с радиусом R и некоторым шагом по вертикали ε, соответственно совершает винтовое движение луч, касательный к поверхности прямой с каждой ее стороны с началом в точках цилиндрической винтовой линии и направленный внутрь к объекту, перпендикулярно вертикальной оси. Это характеризует поперечное измерение винтового контура поверхности за каждый полный оборот многогранного зеркала вокруг объекта, соответствующий измерению одного сечения. Плоская реконструкция сечения поверхности при данной реализации способа получения топографии будет соответствовать некоторому малому слою поверхности и являться очерком его горизонтальной проекции на плоскости начального элементарного уровня данного слоя, включающего первую полученную в сечении касательную. Очерк проекции данного слоя с винтовым контуром на поверхности, измеренным в слое за время обмера данного сечения, будет представлен ломаным контуром в плоскости реконструкции. Точность приближения измеренного контура его проекцией (реконструкцией) по параметрам винтовой линии определяется приращением соответствующих длин рассматриваемых контуров и зависит от времени углового сканирования лучом в плоскости измерения. При достижении высокой скорости измерений в горизонтальных направлениях очерк горизонтальной проекции некоторого слоя h данной поверхности будет точно соответствовать истинному контуру горизонтального сечения поверхности на начальном элементарном уровне данного слоя. В данной реализации способа время углового сканирования определяется параметрами механической связи конструктивных элементов управления сканированием в кольцевом модуле узла углового сканирования. Скорость углового вращения сканирующих оптических элементов, а именно многогранного зеркала и пары установленных на радиальном кронштейне поворотных зеркал оптической системы управления направлением луча, ограничена также конечной массой зеркал и конструктивных элементов их размещения и жесткими требованиями согласования их взаимодействия при измерении и равномерности вращения. Таким образом, точность измерений контуров сечений в системе ограничена рядом перечисленных параметров и собранные в системе данные для каждого сечения требуют приведения результатов к стандартным горизонтам при определении контура горизонтального сечения, т.е. горизонтальным плоскостям с фиксированными при измерении уровнями, что создает также дополнительные погрешности измерения, поскольку при этом определяют контур горизонтального сечения поверхности, аппроксимированный по ближайшим касательным, полученным в различные моменты времени и соответствующим различным уровням измерений по вертикали. Необходимость точного выполнения вышеперечисленных требований согласования работы, а также точного соответствия формы выполнения оптических зеркал установленным параметрам устройства снижает надежность системы в работе и усложняет устройство. Использование лазерных источников света, обладающих высокой стоимостью, и опасность их влияния на человека также является существенным недостатком данной системы при проведении измерений поверхностей живых объектов. It is characteristic that with this implementation of the method for measuring the complete topography of the surface of an object as the multifaceted mirror rotates along the circular guide of the annular module around the object during its transverse angular scanning, the plane of the trajectory continuously moves uniformly vertically. Thus, a mirror describes in space a helix with a radius R and a certain vertical step ε, respectively, a ray making a helical motion tangentially to the surface of a straight line on each side with a beginning at points of a cylindrical helical line and directed inward to the object perpendicular to the vertical axis. This characterizes the transverse measurement of the surface helical contour for each complete revolution of a polyhedral mirror around an object, corresponding to the measurement of one section. A flat reconstruction of the surface section with this implementation of the method for producing topography will correspond to some small surface layer and will be an outline of its horizontal projection on the plane of the initial elementary level of this layer, including the first tangent obtained in the section. A sketch of the projection of this layer with a screw contour on the surface, measured in the layer during the measurement of this section, will be represented by a broken contour in the reconstruction plane. The accuracy of approximation of the measured contour by its projection (reconstruction) according to the parameters of the helix is determined by the increment of the corresponding lengths of the contours under consideration and depends on the time of angular scanning by the beam in the measurement plane. Upon reaching a high measurement speed in horizontal directions, the outline of the horizontal projection of a certain layer h of a given surface will exactly correspond to the true contour of the horizontal section of the surface at the initial elementary level of this layer. In this implementation of the method, the angular scanning time is determined by the mechanical connection parameters of the scanning control structural elements in the ring module of the angular scanning unit. The speed of the angular rotation of scanning optical elements, namely a multifaceted mirror and a pair of rotary mirrors mounted on a radial bracket of an optical system for controlling the beam direction, is also limited by the finite mass of mirrors and structural elements for their placement and stringent requirements for coordinating their interaction during measurement and uniformity of rotation. Thus, the accuracy of measuring the contours of sections in the system is limited by a number of the listed parameters, and the data collected in the system for each section require bringing the results to standard horizons when determining the contour of a horizontal section, i.e. horizontal planes with levels fixed during the measurement, which also creates additional measurement errors, since it determines the contour of the horizontal section of the surface approximated by the nearest tangents obtained at different points in time and corresponding to different levels of measurement vertically. The need for accurate fulfillment of the above requirements for coordination of work, as well as for exact compliance of the form of optical mirrors with the established parameters of the device reduces the reliability of the system in operation and complicates the device. The use of high-cost laser light sources and the danger of their influence on humans is also a significant drawback of this system when measuring the surfaces of living objects.
В соответствии с текстом описания прототипа высокая точность измерений сечений по параметрам винтовой линии обхода источником вокруг объекта, т.е. винтовой траектории оптического компонента управления световым лучом, может быть достигнута также при пошаговом последовательном по вертикали измерении сечений. Однако измерение топографии таким путем сопровождается потерями во времени измерения всей поверхности и требует точного позиционирования кольцевого модуля при пошаговом управлении его вертикальным перемещением, что может снизить надежность измерений и усложняет устройство. Поэтому более предпочтительным, эффективным во времени является управление измерением топографии поверхности при непрерывном по вертикали скользящем способе послойного измерения сечений поверхности объекта, хотя и требует точного согласования работы привода вертикального перемещения кольцевого модуля и вращательного движения оптических компонентов управления световым лучом. In accordance with the text of the description of the prototype, the high accuracy of measuring the cross sections according to the parameters of the helix bypass source around the object, i.e. the helical trajectory of the optical component for controlling the light beam can also be achieved by stepwise sequential vertical measurement of the cross sections. However, the measurement of topography in this way is accompanied by a time loss of measurement of the entire surface and requires accurate positioning of the ring module with stepwise control of its vertical movement, which can reduce the reliability of measurements and complicates the device. Therefore, it is more preferable, time-efficient, to control the measurement of surface topography with a continuously sliding vertical method for layer-by-layer measurement of cross-sections of the surface of an object, although it requires precise coordination of the operation of the drive for the vertical movement of the ring module and the rotational movement of the optical components of the light beam control.
Кроме того, использование при измерениях по данному способу светового пучка с очень острой направленностью, т.е. малой расходимостью световых лучей в пучке, для определения оптических и соответствующих геометрических границ тени поверхности фигуры человека по многим ракурсам, требует преобразования узкого пучка в поворотный сканирующий луч, совершающий сложное перемещение в пространстве, и обхода данным лучом вокруг объекта при одновременном угловом сканировании лучом пространства в плоскости окружности, охватывающей объект. Способ оптического измерения топографии поверхности объекта характеризуется тем, что каждую пару линий, касательных противолежащим сторонам объекта, определенных в заданном направлении сканирования, получают из элемента дуги окружности, который успевает пройти вращающееся зеркало за каждое изменение светового сканирующего луча между его последовательными состояниями блокирования и разблокирования объектом. In addition, the use of a light beam with very sharp directivity during measurements according to this method, i.e. the small divergence of light rays in the beam, in order to determine the optical and corresponding geometric boundaries of the shadow of the surface of a human figure from many angles, requires the transformation of a narrow beam into a rotary scanning beam that makes complex movement in space, and bypassing this beam around an object while simultaneously scanning the space into the plane of the circle surrounding the object. The method of optical measurement of the topography of the surface of an object is characterized in that each pair of lines tangent to the opposite sides of the object defined in a given scanning direction is obtained from a circular arc element, which a rotating mirror manages to pass for each change of the light scanning beam between its successive states of blocking and unlocking by the object .
При этом определение характерных касательных положений светового луча от противолежащих сторон поверхности объекта, по которым восстанавливают контур измеренного сечения, осуществляют из элементов дуги окружности, что физически ограничивает количество ракурсов измерения диаметров сечения, соответствующее числу полученных элементов дуги и определенное компоновкой устройства. Причем с каждой позиции луча на окружности может быть определена граница тени только с одной стороны поверхности и получена лишь одна касательная. Это в два раза сокращает информативность измерений, количественно выражаемую числом линейных элементов, составляющих приближающий ломаный контур реконструкции измеренного сечения поверхности, характеризует недостаточно эффективное использование пространства кадра - поля реконструкции, ограниченного окружностью, что снижает точность отсчета. А также снижает точность приближения измеренного контура поверхности его плоской реконструкцией по параметру длины звеньев ломаной кривой. In this case, the determination of the characteristic tangent positions of the light beam from the opposite sides of the object’s surface, on which the contour of the measured section is restored, is carried out from the elements of the circular arc, which physically limits the number of angles for measuring the diameter of the section corresponding to the number of arc elements obtained and determined by the layout of the device. Moreover, from each position of the ray on the circle, the border of the shadow can be determined only on one side of the surface and only one tangent can be obtained. This halves the information content of measurements, quantitatively expressed by the number of linear elements that make up the approximate broken line for reconstructing the measured surface section, which characterizes the insufficiently efficient use of the frame space — the reconstruction field limited by a circle, which reduces the reading accuracy. It also reduces the accuracy of the approximation of the measured surface contour by its flat reconstruction with respect to the length parameter of the broken curve links.
Распределение положений касательных лучей на окружности в пределах каждого элемента дуги, определяющего ракурс углового сканирования и измерения диаметра сечения, для каждого сечения имеет непостоянный (случайный) характер и определяется путем предварительного анализа электрических сигналов регистрирующего излучение оптического датчика и сенсора положения плоскости измерения. По тем же причинам данные, полученные для обеих сторон поверхности не могут быть совокупно использованы для получения реконструкции, в том числе, в режиме реального времени измерения. В целом, это усложняет обработку данных и расчет реконструкции контура сечения, увеличивая продолжительность процесса измерений. The distribution of the positions of the tangent rays on the circle within each arc element, which determines the angle of angular scanning and measurement of the diameter of the cross section, is variable (random) for each cross section and is determined by preliminary analysis of the electrical signals of the optical sensor and the sensor of the position of the measurement plane. For the same reasons, the data obtained for both sides of the surface cannot be used together to obtain reconstruction, including in real-time measurement. In general, this complicates the data processing and calculation of the reconstruction of the section contour, increasing the duration of the measurement process.
Задачей изобретения является повышение технологичности автоматизированного измерения поверхности фигуры человека при одновременном повышении точности за счет сокращения времени измерения путем уменьшения времени анализа и обработки данных, повышения информативности и надежности измерений за счет одновременного измерения противолежащих боковых сторон контура поверхности объекта в сечениях. The objective of the invention is to increase the manufacturability of automated measurement of the surface of a human figure while improving accuracy by reducing measurement time by reducing analysis and data processing time, increasing the information content and reliability of measurements by simultaneously measuring the opposite sides of an object’s surface contour in sections.
Указанная задача решена за счет того, что в устройстве бесконтактного измерения топографии поверхности объекта, содержащем кольцевой модуль поперечного многоракурсного непрерывного углового сканирования его внутреннего пространства световым лучом в горизонтальной плоскости, включающий кольцевое основание, оптический компонент управления световым лучом и изменением ракурса сканирования вдоль его внутренней поверхности с оптически связанными между собой излучателем и оптическим приемником, и датчик начала измерения сечения объекта с возможностью регистрации вертикального положения кольцевого модуля относительно объекта, выполненный с возможностью вертикального перемещения при помощи привода вдоль центральной вертикальной осевой линии объекта измерения, проходящей через центр кольцевого основания, электрически связанный с управляющей и регистрирующей персональной электронно-вычислительной машиной, включающей систему цифровой обработки информации, кольцевой модуль, кроме того, включает стационарные оптические компоненты управления световым лучом, образующие группу излучателя, состоящую из широкоугольных, облучающих внутреннее пространство кольцевого модуля источников светового излучения с длиной волны за пределами видимого диапазона света, выполненных с возможностью их последовательного подключения к источнику питания, и группу оптического приемника, состоящую из широкоугольных фотоприемников, согласованных по частоте излучения источников, с прямой оптической связью между ними, жестко установленных на кольцевом основании со стороны его внутренней части и размещенных на одном высотном уровне кольцевого основания в горизонтальной плоскости по дуге окружности его внутренней поверхности с равным малым угловым шагом Δφ и Δφ/2 отстояния оптических компонентов друг от друга соответственно в группе излучателя и группе оптического приемника, и с заданным угловым шагом смещения Δφ/4 оптических компонентов одной из групп относительно другой так, что компоненты группы излучателя внутренним образом делят дуговой отрезок между каждой соседней парой фотоприемников и скомпонованы так, что каждому источнику группы излучателя в направлении его излучения на центр кольцевого основания ставится в соответствие группа фотоприемников оптического приемника, вмещаемая дугой окружности кольцевого основания определяемой углом обзора источника, на противоположной от источника стороне, при этом группа излучателей и группа оптических приемников параллельно электрически связаны с ключевыми электронными устройствами блока электронного управления излучением и регистрации границ тени объекта, соответственно оптические компоненты группы излучателя - с коммутатором источников, а оптические компоненты группы оптического приемника - с коммутатором фотоприемников, электрически соединенным с пороговым устройством - компаратором, а ключевые электронные устройства электронного управления излучением и регистрации границ тени объекта, которые параллельно электрически связаны с управляющей и регистрирующей персональной электронно-вычислительной машиной, причем электрическая связь с персональной электронно-вычислительной машиной коммутатора источников и коммутатора фотоприемников осуществляется через соответствующие регистры адресов источников и фотоприемников, а персональная электронно-вычислительная машина параллельно электрически связана с пультом управления, связанным электрически с электродвигателем, и контактным датчиком начала измерения сечения объекта электрического блока управления устройством. This problem is solved due to the fact that in the device for non-contact measurement of topography of the surface of an object containing a ring module of a transverse multi-angle continuous angular scan of its internal space by a light beam in the horizontal plane, including an annular base, an optical component for controlling the light beam and changing the scanning angle along its inner surface with an optically coupled emitter and an optical receiver, and an object start measuring sensor and with the possibility of registering the vertical position of the ring module relative to the object, made with the possibility of vertical movement by means of a drive along the central vertical axial line of the measurement object passing through the center of the annular base, electrically connected to the control and recording personal electronic computer, including a digital information processing system , the ring module, in addition, includes stationary optical components for controlling the light beam, the image comprising a group of emitter, consisting of wide-angle sources of light radiation irradiating the inner space of the ring module with a wavelength outside the visible range of light, made with the possibility of their sequential connection to a power source, and a group of optical receiver, consisting of wide-angle photodetectors, matched by the frequency of radiation sources , with direct optical connection between them, rigidly mounted on an annular base from the side of its internal part and placed on one you the relative level of the annular base in the horizontal plane along the arc of a circle of its inner surface with equal small angular pitch Δφ and Δφ / 2 of the distance of the optical components from each other, respectively, in the emitter group and the optical receiver group, and with a given angular displacement step Δφ / 4 of the optical components of one from groups relative to another so that the components of the emitter group internally divide the arc segment between each adjacent pair of photodetectors and are arranged so that each source of the group emits in the direction of its radiation, the center of the ring base is associated with the group of photodetectors of the optical receiver, accommodated by the arc of the circumference of the ring base determined by the viewing angle of the source, on the side opposite to the source, while the group of emitters and the group of optical receivers are in parallel electrically connected to key electronic devices of the electronic unit radiation control and registration of the shadow boundaries of the object, respectively, the optical components of the emitter group - with a switch sources, and the optical components of the optical receiver group with a photodetector switch, electrically connected to a threshold device - a comparator, and key electronic devices for electronic control of radiation and registration of the shadow boundaries of the object, which are in parallel electrically connected to the control and recording personal electronic computer, and communication with a personal electronic computer of the source switch and photodetector switch is carried out Res respective registers the source address and photodetectors, and personal electronic computer electrically connected in parallel with the control panel electrically connected to the motor, and the contact sensor measurement start section of the object of the electric device control unit.
Причем устройство, кроме того, содержит жестко связанную с кольцевым модулем и блоком электронного управления излучением и регистрации границ тени объекта каретку с электромеханическим приводом ее перемещения вдоль цилиндрической вертикальной направляющей стойки, состоящим из механизма вертикального перемещения каретки внутри вертикальной цилиндрической направляющей стойки вдоль ходового винта, приводимого в движение механической зубчатой передачей, связанной с электродвигателем, при этом на корпусе установлен электрический блок управления устройством, содержащий электрический пульт управления и контактный датчик начала измерения сечения объекта, взаимодействующий посредством его контактной пары с механической зубчатой передачей электромеханического привода и электрически связанный со счетчиком уровней положения каретки с кольцевым модулем на вертикали, реализованным в блоке регистрации на персональной электронно-вычислительной машине, включающей вычислительный и управляющий блоки системы цифровой обработки информации. Moreover, the device further comprises a carriage rigidly connected with the ring module and the electronic radiation control unit and registering the shadow boundaries of the object with an electromechanical drive for moving it along the cylindrical vertical rack guide, consisting of a mechanism for the vertical movement of the carriage inside the vertical cylindrical rack guide along the lead screw, driven in motion by a mechanical gear transmission associated with an electric motor, while an electric unit is mounted on the housing to control the device, comprising an electric control panel and a contact sensor for measuring the cross-section of an object, interacting by means of its contact pair with a mechanical gear transmission of an electromechanical drive and electrically connected to a level counter of the position of the carriage with a ring module on the vertical, implemented in the registration unit on a personal electronic computer machine, including the computing and control units of a digital information processing system.
Указанная задача также решена за счет того, что в способе бесконтактного измерения топографии поверхности объекта, заключающемся в том, что последовательно скользяще послойно измеряют вдоль продольной вертикальной оси объекта контуры поперечных сечений его поверхности путем непрерывного облучения движущимся в горизонтальной плоскости световым лучом области измерения, занимаемой объектом, из точки положения источника, движущейся по охватывающей объект окружности, при непрерывном изменении вертикального положения этой плоскости, принимают в движущейся точке положения приемника той же окружности лучи, падающие на незатененные объектом участки противоположной дуги окружности, определяют границы начала и конца тени объекта по последовательным изменениям состояний незатенения и затенения светового луча объектом путем выделения из преобразованного электрического сигнала приемника нулевого сигнала, определяют по выделенным границам тени положение касательного к поверхности объекта луча из соответствующей точки положения источника в плоскости окружности с соответствующим вертикальным положением, определяют после полного оборота точки облучения по окружности вокруг измеряемого объекта в заданном направлении последовательно в плоскости окружности горизонтального уровня начала измерения сечения координат узловых точек пересечения касательных, соответствующих правым и левым границам тени объекта, определяют измеряемый контур поперечного сечения объекта путем интерполяции сглаживания геометрического места точек пересечения касательных к объекту, полученного для интервала высот за время полного оборота точки облучения, повторяют указанную последовательность действий на следующих друг за другом горизонтальных уровнях измерений сечений объекта при изменении относительного положения в продольном вертикальном направлении источника облучения на окружности и объекта, и вычисляют полную топографию поверхности объекта путем геометрической реконструкции поверхности по последовательности измеренных непрерывно следующих друг за другом поперечных сечений поверхности объекта, вдоль его продольной вертикальной оси, для каждой фиксированной точки положения источника облучения на окружности определяют одновременно в одной горизонтальной плоскости положение двух касательных лучей слева и справа к поверхности объекта, охватывающих контур поперечного сечения объекта с двух противолежащих сторон поверхности, путем последовательного облучения области измерения объекта группой дискретно размещенных в заданных точках окружности источников, излучающих расходящиеся веерные пучки лучей с угловой шириной, превышающей угловые поперечные размеры объекта, принимают затененные и не затененные объектом лучи группой приемников, размещенных в заданных точках той же окружности, соответствующих противоположной источнику дуге окружности за объектом, определяют координаты концов дуги тени объекта на окружности путем измерения преобразованных сигналов приемников и выделяют из них группы с нулевым сигналом, определяют положения обоих касательных лучей к поверхности объекта по заданным координатам положения источника и приемников на окружности, соответствующих концам дуги тени объекта для выделенной группы, и повторяют указанную последовательность действий для каждой точки положения источника, причем после облучения объекта последним из группы источников последовательно для каждой пары соседних точек положения источников на окружности в ее плоскости определяют координаты узловых точек пересечения касательных, собранных для всех точек последовательных положений источников на окружности, по геометрическому месту которых определяют контур горизонтального сечения поверхности объекта и, последовательно повторяя измерения контуров горизонтальных сечений поверхности на следующих друг за другом с заданным шагом, регистрируемым чувствительным датчиком, горизонтальных уровнях измерений, вычисляют топографию поверхности объекта путем геометрической реконструкции поверхности вдоль продольной вертикальной оси объекта по последовательности измеренных по шагам дискретных горизонтальных поперечных сечений поверхности объекта, образующей ее дискретный линейный каркас. This problem is also solved due to the fact that in the method of non-contact measurement of the topography of the surface of the object, which consists in sequentially slidingly measuring the contours of the cross sections of its surface along the longitudinal vertical axis of the object by continuously irradiating the measurement region occupied by the object moving in the horizontal plane of the light beam , from the point of position of the source moving along the circle surrounding the object, with a continuous change in the vertical position of this plane, pr in the moving point of the receiver’s position of the same circle, the rays incident on the areas of the opposite circular arc that are not obscured by the object determine the boundaries of the beginning and end of the object’s shadow by successive changes in the state of shadowing and shading of the light beam by the object by extracting a zero signal from the converted electrical signal of the receiver, to the boundaries of the shadow, the position of the beam tangent to the surface of the object from the corresponding point of the source position in the plane of the circle with the corresponding after the current vertical position, determine after the complete revolution of the irradiation point around the measured object in a predetermined direction in a predetermined direction sequentially in the plane of the horizontal plane of the beginning of the measurement of the coordinate section of the nodal intersection points of the tangents corresponding to the right and left borders of the object’s shadow, determine the measured object cross-section contour by smoothing interpolation the geometric location of the points of intersection of the tangents to the object obtained for the height interval for the time n a complete rotation of the point of irradiation, repeat the specified sequence of actions at successive horizontal levels of measurement of the cross sections of the object when the relative position in the longitudinal vertical direction of the radiation source on the circumference and the object changes, and calculate the complete topography of the surface of the object by geometric reconstruction of the surface according to a sequence of continuously measured next after each other, cross-sections of the surface of the object, along its longitudinal vertical axis, for each of the fixed point of the position of the radiation source on the circle, simultaneously determine in the same horizontal plane the position of two tangent rays to the left and right of the object’s surface, covering the contour of the object’s cross-section from two opposite sides of the surface, by sequentially irradiating the object’s measurement region with a group of sources discretely placed at given circle points emitting diverging fan beams of rays with an angular width exceeding the angular transverse dimensions of the object, taking the shaded and non-shaded object rays are collected by a group of receivers located at predetermined points of the same circle corresponding to the opposite source of the circular arc behind the object, the coordinates of the ends of the object’s shadow arc on the circle are determined by measuring the converted signals of the receivers, and groups with a zero signal are extracted from them, position both tangent rays to the surface of the object at the given coordinates of the position of the source and receivers on the circle corresponding to the ends of the arc of the shadow of the object for the selected groups, and repeat the indicated sequence of actions for each point of the source position, and after irradiating the object with the last of the group of sources, for each pair of neighboring points of the source position on the circle in its plane, the coordinates of the nodal intersection points of the tangents collected for all points of the successive positions of the sources on the circle are determined whose geometrical location determines the contour of the horizontal section of the surface of the object and, sequentially repeating the measurements of the contour The horizontal surface cross-sections at the horizontal levels of measurements following each other with a given step recorded by the sensitive sensor calculate the surface topography of the object by geometric reconstruction of the surface along the longitudinal vertical axis of the object using the sequence of discrete horizontal cross-sections measured on the surface of the object forming its discrete linear frame.
Причем геометрическое место точек пересечения, касательных к объекту, собранных для всех точек последовательных положений источников облучения объекта на окружности, определяют одновременно по правым и левым концам дуги тени объекта в режиме реального времени измерения каждого горизонтального сечения поверхности объекта путем последовательного пересечения касательных с ближайшим угловым положением в окружности, вычисленным по координатам соответствующих точек положения источников и приемников на окружности, при обходе вокруг объекта в заданном направлении. Moreover, the geometrical location of the intersection points tangent to the object, collected for all points of consecutive positions of the sources of radiation of the object on the circle, is determined simultaneously from the right and left ends of the arc of the object’s shadow in real-time mode by measuring each horizontal section of the object’s surface by successively intersecting the tangents with the nearest angular position in a circle, calculated from the coordinates of the corresponding points of the position of the sources and receivers on the circle, when going around Project in a given direction.
Причем форму измеряемого контура геометрического сечения объекта определяют с учетом высоты каждого контура горизонтального сечения над плоскостью нулевого уровня отсчета измерений сечений тем, что в начале измерения первого сечения топографии поверхности объекта дополнительно измеряют по шкале расстояние от опорной плоскости нулевого уровня отсчета до уровня начала измерений сечений - первого горизонтального уровня измерения топографии поверхности объекта и определяют абсолютные значения высоты точек измеренных контуров сечений поверхности по формуле:
HSv=h0+v•h,
где S - номер луча, вмещающего точку, (S=1, N);
М - количество лучей, соответствующее количеству приемников на окружности;
v - номер измеренного горизонтального сечения поверхности, (v=1, К);
К - количество измеренных горизонтальных сечений поверхности;
h0 - высота первого горизонтального уровня измерения топографии поверхности объекта над плоскостью нулевого уровня отсчета измерений сечений;
h - шаг смещения плоскости уровня измерения сечения по вертикали.Moreover, the shape of the measured contour of the geometric section of the object is determined taking into account the height of each contour of the horizontal section above the plane of the zero reference level of measurements of cross-sections, so that at the beginning of the measurement of the first section of the topography of the surface of the object, the distance from the reference plane of the zero reference level to the level of the beginning of measurement of cross sections is additionally measured - the first horizontal level measuring the topography of the surface of the object and determine the absolute values of the height of the points of the measured contours of the section th surface according to the formula:
H Sv = h 0 + v • h,
where S is the number of the ray containing the point (S = 1, N);
M is the number of rays corresponding to the number of receivers on the circle;
v is the number of the measured horizontal section of the surface, (v = 1, K);
K is the number of measured horizontal surface sections;
h 0 - the height of the first horizontal level measurement of the topography of the surface of the object above the plane of the zero level of reference measurements of sections;
h is the vertical displacement of the plane of the level measurement of the cross section.
Поставленная задача решена за счет того, что источники светового излучения выполнены в виде светодиодов, фотоприемники - в виде фотодиодов. The problem is solved due to the fact that the light sources are made in the form of LEDs, photodetectors - in the form of photodiodes.
Сущность устройства для осуществления способа бесконтактного измерения топографии поверхности объекта, преимущественно фигуры человека, поясняется фиг. 1-4. The essence of the device for implementing the method of non-contact measurement of the topography of the surface of an object, mainly a human figure, is illustrated in FIG. 1-4.
На фиг.1 и 2 схематически представлено устройство, реализующее способ, в двух проекциях. Фиг.2 раскрывает также схему кольцевого модуля поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей поверхности объекта в плоскости, реализующую способ, и иллюстрирует характерные положения луча в плоскости облучения для одного ракурса измерения. Figure 1 and 2 schematically shows a device that implements the method, in two projections. Figure 2 also discloses a diagram of a ring module of transverse multi-angle irradiation by a beam of light rays of an object surface in a plane that implements the method, and illustrates the characteristic positions of the beam in the irradiation plane for one measurement angle.
На фиг.3 дополнительно изображено устройство, общий вид в аксонометрии. Figure 3 additionally shows the device, a General view in a perspective view.
На фиг.4 приведена блок-схема управления устройства. Figure 4 shows the control block diagram of the device.
Сущность способа поясняется фиг. 5-9. The essence of the method is illustrated in FIG. 5-9.
На фиг.5 показана схема геометрии сбора данных. Figure 5 shows a diagram of the geometry of data collection.
На фиг.6-8 представлена схема расчета координат поверхности:
Фиг. 6 представлена для разъяснения определения положения оптических компонентов кольцевого модуля поперечного многоракурсного облучения его внутреннего пространства пучком световых лучей в координатной системе Оху устройства (схема координатного представления элементов);
Фиг.7 иллюстрирует способ определения узловых точек сечения и начало реконструкции сечений по проекционным данным.Fig.6-8 presents a diagram of the calculation of the coordinates of the surface:
FIG. 6 is presented to clarify the determination of the position of the optical components of the ring module of the transverse multi-angle irradiation of its internal space with a beam of light rays in the Ohu coordinate system of the device (coordinate representation of the elements);
7 illustrates a method for determining the nodal points of the section and the beginning of the reconstruction of sections according to projection data.
Фиг. 8 иллюстрирует геометрическое представление горизонтального сечения фигуры человека (законченная реконструкция сечения) в соответствии с матрицей результатов обмера сечения фигуры человека в плоскости уровня Н. FIG. 8 illustrates a geometric representation of a horizontal section of a human figure (complete reconstruction of a section) in accordance with the matrix of results of measuring a section of a human figure in a level plane N.
Экспериментальное доказательство достижения цели представлено на фиг.9, 10. Experimental evidence of goal achievement is presented in Fig.9, 10.
Устройство (фиг. 1) состоит из основания в виде корпуса 1, на верхней платформе которого с внешней стороны закреплена цилиндрическая направляющая стойка 2, камера которой имеет узкий ограничительный продольный паз 3 для обеспечения вертикального перемещения внутри стойки 2 несущей каретки 4 вместе с кольцевым модулем 5 поперечного многоракурсного облучения его внутреннего пространства пучком световых лучей D (фиг.2) в горизонтальной плоскости уровня Н. Каретка 4 приводится в движение вверх или вниз вдоль направляющей стойки 2 соответственно в направлении стрелки А или А' с помощью электромеханического привода, который состоит из установленного на корпусе 1 механизма вертикального перемещения каретки 4 внутри вертикальной цилиндрической направляющей стойки 2 вдоль его ходового винта 6, приводимого во вращательное движение механической зубчатой передачей 7 внешнего зацепления и соединенного с ней во внутреннем пространстве корпуса 1 со стороны его нижней части, и электродвигателя 8, связанного с этой передачей 7. Причем поверхность внешней верхней платформы корпуса 1 служит плоскостью нулевого уровня измерений абсолютных значений отсчетов высоты Н положений кольцевого модуля 5 поперечного многоракурсного облучения его внутреннего пространства пучком световых лучей D в горизонтальной плоскости по вертикали, задающих последовательные уровни горизонталей топографии поверхности объекта на вертикали OO' в координатной системе устройства. На корпусе 1, кроме того, установлен электрический блок управления устройством, содержащий электрический пульт управления 9 с блоком питания, снабженный клавишами 10, 11 и 12 включения, обмера и реверса соответственно, и чувствительный контактный датчик начала измерения сечения объекта - микровыключатель 13, включаемый штифтом 14 его контактной пары, установленным радиально на внешнем диаметре со стороны нижней части на ведомой шестерне 15 механической передачи 7, закрепленной на ходовом винте 6 и связанной с электродвигателем 8 посредством ведущей шестерни 16. При каждом обороте ходового винта 6 штифт 14 замыкает контакты микровыключателя 13, формирующего управляющий электрический импульс запуска L (фиг.4) для начала измерения сечения объекта на каждом горизонте Н. The device (Fig. 1) consists of a base in the form of a
Каретка 4, кроме того, конструктивно жестко связана с кольцевым модулем 5 поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей, ориентированным в горизонтальном направлении и содержащем кольцевое основание 17 и стационарные независимые оптические компоненты 18, 19 управления световым лучом, жестко установленные на кольцевом основании 17 со стороны его внутренней части и образующие соответственно группу излучателя, состоящую из широкоугольных, облучающих внутреннее пространство кольцевого модуля источников светового излучения 18, типа светодиодов с длиной волны за пределами видимого диапазона света, выполненного с возможностью их последовательного подключения к источнику питания, и группу оптического приемника, состоящую из широкоугольных фотоприемников 19, типа фотодиодов, согласованных по частоте излучения источников 18, с прямой оптической связью между ними, и размещенные на одном высотном уровне кольцевого основания 17 в горизонтальной плоскости по дуге окружности его внутренней поверхности с равным угловым шагом Δφ и Δφ/2 (фиг.6) отстояния оптических компонентов друг от друга соответственно в группе излучателя и оптического приемника и с заданным угловым шагом смещения Δφ/4 оптических компонентов одной из групп относительно другой так, что компоненты группы излучателя внутренним образом делят дуговой отрезок между каждой смежной парой фотоприемников 19 и компонуются при измерении так, что каждому источнику 18-Иi (фиг.2) группы излучателя в направлении его излучения на центр О кольцевого основания 17 ставится в соответствие группа фотоприемников 19 оптического приемника, вмещаемая дугой ∪ = ФuФu+α окружности кольцевого основания, определяемой углом α обзора источника 18, на противоположной от источника стороне окружности. Излучатель и оптический приемник могут состоять, например, соответственно из широкоугольных источников светового излучения в инфракрасной области спектра, типа светодиодов, и с сектором излучения не менее α = 60° на уровне 0,5, и согласованных по частоте излучения светодиода широкоугольных фотоприемников, типа фотодиодов, чувствительных в инфракрасной области спектра. Каретка 4 обеспечивает возможность перемещения кольцевого модуля 5 поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей вдоль центральной вертикальной осевой линии объекта измерения, проходящей через центр О его кольцевого основания.The carriage 4, in addition, is structurally rigidly connected with the ring module 5 of the transverse multi-angle irradiation with a beam of light rays oriented in the horizontal direction and containing the ring base 17 and stationary independent optical components 18, 19 for controlling the light beam rigidly mounted on the ring base 17 from its side the inner part and respectively forming an emitter group, consisting of wide-angle sources of light radiation irradiating the inner space of the annular module 18, type of LEDs with a wavelength outside the visible range of light, made with the possibility of their sequential connection to a power source, and a group of optical receiver, consisting of wide-angle photodetectors 19, type of photodiodes, matched by the frequency of radiation of sources 18, with direct optical connection between them, and placed at the same height level of the annular base 17 in the horizontal plane along the arc of a circle of its inner surface with equal angular pitch Δφ and Δφ / 2 (Fig.6) distance of the optical components s from each other, respectively, in the group of the emitter and the optical receiver and with a given angular displacement step Δφ / 4 of the optical components of one of the groups relative to the other so that the components of the emitter group internally divide the arc segment between each adjacent pair of photodetectors 19 and are assembled when measured so that each source 18-I i (Fig. 2) of the emitter group in the direction of its radiation at the center O of the annular base 17 is associated with a group of photodetectors 19 of the optical receiver, accommodated by an arc ∪ = Ф u Ф u + α of the circumference of the annular base, determined by the angle α of the view of the source 18, on the opposite side of the circle from the source. The emitter and the optical receiver can consist, for example, of wide-angle light sources in the infrared, such as LEDs, and with a radiation sector of at least α = 60 ° at a level of 0.5, and wide-angle photodetectors, such as photodiodes, matched by the frequency of the light emitting diode sensitive in the infrared. The
Кроме того, на каретке 4 установлен блок электронного управления излучением и регистрации границ тени объекта 20, коммутирующий сигналы включения соответствующих источников излучения 18 и фотоприемников 19 со стороны управляющей и регистрирующей персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ) 21, а также регистрирующий и передающий сигнал состояния излучения от опрашиваемых фотоприемников 19 (есть свет - нет света) в регистры памяти ПЭВМ 21. Блок 20 электронного управления излучением и регистрации границ тени объекта, выполняет функции безынерционного управления переключением источников 18, регистрации излучения фотоприемниками 19 и аналого-цифрового преобразования электрических сигналов L2 фотоприемников и сбора данных в системе с управляющей и регистрирующей ПЭВМ 21 (фиг.4). Каретка 4 с кольцевым модулем 5 поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей через продольный паз 3 цилиндрической стойки 2 жестко связана с расположенным снаружи кольцом кольцевого модуля 17 и расположенным с противоположной стороны от кольца блоком электронного устройства управления и регистрации 20, а внутри цилиндра направляющей стойки 2 связана с возможностью вертикального перемещения с ходовым винтом 6 и цилиндрической направляющей стойкой 2.In addition, on the
Источники излучения 18 и фотоприемники 19 параллельно электрически соединены (фиг.1, 4) соответственно с коммутаторами источников излучения 22 и коммутаторами фотоприемников 23, подключенными соответственно к регистрам адресов источников излучения 24 и фотоприемников 25. Выходы коммутатора фотоприемников 23 подключены к пороговому устройству - компаратору 26, а входы регистров адресов источников излучения 24 и фотоприемников 25 и выход компаратора 26 подключены к управляющей и регистрирующей ПЭВМ 21. The radiation sources 18 and the
Вход управляющей и регистрирующей ПЭВМ 21 параллельно электрически соединен с электрическим пультом 9 управления устройством с блоком питания и контактным датчиком начала измерения сечения - микро выключателем 13, и, кроме того, с клавиатурой 27 для управления ПЭВМ 21 оператором. Выход ПЭВМ, кроме того, соединен с устройством вывода результатов измерений поверхности на мониторе 28. Электрический пульт управления 9 устройства электрически связан с электродвигателем 8. The input of the control and
В процессе измерения сечений поверхности объекта 29 каждый оптический компонент системы излучателя Иi (i=(0,М-1) (фиг.2) и соответствующая ему группа регистрирующих состояния светового луча D компонентов Фj(j=(0,N-1), (фиг.5) оптического приемника, расположенные в пространстве по разные стороны объекта, занимают последовательно ряд фиксированных в положений в окружности, охватывающей объект, определяя ракурсы ИiO измерения сквозных диаметров DIM сечений 29 поверхности объекта, и формируя плоских параллельный платформе корпуса 1 веерный пучок лучей Dj от источника излучения к регистрирующей группе оптических компонентов, вмещаемых дугой опроса фотоприемников ∪ = Ф
Устройство взаимодействует с компьютером через стандартный аппаратный интерфейс ПЭВМ 21 - LPT-порт, которые входят в состав устройства (на схеме не показаны). Связь устройства с компьютером выполнена известным образом. Регистрирующая и вычислительная функции устройства по получению и первичной обработке информации (результатов обмера) реализуется в системе с ПЭВМ с помощью управляющей программы ПЭВМ 21 в управляющем блоке 30 цифровой регистрации системы цифровой обработки полученных данных соответственно на ПЭВМ 21. Определение границ тени объекта, геометрическая реконструкция сечений 29 и полной топографии поверхности измеряемого объекта 29 и выдача числовой и графической информации об объекте реализуется в вычислительном блоке 31 системы цифровой обработки информации на ПЭВМ 21. Вычислительный блок системы цифровой обработки и выдачи информации 31 (фиг.4) ПЭВМ выполняет функции визуаилзации данных, т. е. проектирования и генерации изображений на устройствах отображения, преимущественно на экране дисплея 28, на основе исходных цифровых данных и правил и алгоритмов их преобразования, а также обеспечивает вывод визуальной графической и числовой информации на машиночитаемый носитель 32 или в среду трехмерной системы автоматизированного проектирования одежды 3D САПРО. The device interacts with the computer through the standard hardware interface of the PC 21 - LPT port, which are part of the device (not shown in the diagram). Communication device with a computer made in a known manner. The recording and computational functions of the device for obtaining and primary processing of information (measurement results) are implemented in a PC system using the
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Человек, фигуру 29 которого необходимо измерить, устанавливается в основной антропометрической стойке, в продольном вертикальном положении внутри ограничивающего область измерения кольцевого основания 17 кольцевого модуля 5 поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей D в горизонтальной плоскости уровня Н, преимущественно в его центре вдоль центральной вертикальной осевой линии. Основные измерения выполняют в плоскости кольцевого основания 17 в горизонтальном, поперечном по отношению к измеряемому объекту, направлении, перпендикулярно центральной вертикальной оси устройства OO', ориентированной вдоль объекта при измерениях. Область измерений задана окружностью радиуса R кольцевого основания 17 (фиг.2). The person whose figure 29 is to be measured is installed in the main anthropometric rack, in a vertical vertical position inside the
Нажатием на пульте 9 (фиг.4) клавиши 10 включается питание Uп электронных устройств блока 20 управления излучением и регистрами границ тени объекта. С клавиатуры 27 ПЭВМ 21 запускается программа управления устройством управляющего блока 30 цифровой регистрации и ПЭВМ 21 входит в режим ожидания управляющего электрического импульса L запуска начала измерения сечения с микро выключателя 13.By pressing on the remote control 9 (Fig. 4) the
Нажатием клавиши 11 пуска включается электродвигатель 8, который через ведущую шестерню 16 приводит в движение ходовой винт 6. При вращении ведомой шестерни 15 штифт 14 замыкает микро выключатель 13, формируя управляющий электрический импульс L запуска начала измерения первого горизонтального сечения, которым начинает выполняться программа ПЭВМ 21 управления обмером фигуры человека 29 управляющего блока 30 цифровой регистрации, регистрирующая импульс L и формирующая его первый отчет v. В соответствии с программой управления управляющего блока 30 цифровой регистрации на начальном этапе сигналом L1 ПЭВМ 21 с LPT-порта компьютера в регистр адреса источников излучения 24 записывается номер первого установленного на кольцевом основании 17 (в последовательности оптических компонентов кольцевого модуля 5 по стрелке В-И0 (фиг.2)) светодиода 18, регистр адреса источников излучения 24 через соответствующий коммутатор 22 подключает светодиод 18 к напряжению питания Uп. Следом за установкой адреса источника И0 ПЭВМ 21 таким же образом выставляет в регистр адреса фотоприемников 25 первый номер фотоприемника 19 соответствующей источнику Ио группы фотоприемников дуги опроса (в последовательности оптических компонентов кольцевого модуля 5 по стрелке С-Фo i (фиг. 2)), то есть соответствующий первой позиции фотоприемника на противоположной от источника дуге полуокружности кольцевого основания 17 при обходе по стрелке С и рассчитываемый по формуле, согласно иллюстрирующей способ схеме размещения оптических компонентов (фиг.6), который через коммутатор приемников 23 подключает установленный фотоприемник Фo i к пороговому устройству - компаратору 26. Порог срабатывания компаратора устанавливается с превышением фонового уровня инфракрасного излучения помещения, в котором проводят измерения, при отсутствии излучения светодиодов. При приеме фотоприемником излучения светодиода на выходе компаратора 26 формируется потенциал +5В, равный логической единице ПЭВМ 21, при отсутствии сигнала на выходе компаратора 26 формируется логический ноль. Оптический параметр излучения источника 18 (коэффициент поглощения), являющийся функцией положения луча D в горизонтальной плоскости кольцевого модуля 17, преобразуется в амплитуду электрического сигнала фотоприемника 19, регистрируемую на выходе фотоприемника. С интервалом времени быстродействия фотоприемника 19, равного 3•10-9 с, ПЭВМ 21 устанавливает поочередно в регистре адреса приемников 25 номера опрашиваемых фотоприемников соответствующей для данного светодиода дуги и заносит информацию об их состоянии в регистр памяти ПЭВМ 21. Эта информация формируется в виде первой строки матрицы результатов измерений каждого горизонтального сечения, в начале которой фиксирован номер первого источника i, номер первого Фo i и состояние всех остальных опрашиваемых для данного источника фотоприемников в ячейках ij матрицы. Таким образом, текущий номер Иi подключаемого светодиода 18 и номер Фj опрашиваемого фотоприемника 19 регистрируется в управляющем блоке 30 цифровой регистрации на ПЭВМ 21, где формируются стоки матрицы результатов измерения сечения, с номером i(i=l,М) включенного светодиода Иi, ячейки которой по столбцам j(j=l,N) формируются согласно предварительно заданному индексу отсчета ИО: ji=(0,(N/2+2)i (фиг.5) опроса фотоприемников 19 и содержат результаты опроса (преобразованные электрические сигналы) соответствующей заданному источнику Иi и номеру строки i дуги ∪ = (0, N/2+2)i фотоприемников 19. Кроме того, в начале каждой строки фиксирован индекс отчета v горизонтального уровня измерения.By pressing the
Опросив всю группу фотоприемников, установленных на кольцевом основании 17, ПЭВМ 21 вновь выставляет сигналом L1 в регистр адреса источников излучения 24 номер И1 следующего по порядку в кольцевом основании 17 светодиода 18 в направлении стрелки В, подключая его через коммутатор 22 к источнику питания. Далее производится опрос состояния всех фотоприемников для подключенного второго светодиода с регистрацией их состояния в регистре памяти ПЭВМ 21, формируя информацию в виде второй строки матрицы результатов измерения сечения. Процесс продолжается до включения последнего светодиода 18, установленного в кольцевом основании и приема информации от всех фотоприемников для этого светодиода. После этого управляющая ПЭВМ 21 переходит в режим ожидания следующего импульса запуска L от устройства, соответствующего началу обмера сечения на следующем горизонте с индексом v=2. Положение следующего горизонта соответствует смещению кольцевого модуля 5 вдоль вертикальной направляющей стойки 2, равному шагу ходового винта h.Having interviewed the entire group of photodetectors installed on the
Общее время регистрации одного сечения в горизонтальной плоскости не превышает величины 0,3 с, равной времени одного полного оборота ходового винта 6, и определяется временем электронного переключения оптических компонентов, составляющим 3•10-9 с.The total recording time of one section in the horizontal plane does not exceed 0.3 s, equal to the time of one full turn of the
С началом второго оборота тягового винта 6, соответствующего следующему уровневому горизонтальному положению каретки с кольцевым модулем 5, в электронном блоке управления устройством микро выключатель 13 формирует новый импульс запуска L, поступающий на ПЭВМ 21, и процесс обмера повторяется для данного горизонтального уровня кольцевого модуля 5. Отсчет электрических импульсов L микро выключателя 13, регистрирующих следующие друг за другом в процессе измерения с заданным равным шагом горизонтальные уровни v измерений сечений, осуществляется на ПЭВМ 21. With the beginning of the second turn of the
В конечном итоге процесс обмера завершается оператором выключением клавиши 11 или командой остановки выполнения программы измерения фигуры человека с клавиатуры 27 ПЭВМ 21. При необходимости измерения фигуры человека в обратном направлении (например, стрелки А') оператор включает клавишу реверса 12, затем клавишу пуск 10. Процесс обмера повторяется в обратном направлении по вертикали и заканчивается выключением клавиши 11 или командой управляющей программы на ПЭВМ с клавиатуры 27. Ultimately, the measurement process is completed by the operator turning off the key 11 or the command to stop the execution of the program for measuring a person’s figure from the
Изображение сечений поверхности объекта плоскостями уровня получают в режиме реального времени на устройстве отображения - мониторе 28. The image of the surface sections of the object by level planes is obtained in real time on the display device -
В итоге в управляющем блоке 30 цифровой регистрации формируется массив результатов обмера сечений (файл данных), заключающий в себе описание формы обмеряемой фигуры в виде проекционных данных по многим направлениям вдоль прямых распространения света (световых лучей) на фотоприемники, формируемый из матриц результатов измерений сечений с фиксированным отсчетом v уровня плоскости измерения по вертикали и размером [М, N], элементы которой принимают одно из двух значений состояния излучения: 1 - есть свет, 0 - свет блокирован объектом. По значениям матрицы вычисляют касательные к поверхности лучи и восстанавливают сечения поверхности объекта, в совокупности формирующие дискретный линейный каркас поверхности - ее топографию. После записи массива проекционных данных измерение завершается, а результат определяется расчетным путем. As a result, an array of cross-section measurement results (data file) is formed in the digital
Итак, бесконтактное измерение топографии поверхности объекта осуществляется следующим способом. После того, как оптические компоненты управления световым лучом излучателя и оптического приемника разместили в одной горизонтальной плоскости по окружности радиуса R в соответствии с фиг.6, т.е. ограничили область измерения, и поместили внутри этой области в центральной ее части объект, поверхность которого необходимо измерить, в продольном вертикальном положении относительно плоскости измерения, выполняют измерение топографии его поверхности, основанное на последовательном скользящем измерении вдоль продольной вертикальной оси объекта контуров дискретных поперечных горизонтальных сечений его поверхности в пренебрежимо малом интервале вертикального слоя поверхности при непрерывном смещении горизонтальной плоскости окружности вдоль центральной вертикальной продольной осевой линии объекта, по последовательности которых осуществляется геометрическая реконструкция поверхности объекта, образующая дискретный линейный каркас - топографию поверхности объекта. So, non-contact measurement of the surface topography of an object is carried out in the following way. After the optical components for controlling the light beam of the emitter and the optical receiver are placed in one horizontal plane around a circle of radius R in accordance with FIG. 6, i.e. we limited the measurement region, and placed inside this region in its central part an object whose surface is to be measured in a longitudinal vertical position relative to the measurement plane, the topography of its surface is measured based on a sequential sliding measurement along the longitudinal vertical axis of the object of the contours of discrete transverse horizontal sections of it surface in a negligible interval of the vertical layer of the surface with a continuous shift of the horizontal plane of approx uzhnosti along the central vertical longitudinal center line of the object, which is performed in sequence geometrical reconstruction of the object surface, forming discrete linear frame - the topography of the object surface.
По данному способу поверхность облучают последовательно с точечных позиции на окружности широкоугольными источниками, угол обзора которых превышает угловые поперечные размеры объекта, вдоль числа М•N/2 направлений, лежащих в плоскости окружности, где М - количество источников в окружности (соответственно число положений точки оптического облучения объекта) или ракурсов облучения Oi, N - количество фотоприемников (число положений точки приема излучения источника на дуге излучения) дуги опроса для одного ракурса (фиг. 5). Излучение источника света ориентируют относительно направления на центр О окружности. Ориентация излучения источника света осуществляется по угловому положению радиус-вектора точки излучения на окружности относительно оси начала отсчета Оу (фиг.5, 6). При этом с каждой фиксированной точки положения источника в плоскости секущей поверхность объекта окружности ее облучают одновременно вдоль N/2 направлений веерным пучком расходящихся лучей D, которые проецируют в плоскости окружности на противоположную источнику дугу, где принимают затененные и незатененные объектом лучи и фиксируют следы лучей в точках положения фотоприемников путем последовательного опроса их состояния в направлении стрелки С (фиг.5, 6). Измеряя амплитуду электрического сигнала фотоприемников дуги опроса, из преобразованных электрических сигналов приемников выделяют группу с нулевым сигналом, соответствующую дуге тени объекта на окружности. Геометрически соединяя в плоскости окружности прямыми точку i положения источника облучения и точки ji и ji' положения приемников, соответствующих концам дуги тени объекта ∪=(ji ji') для выделенной группы приемников с нулевым сигналом, получают касательные к поверхности объекта лучи в сечении 29 (фиг.7). По заданным координатам положений источников и приемников на окружности определяют координаты концов дуги тени и вычисляют положения касательных в окружности.According to this method, the surface is irradiated sequentially from a point position on a circle with wide-angle sources, the viewing angle of which exceeds the angular transverse dimensions of the object, along the number M • N / 2 directions lying in the plane of the circle, where M is the number of sources in the circle (respectively, the number of positions of the optical point object exposure) or radiation angles Oi, N is the number of photodetectors (the number of positions of the source radiation receiving point on the radiation arc) of the interrogation arc for one angle (Fig. 5). The radiation of the light source is oriented relative to the direction of the center O of the circle. The orientation of the light source radiation is carried out according to the angular position of the radius vector of the radiation point on the circle relative to the reference axis Oy (Fig.5, 6). Moreover, from each fixed point of the source’s position in the plane of the secant, the surface of the object of the circle is irradiated simultaneously along N / 2 directions with a fan beam of diverging rays D, which project in the plane of the circle onto the arc opposite the source, where the shaded and unshaded objects are received and the ray traces are recorded in points of the position of the photodetectors by sequentially polling their state in the direction of arrow C (Figs. 5, 6). By measuring the amplitude of the electrical signal of the photodetectors of the polling arc, a group with a zero signal corresponding to the arc of the object’s shadow on the circle is isolated from the converted electrical signals of the receivers. Geometrically connecting in a circle plane straight points i of the position of the radiation source and points j i and j i 'of the position of the receivers corresponding to the ends of the object’s shadow arc ∪ = (j i j i ') for the selected group of receivers with a zero signal, rays are tangent to the surface of the object in section 29 (Fig.7). Based on the given coordinates of the positions of the sources and receivers on the circle, the coordinates of the ends of the shadow arc are determined and the positions of the tangents in the circle are calculated.
Последовательно смещая точку облучения поверхности в направлении стрелки В, например, из позиции i в позицию i+1 (фиг.7), и многократно повторяя указанную последовательность действий для каждой фиксированной точки положения источника облучения на окружности, определяют одновременно в одной горизонтальной плоскости положение двух касательных лучей слева и справа к поверхности объекта, охватывающих контур поперечного сечения объекта с двух противолежащих сторон поверхности. Sequentially shifting the surface irradiation point in the direction of arrow B, for example, from position i to position i + 1 (Fig. 7), and repeatedly repeating the indicated sequence of actions for each fixed point of the position of the radiation source on the circle, the position of two tangent rays to the left and right to the surface of the object, covering the contour of the cross section of the object from two opposite sides of the surface.
Собранные данные формируют матрицу проекционных данных сечения построчно для каждого горизонтального уровня v в порядке смещения плоскости измерения по вертикали в заданном направлении. Из матриц проекций по следующим друг за другом горизонтальным уровням плоскости последовательно формируется сплошной массив проекционных данных обмера поверхности объекта. Порядковым номером горизонта определяется номер матрицы проекций в сплошном массиве проекционных данных обмера по всем горизонтам. Каждому направлению распространения излучения источника в пространстве вдоль расходящихся прямых на фотоприемники соответствует определенное, в зависимости от освещенности фотоприемника, значение напряжения на выходе фотоприемника, которые в режиме реального времени измерения преобразуются в цифровые. Оптический параметр излучения, регистрируемый каждой группой фотоприемников, является функцией положения в кольцевом модуле каждого луча веерного пучка излучения. Таким образом, совокупность пространственных отчетов значений оптического параметра излучения в результате аналогового цифрового преобразования будет представлена массивом чисел в двоичном коде. Что позволяет отвлечься от времени реального сканирования и производить дальнейшие необходимые преобразования как операции над числами этого массива. The collected data forms a matrix of the projection data of the section line by line for each horizontal level v in the order of the vertical displacement of the measurement plane in a given direction. From the projection matrices along successive horizontal levels of the plane, a continuous array of projection data for measuring the surface of the object is successively formed. The ordinal number of the horizon determines the number of the projection matrix in a continuous array of projection measurement data for all horizons. Each direction of propagation of the source radiation in space along diverging lines to the photodetectors corresponds to a certain, depending on the illumination of the photodetector, voltage value at the output of the photodetector, which in real time is converted to digital. The optical radiation parameter recorded by each group of photodetectors is a function of the position in the ring module of each beam of a fan beam of radiation. Thus, the set of spatial reports of the values of the optical radiation parameter as a result of analogue digital conversion will be represented by an array of numbers in binary code. That allows you to escape from the time of real scanning and perform further necessary transformations as operations on the numbers of this array.
По проекционным данным, полученным по преобразованным сигналам фотоприемников вдоль системы расходящихся лучей с различных позиций в окружности определяют теневой контур сечения δG(фиг.8), составленный последовательностью линейных элементов малой длины касательных лучей в окрестности точек Si (фиг.8) их касания измеряемого контура сечения δS, соединенных между собой узловыми (опорными) точками Psi пересечения касательных. Таким образом, в результате последовательного определения координат узловых точек Psi их пересечения для каждой пары соседних точек положения источников на окружности в ее плоскости в режиме реального времени измерения каждого горизонтального сечения поверхности объекта или одновременно по правым и левым концам дуги тени объекта путем последовательного пересечения касательных с ближайшим угловым положением в окружности в системе координат измерений Оху, вычисляемому по параметру k=tgθ - угловой коэффициент касательной и в - ордината точки пересечения касательной с осью Оу, при обходе вокруг объекта в заданном направлении стрелки В (фиг.8). Геометрическая картина, представленная на фиг. 8, соответствует матрице результатов, полученной для сечения фигуры человека плоскостью Н, где пересекающиеся прямые соответствуют касательным к контуру обмеряемого сечения и определяются границами тени для каждого ракурса обзора лучом. При этом получают бинарное векторное изображение контура горизонтального сечения. При таком "цифровом" представлении контура сечения можно составить "дискретированную" геометрическую картину сечения, заменяя действительный гладкий непрерывный контур сечения δS поверхности множеством отрезков касательных, полученных с различных ракурсов к этой поверхности и образующих ломаную δG (фиг.9). Измеряемый контур сечения, таким образом, может быть аппроксимирован последовательностью узловых точек сечения и восстановлен путем линейной и кусочно-дуговой аппроксимации последовательности опорных точек сечения, а недостающие характерные точки сечения определены кубической сплайн-интерполяцией значений их положений по известным дискретным значениям функции ломаной δG в системе Pi полученных узловых точек.According to the projection data obtained from the converted signals of the photodetectors along a system of diverging rays from various positions in the circle, the shadow contour of the section δG (Fig. 8) is determined, made up of a sequence of linear elements of small length of tangent rays in the vicinity of the points Si (Fig. 8) that they touch the measured contour sections δS, interconnected by nodal (reference) points Ps i of intersection of tangents. Thus, as a result of sequential determination of the coordinates of the nodal points Ps i of their intersection for each pair of neighboring points of the position of the sources on the circle in its plane, in real-time measurement of each horizontal section of the surface of the object or simultaneously on the right and left ends of the arc of the object’s shadow by successively intersecting the tangents with the closest angular position in a circle in the coordinate system of the Ohu measurements calculated by the parameter k = tgθ is the angular coefficient of the tangent and c is the ordinate of hibernation tangential intersection with the axis Oy, going around the object in a predetermined direction of arrow B (Figure 8). The geometric pattern shown in FIG. 8 corresponds to the matrix of results obtained for the section of a human figure by the plane H, where the intersecting lines correspond to the tangents to the contour of the section being measured and are determined by the borders of the shadow for each angle of view of the beam. In this case, a binary vector image of the contour of the horizontal section is obtained. With such a “digital” representation of the cross section contour, a “discrete” geometric picture of the cross section can be compiled, replacing the real smooth continuous contour of the cross section δS of the surface with a multitude of tangent segments obtained from different angles to this surface and forming a broken line δG (Fig. 9). Thus, the measured section contour can be approximated by a sequence of nodal section points and reconstructed by linear and piecewise-arc approximations of the sequence of reference section points, and the missing characteristic section points are determined by cubic spline interpolation of the values of their positions from the known discrete values of the polygonal function δG in the system Pi obtained nodal points.
На фиг.5 представлена иллюстрирующая способ схема геометрии сбора данных для веерного пучка расходящихся лучей D источника в горизонтальной плоскости при последовательном смещении в заданном направлении стрелки В по окружности радиуса R точки i широкоугольного облучения области измерения, занимаемой объектом 29, фиксируемой в заданных точках положения источников 18, согласно которой при измерении контура сечения 29 поверхности объекта каждому фиксированному положению i или i* точки облучения на окружности соответствует группа опроса фотоприемников 19, размещенных в точках той же окружности и вмещаемых соответственно дугой ∪ = (0, N/2+2)i и на противоположной источнику стороне окружности, данные опроса которых (Δ, λ)i и соответственно построчно фиксированы в матрице результатов измерения контура одного сечения, где согласно схеме координатного представления оптических компонентов (фиг.6) Δ = i•Δφ, λ = ji•Δφ/2 и (i= (0, М-1), j= (0,N-1)). Данные опроса включают группу фотоприемников 19 с нулевым сигналом, вмещаемую дугой тени объекта в плоскости окружности и соответственно, на концах которой в соответствующие точки положения фотоприемников из точки положения источника той же окружности проецируются касательные к поверхности объекта лучи di и D'i, охватывающие ее контур δS в сечении S с двух противолежащих сторон объекта (справа и слева). Точки пересечения касательных Рs и PS′ являются узловыми (опорными) точками сечения. Данная схема сбора данных позволяет, не снижая скорости обмера, вычислять касательные к контуру сечения измеряемой поверхности по полученным границам тени сечения одновременно с обеих сторон объекта из одной позиции облучения и, тем самым, единовременно определять одномерную проекцию плоского поперечного сечения тела человека.Figure 5 presents a diagram illustrating the geometry of the data collection for a fan beam of diverging rays D of the source in the horizontal plane with a sequential shift in the given direction of the arrow B along the circle of radius R of the point i of the wide-angle irradiation of the measurement area occupied by the
На фиг.8 показано сечение S обмеряемой фигуры горизонтальной плоскостью Н окружности с центром в т. О и радиусом R для последовательного изменения положения на окружности точки облучения объекта 29. On Fig shows a cross section S of the measured figure with a horizontal plane H of a circle with a center in t. O and a radius R for sequentially changing the position on the circle of the irradiation point of the
Пример расчета координат точек поверхности в сечении поясняется фиг.6-7. Расчет координат точек пересечения касательных лучей по положению касательных в окружности поясняется фиг.7. Расчет координат точек поверхности в сечении может быть выполнен следующим образом. An example of calculating the coordinates of surface points in a section is illustrated in Fig.6-7. The calculation of the coordinates of the points of intersection of the tangent rays by the position of the tangents in the circle is illustrated in Fig.7. The calculation of the coordinates of surface points in the section can be performed as follows.
Для вычисления положения касательных в окружности радиуса R и аналитического описания измеренной поверхности задают координатную систему Оху системы измерений, имеющую центр в точке пересечения диаметров окружности, причем ось Oz вертикальна и перпендикулярна плоскости нулевого уровня измерений, а ось Оу проходит через точку на окружности, соответствующую положению первого источника света. To calculate the position of the tangents in a circle of radius R and the analytical description of the measured surface, a coordinate system Oxy of a measurement system is defined that has a center at the point of intersection of the diameters of the circle, the axis Oz being vertical and perpendicular to the plane of the zero level of measurements, and the axis Oy passing through a point on the circle corresponding to the position first light source.
Определяют координаты узловых точек контуров сечений поверхности объекта по полученным проекционным данным вдоль касательных, положение которых в кольцевой измерительной системе Оху рассчитываются по следующим формулам:
Xi = R•sin[i•Δφ], Yi = R•cos[i•Δφ], (3)
где i - индекс источника в измерительной системе,
i={0,M};
М - количество источников в измерительной системе;
j - индекс приемника в измерительной системе,
J={0, N};
N - количество приемников на окружности;
R - радиус окружности измерительной системы;
Δφ - угловая дискретность положения приемников на окружности;
φi = i•Δφ - угловое положение источкника i в окружности;
φj/= (2j+1)/4•Δφ - угловое положение фотоприемника j в кольцевом модуле;
Xi, Yi и Xj, Yj - декартовы координаты точки положения оптических компонентов, источника и приемника соответственно, измерительной системе Оху соответственно на оси Ох и Оу;
Оху - прямоугольная декартова система координат в окружности измерительной системе.The coordinates of the nodal points of the contours of the sections of the surface of the object are determined from the obtained projection data along the tangents, the position of which in the Ohu ring measuring system is calculated by the following formulas:
X i = R • sin [i • Δφ], Y i = R • cos [i • Δφ], (3)
where i is the source index in the measuring system,
i = {0, M};
M is the number of sources in the measuring system;
j is the receiver index in the measuring system,
J = {0, N};
N is the number of receivers on the circle;
R is the radius of the circumference of the measuring system;
Δφ is the angular discreteness of the position of the receivers on the circle;
φ i = i • Δφ is the angular position of source i in a circle;
φ j / = (2j + 1) / 4 • Δφ is the angular position of the photodetector j in the ring module;
X i , Y i and X j , Y j are the Cartesian coordinates of the position points of the optical components, the source and the receiver, respectively, to the Ohu measuring system, respectively, on the Ox and Oy axes;
Ohu is a rectangular Cartesian coordinate system in a circle measuring system.
Формулы (3) и (4) предназначены для вычисления координат точек положения оптических компонентов окружности в ее плоскости Оху. Схема координатного представления компонентов приведена на фиг.(фиг.6). Formulas (3) and (4) are intended for calculating the coordinates of the points of the position of the optical components of a circle in its Ohu plane. A diagram of the coordinate representation of the components is shown in Fig. (Fig.6).
где (xi, уi) и (xi+1, уi+1) - координаты точки положения источников на окружности для первой и второй касательных соответственно;
(xji, уji) и (xj(i+i), уj(i+i)) - координаты точки положения приемников на окружности для первой и второй касательных соответственно;
(x, у) - координаты точки пересечения касательных (узловой точки Ps).
where (x i , y i ) and (x i + 1 , y i + 1 ) are the coordinates of the point of position of the sources on the circle for the first and second tangents, respectively;
(x ji , for ji ) and (x j (i + i) , for j (i + i) ) are the coordinates of the position points of the receivers on the circle for the first and second tangents, respectively;
(x, y) - coordinates of the intersection point of the tangents (nodal point Ps).
Уравнения (5) задают положение части каждой касательной, ограниченной с обеих сторон в окружности. Согласно уравнениям (5) положение касательных с заданным направлением в окружности в системе координат Оху измерительной системы аналитически определяют способом расчета уравнений прямых, проходящих через две заданные точки (например, (xi, уi) и (xji, уji) для первой касательной). Решение системы этих двух уравнений для двух касательных определяет координаты точки их пересечения Psi (x, у) - узловую точки сечения, являющуюся вершиной ломаного контура δG измеренной внутренней области поверхности G. Полученный контур образован очерковыми касательными поверхности в сечении S и описан около гладкой границы истинного контура δS области сечения S, приближая его с заданной конфигурацией устройства точностью (фиг.7, 8):
где xi-1=a, (xi,yi)=(a,b,), yi=b,
xj(i-1)=c, (xji,yji)=(c,d), yji=d,
xi+1=k, (x(i+1),y(i+1))=(k,1), yi+1=1, (7)
xj(i+1)=m, (xj(i+1), yj(i+1))=(m,n), yj(i+1)=n
При этом близлежащие узловые точки сечения формируют пары, каждой из которых единственным образом соответствует отрезок касательной к контуру сечения, образованный в результате ее последовательного пересечения двумя соседними касательными с ближайшими значениями углового коэффициента, k=tgθ, и ординаты точки пересечения касательной с осью ординат, b, при обходе вокруг объекта по касательным в заданном направлении. Последовательность таких отрезков, связанных между собой общими узловыми точками Ps, составляет дискретированный контур δG измеренного сечения поверхности тела человека плоскостью уровня (фиг.8), к которому может быть применен метод сглаживания кривой с использованием В-сплайна по набору полученных узловых точек и построен гладкий контур горизонтального сечения поверхности. Иными словами, при необходимости форма кривой гладкого непрерывного контура горизонтального сечения поверхности может быть восстановлена в результате аппроксимации последовательности точек пересечения касательных для полученных первичных проекционных данных на плоскости плоской кривой типа В-сплайна, а именно кривой полинома третьей степени для каждого сегмента контура в интервалах между точками, соответствующих отрезкам касательных между ними, или дугой для отдельных сегментов кривой контура, а характерные точки линий обмера фигуры и ее параметры могут быть получены на ПЭВМ с помощью интерполяции этих данных, что незначительно усложняет измерение, так как система предполагает наличие вычислительного устройства.Equations (5) specify the position of the part of each tangent bounded on both sides in a circle. According to equations (5), the position of the tangents with a given direction in a circle in the Ohu coordinate system of the measuring system is analytically determined by the method of calculating the equations of lines passing through two given points (for example, (x i , y i ) and (x ji , y ji ) for the first tangent). The solution of the system of these two equations for two tangents determines the coordinates of the intersection point Ps i (x, y) - the nodal point of the section, which is the vertex of the polygonal contour δG of the measured internal region of the surface G. The resulting contour is formed by outlined tangent surfaces of the surface in section S and is described near a smooth boundary the true contour δS of the cross-sectional area S, approximating it with a given device configuration with accuracy (Figs. 7, 8):
where x i-1 = a, (x i, y i ) = (a, b,), y i = b,
xj (i-1) = c, (xj i , yj i ) = (c, d), y ji = d,
x i + 1 = k, (x (i + 1) , y (i + 1) ) = (k, 1), y i + 1 = 1, (7)
xj (i + 1) = m, (xj (i + 1) , yj (i + 1) ) = (m, n), yj (i + 1) = n
In this case, the adjacent nodal points of the section form pairs, each of which uniquely corresponds to a segment of a tangent to the contour of the section, formed as a result of its successive intersection by two adjacent tangents with the nearest values of the angular coefficient, k = tgθ, and the ordinates of the point of intersection of the tangent with the ordinate axis, b , when walking around an object tangentially in a given direction. The sequence of such segments, interconnected by common nodal points P s , makes up a discrete contour δG of the measured section of the human body surface with a level plane (Fig. 8), to which the method of smoothing the curve using the B-spline over the set of obtained nodal points can be applied and constructed smooth contour of the horizontal section of the surface. In other words, if necessary, the shape of the curve of a smooth continuous contour of the horizontal section of the surface can be restored by approximating the sequence of points of intersection of the tangents for the obtained primary projection data on the plane of a plane curve of the B-spline type, namely, a curve of the third degree polynomial for each contour segment in the intervals between points corresponding to the segments of the tangents between them, or an arc for individual segments of the contour curve, and the characteristic points of the measurement lines of FIG. Ura and its parameters can be obtained on a PC by interpolating these data, which slightly complicates the measurement, since the system assumes the existence of a computing device.
Таким образом, граница δG является приближением измеренного контура поверхности, причем при больших расстояниях между узловыми точками контура сечения точность измерения мала, что характерно для прототипа. Thus, the boundary δG is an approximation of the measured surface contour, and at large distances between the nodal points of the contour of the cross section, the measurement accuracy is small, which is typical for the prototype.
Координаты точек поверхности в сечении с достаточно высокой точностью вычисляют как середины полученных отрезков касательных по следующим формулам:
где Ps (i+1) и Psi - пара соседних узловых точек сечения, принадлежащая одной касательной.The coordinates of the surface points in the cross section with fairly high accuracy are calculated as the midpoints of the obtained segments of the tangents according to the following formulas:
where P s (i + 1) and P si is a pair of neighboring nodal points of the section belonging to one tangent.
Это возможно, поскольку при достаточно большом количестве проекционных данных вдоль касательных длины отрезков предельно малы. This is possible because with a sufficiently large amount of projection data along the tangent lengths of the segments are extremely small.
Дискретный линейный каркас поверхности получают последовательным повторением указанных действий на следующих друг за другом в заданном направлении по вертикали с заданным равным шагом горизонтальных уровнях измерений, фиксируемых на вертикали по отсчетам v положений плоскости окружности. Так, что форму измеряемого контура горизонтального сечения объекта определяют с учетом высоты каждого контура горизонтального сечения над плоскостью нулевого уровня отсчета измерений сечений тем, что в начале измерения первого сечения топографии поверхности объекта дополнительно измеряют по шкале расстояние от опорной плоскости нулевого уровня отсчета до уровня начала измерений сечений - первого горизонтального уровня измерения топографии поверхности объекта и определяют абсолютные значения высоты точек измеренных контуров сечений поверхности по формуле:
HSv=h0+v•h,
где S - номер луча, вмещающего точку, (S=1,N);
М - количество лучей, соответствующее количеству приемников на окружности;
v - номер измеренного горизонтального сечения поверхности, (v=1,К);
К - количество измеренных горизонтальных сечений поверхности;
h0 - высота первого горизонтального уровня измерения топографии поверхности объекта над плоскостью нулевого уровня отсчета измерений сечений;
h - шаг смещения плоскости уровня измерения сечения по вертикали.A discrete linear surface framework is obtained by sequential repetition of the indicated actions on successive vertical directions with a given equal step horizontal measurement levels fixed on the vertical by samples v of the positions of the circle plane. So, the shape of the measured contour of the horizontal section of the object is determined taking into account the height of each contour of the horizontal section above the plane of the zero reference level of measurements of cross sections by the fact that at the beginning of the measurement of the first section of the topography of the surface of the object, the distance from the reference plane of the zero reference level to the level of the beginning of measurements is additionally measured on a scale sections - the first horizontal level measurement of the topography of the surface of the object and determine the absolute values of the height of the points of the measured contours of the section surface according to the formula:
H Sv = h 0 + v • h,
where S is the number of the ray containing the point (S = 1, N);
M is the number of rays corresponding to the number of receivers on the circle;
v is the number of the measured horizontal section of the surface, (v = 1, K);
K is the number of measured horizontal surface sections;
h 0 - the height of the first horizontal level measurement of the topography of the surface of the object above the plane of the zero level of reference measurements of sections;
h is the vertical displacement of the plane of the level measurement of the cross section.
По последовательности измеренных сечений осуществляется геометрическая реконструкция поверхности объекта, образующая дискретный линейный каркас -топографию поверхности объекта. According to the sequence of measured sections, a geometric reconstruction of the surface of the object is carried out, forming a discrete linear frame - topography of the surface of the object.
Экспериментальное доказательство достижения цели на примере конкретной реализации способа в устройстве бесконтактного измерения топографии поверхности объекта представлено на фиг.9, 10. Experimental evidence of the achievement of the goal by the example of a specific implementation of the method in a non-contact device for measuring the topography of the surface of an object is presented in Figs. 9, 10.
Фиг. 9 наглядно иллюстрирует результат реконструкции измеренного сечения поверхности объекта по реальным данным измерения без предварительного анализа и обработки информации, т.е. представляет показания всех фотоприемников для всех ракурсов измерений. Здесь внешний контур светлой незаштрихованной центральной области окружности является геометрическим местом точек пересечения касательных к поверхности объекта лучей в ее горизонтальном сечении, собранных для всех точек последовательных положений источников облучения объекта на окружности, полученный одновременно по правым и левым концам дуги тени объекта путем последовательного пересечения касательных с ближайшим угловым положением в окружности, вычисленным по координатам соответствующих точек положения источников и приемников на окружности, при обходе вокруг объекта в заданном направлении. Представленный графический результат показывает, что по данному способу измерения поверхности объекта готовая реконструкция каждого горизонтального ее сечения может быть получена непосредственно по первичным проекционным данным обмера в режиме реального времени измерения. Что свидетельствует о возможности технического достижения цели изобретения для данного способа бесконтактного измерения топографии поверхности объекта, преимущественно фигуры человека, при его осуществлении данным устройством. FIG. 9 clearly illustrates the result of reconstruction of the measured section of the surface of the object from the actual measurement data without preliminary analysis and information processing, i.e. presents the readings of all photodetectors for all measurement angles. Here, the outer contour of the light, unshaded central region of the circle is the geometrical location of the points of intersection of the rays tangent to the surface of the object in its horizontal section, collected for all points of successive positions of the object’s sources of radiation on the circle, obtained simultaneously from the right and left ends of the object’s shadow arc by successively intersecting the tangents with the nearest angular position in a circle calculated from the coordinates of the corresponding points of position of the sources and receiver in on a circle, when walking around an object in a given direction. The presented graphical result shows that by this method of measuring the surface of an object, a ready-made reconstruction of each horizontal section of it can be obtained directly from the primary projection measurement data in real-time measurement mode. This indicates the possibility of technical achievement of the purpose of the invention for this method of non-contact measurement of the topography of the surface of an object, mainly a human figure, when it is implemented by this device.
При измерении поверхности фигуры человека необходимо стремиться к тому, чтобы измерение всей поверхности занимало минимальное количество времени, так как утомление измеряемого отражается на его позе и может повлиять на точность измерений. А также для обеспечения наибольшего соответствия измеряемых контуров горизонтальным сечениям поверхности объекта измерение каждого контура должно производится в пренебрежимо малом интервале вертикального слоя h его поверхности путем практически мгновенного определения геометрического места точек, по которому определяют измеряемый контур. Фиг.10 поясняет зависимость точности измерения одного сечения от толщины вертикального слоя h поверхности, который пересекает в продольном направлении относительно объекта плоскость измерения контура сечения и от времени его измерения при реализации способа измерения полной топографии поверхности объекта с непрерывным равномерным перемещением секущей плоскости уровня измерения вдоль продольной вертикальной оси объекта в процессе его поперечного облучения. В общем случае, при данной реализации способа измерения поверхности, последовательность изменяющихся в заданном направлении (например, по часовой стрелке) положений точки измерения контура поверхности на окружности, плоскость которой непрерывно перемещается по вертикали (например, сверху вниз), образует в пространстве цилиндрическую винтовую линию (фиг.10 а) с радиусом R и с некоторым шагом по вертикали h -винтовую траекторию движения данной точки, фиксирующей на окружности области измерения касательную к поверхности прямую (см., например, авторское свидетельство СССР 341465, кл. А 41 Н 1/04, 1969; и "Optical method and apparatus for measuring surface topography of an object" US 5,636,030, publ. 3.06.1997, Int. Cl.6 G01B 11/10; G 02 B 26/08). Соответственно совершает винтовое движение луч касательной, с началом в точках цилиндрической винтовой линии и направленный внутрь к объекту, перпендикулярно вертикальной оси. Луч в процессе измерения в точках касания описывает на поверхности с каждой ее стороны незакономерный винтовой контур. При этом за каждый виток цилиндрической винтовой линии, описанный началом луча, точка его касания поверхности проходит дискретные криволинейные отрезки δS измеряемого винтового контура поверхности, заключенные в пределах ее слоя высотой h. Следовательно, плоской реконструкцией сечения поверхности при данной реализации способа получения топографии будет являться очерк горизонтальной проекции винтового контура δS поверхности, измеренного в слое h за время обмера данного сечения, на плоскости начального элементарного уровня данного слоя. Таким образом, зависимость точности измерения одного сечения от времени его измерения в слое h соответствующего уровня v, поясняемая на фиг. 10, выражается точностью приближения измеренного контура δS некоторого малого слоя h поверхности объекта его горизонтальной проекцией, а именно, реконструкцией ломаным контуром δG в плоскости уровня v начала сканирования сечения. Точность приближения измеренного контура его проекцией определяется приращением соответствующих длин рассматриваемых контуров и зависит от угла наклона плоскости косого сечения положения витка δS измеренного винтового контура поверхности к плоскости проекции положения соответствующего горизонтального сечения (на фиг. не показано). Поскольку все измерения поверхности выполняют в горизонтальной плоскости, перпендикулярно центральной вертикальной осевой линии объекта измерения, величину этого угла характеризует угол подъема Ω цилиндрической винтовой линии положений начала луча каждой касательной к поверхности прямой на окружности, образующей при вертикальном перемещении цилиндрическую поверхность. Угол подъема Ω определяется величиной шага h цилиндрической винтовой, и зависит от скорости последовательного изменения положений начала луча на окружности, что иллюстрируется фиг.10 а, б.When measuring the surface of a human figure, it is necessary to strive to ensure that the measurement of the entire surface takes a minimum amount of time, since fatigue of the measured is reflected in his posture and can affect the accuracy of measurements. And also, to ensure the greatest correspondence of the measured contours to the horizontal sections of the surface of the object, the measurement of each contour should be carried out in a negligible interval of the vertical layer h of its surface by almost instantly determining the geometric location of the points by which the measured contour is determined. Figure 10 explains the dependence of the measurement accuracy of one section on the thickness of the vertical layer h of the surface that crosses in the longitudinal direction relative to the object the plane of measurement of the contour of the section and on the time of its measurement when implementing the method of measuring the full topography of the surface of the object with continuous uniform movement of the secant plane of the measurement level along the longitudinal the vertical axis of the object during its transverse irradiation. In the General case, with this implementation of the method of measuring the surface, the sequence of positions of the measuring point of the surface contour on a circle, the plane of which is continuously moving vertically (for example, from top to bottom), changing in space, forms a cylindrical helix in space (Fig. 10 a) with a radius R and with a certain vertical step, h is the helical trajectory of a given point that fixes a straight line tangent to the surface on the circumference of the measurement region (see, for example, USSR copyright certificate 341465, class A 41
На фиг. 10 а представлена винтовая линия, лежащая на цилиндрической поверхности, образуемой движением ограничивающей область измерения окружности радиуса R и с центром в точке О вдоль вертикальной оси. Цилиндрическая винтовая линия L образована в результате одновременного изменения углового положения позиции измерения Иi на образующей окружности в заданном направлении по часовой стрелке, условно соответствующего равномерному вращению точки Иi вокруг оси цилиндрической поверхности, и равномерного движения образующей окружности вместе с точкой вдоль направляющей оси цилиндра сверху вниз. При развертке цилиндрической поверхности I на плоскость винтовая линия превращается в прямую L'.In FIG. 10a shows a helix lying on a cylindrical surface formed by the movement bounding the measurement region of a circle of radius R and centered at point O along the vertical axis. The cylindrical helix L is formed as a result of a simultaneous change in the angular position of the measurement position And i on the circumference of the circle in a given direction clockwise, conditionally corresponding to the uniform rotation of the point And i around the axis of the cylindrical surface, and the uniform movement of the circle along with the point along the guide axis of the cylinder from above way down. When the cylindrical surface I is scanned onto a plane, the helix turns into a straight line L '.
На фиг.10б представлены проекции и развертка одного витка L'k-1 винтовой линии L для развертки слоя h цилиндрической поверхности I. Горизонтальная проекция развертки L'k-1 соответствует длине образующей окружности L″ = 2π•R и определяет угловое перемещение точки φ = 2π по окружности за время Т ее полного оборота с угловой скоростью вращения ω = φ/T при обмере одного сечения. Фронтальная проекция развертки соответствует линейному перемещению точки на величину шага h винтовой линии вдоль образующей цилиндра за время tc обмера одного сечения, соответственно ее полному обороту вокруг объекта, с линейной скоростью V=h/tc. Причем точка фиксирована на образующей окружности R в начальной позиции измерения сечения И1. Величина h при этом определяется из формулы:
h = V•2π/ω. (9)
Из рассмотрения развертки цилиндра I с нанесенной цилиндрической винтовой линией L (фиг. 10б) можно установить зависимость между радиусом цилиндра R, шагом h и углом подъема винтовой линии Ω, а именно
Исходя из этого расстояние h по высоте между смежными уровнями v секущих поверхность плоскостей сечений постоянно и задает высоту сечения. Для повышения точности измерения сечения стремятся, чтобы толщина вертикального слоя h поверхности была минимальной и длина одного витка L'k-1 винтовой линии максимально приближалась к длине ее горизонтальной проекции L", что достигается, согласно формуле (11), при Ω стремящемся к нулю. Величина h при этом определяется по формуле (10), тогда tgΩ вычисляется как
tgΩ = V/(ω•R) (12)
Величина h и соответственно Ω при этом зависят от скорости обмера сечения ω, которая должна быть максимальной, что следует из формулы (10). Причем оптимальное значение линейной скорости V вертикального перемещения определяется допустимым значением t времени измерения всей поверхности, при котором не произойдет изменение позы измеряемого. Тогда при фиксированном постоянном значении линейной скорости V, соответствующей, например, скорости вращения электродвигателя механизма вертикального перемещения кольцевого модуля поперечного многоракурсного облучения объекта пучком световых лучей в устройстве, скорость обмера сечения будет определяться угловой скоростью ω изменения положения точек облучения на окружности.On figb presents the projection and scan of one turn L ' k-1 of the helix L for the development of the layer h of the cylindrical surface I. The horizontal projection of the scan L' k-1 corresponds to the circumference of the circle L ″ = 2π • R and determines the angular displacement of the point φ = 2π around the circle during the time T of its full revolution with the angular velocity of rotation ω = φ / T when measuring one section. The frontal projection of the sweep corresponds to the linear displacement of the point by the value of the step h of the helix along the generatrix of the cylinder during the measurement time t c of one section, corresponding to its full revolution around the object, with a linear velocity V = h / t c . Moreover, the point is fixed on the generatrix of the circle R in the initial position of measuring the cross section And 1 . The value of h is determined from the formula:
h = V • 2π / ω. (9)
From a consideration of the reamer of cylinder I with a cylindrical helix L (Fig. 10b), we can establish the relationship between the radius of the cylinder R, step h and the angle of elevation of the helix Ω, namely
Based on this, the distance h in height between adjacent levels v of secant sections of the surface of the section planes is constant and sets the height of the section. To increase the accuracy of measurement of the cross section, it is sought that the thickness of the vertical layer h of the surface is minimal and the length of one turn L ' k-1 of the helix is as close as possible to the length of its horizontal projection L ", which is achieved, according to formula (11), when Ω tends to zero . The value of h is then determined by the formula (10), then tgΩ is calculated as
tgΩ = V / (ω • R) (12)
The value of h and, accordingly, Ω in this case depend on the measurement speed of the cross section ω, which should be maximum, which follows from formula (10). Moreover, the optimal value of the linear velocity V of vertical movement is determined by the permissible value t of the measurement time of the entire surface at which there will be no change in the pose of the person being measured. Then, at a fixed constant value of the linear velocity V, corresponding, for example, to the rotation speed of the electric motor of the mechanism of vertical movement of the ring module of the transverse multi-angle irradiation of an object with a beam of light rays in the device, the speed of measuring the cross section will be determined by the angular velocity ω of the change in the position of the irradiation points on the circle.
Таким образом, толщина малого слоя h поверхности в каждом сечении при последовательном послойном скользящем измерении ее сечений зависит от отношения V/ω (10, 12) линейной скорости вертикального перемещения кольцевого основания с оптическими компонентами управления световым лучом вдоль объекта измерения к скорости углового перемещения точки облучения на окружности при изменении ракурса измерений. Thus, the thickness of a small layer h of the surface in each section during successive layer-by-layer sliding measurements of its sections depends on the ratio V / ω (10, 12) of the linear velocity of the vertical movement of the annular base with optical components for controlling the light beam along the measurement object to the speed of the angular movement of the irradiation point on a circle when changing the angle of measurements.
Задавая, таким образом, значения угловой скорости обмера сечения в порядке уменьшения ее величины, последовательно уменьшают значения угла Ω подъема цилиндрической винтовой и получают по расчету (9)-(12) последовательность соответствующих значений длины развертки витка L', пределом которой при угле Ω, стремящемся к нулю, является ее горизонтальная проекция L", определяемая длиной окружности кольцевого основания, ограничивающей область измерений:
где
tgΩ = V/(ω•R),
V=const, R=const.Thus, setting the values of the angular velocity of measuring the cross section in decreasing order of magnitude, they successively reduce the values of the lifting angle Ω of the cylindrical helical screw and, by calculation (9) - (12), obtain a sequence of corresponding values of the sweep length L ', the limit of which at the angle Ω, tending to zero, is its horizontal projection L ", determined by the circumference of the annular base, limiting the measurement range:
Where
tgΩ = V / (ω • R),
V = const, R = const.
Таким образом, при достижении высокой скорости измерений в горизонтальных направлениях очерк горизонтальной проекции некоторого измеряемого малого слоя h данной поверхности будет точно соответствовать контуру горизонтального сечения поверхности на начальном элементарном уровне v (фиг.10а) данного слоя. На фиг.10в графически представлена линейная функциональная зависимость угла подъема tgΩ винтовой траектории движения точки положения источника облучения на окружности в процессе измерения топографии поверхности объекта от времени Т измерения одного ее сечения при постоянных параметрах устройства (скорости вертикального перемещения кольцевого модуля Vэл и его диаметра R) для углового коэффициента k графика, рассчитанного по его фактическим заданным параметрам, согласно формуле:
Точка А на графике соответствует максимально допустимому времени измерения сечения объекта t=0,3 между последовательными электрическими импульсами датчика начала измерения сечения при данных параметрах устройства. Точка А' соответствует фактическому времени измерения сечения при условии осуществления безынерционного электронного управления сканированием для данной технической реализации способа измерения.Thus, when a high measurement speed is achieved in horizontal directions, the outline of the horizontal projection of some measurable small layer h of a given surface will exactly correspond to the contour of the horizontal section of the surface at the initial elementary level v (Fig. 10a) of this layer. Figure 10c graphically shows the linear functional dependence of the elevation angle tgΩ of the helical trajectory of the point of exposure of the radiation source on the circle in the process of measuring the surface topography of the object from time T of measuring one of its cross sections with constant device parameters (vertical velocity of the annular module V el and its diameter R ) for the angular coefficient k of the graph calculated by its actual given parameters, according to the formula:
Point A on the graph corresponds to the maximum permissible time for measuring the cross section of the object t = 0.3 between consecutive electrical pulses of the sensor for starting the measurement of the cross section for these device parameters. Point A 'corresponds to the actual time of measurement of the cross-section, subject to the implementation of inertial electronic control of scanning for this technical implementation of the measurement method.
В данном осуществлении способа измерения топографии поверхности объекта линейная скорость V задается скоростью Vэл вращения электродвигателя привода вертикального перемещения плоскости измерения кольцевого модуля поперечного многоракурсного облучения его внутреннего пространства пучком световых лучей, а высотный параметр h, задающий расстояние между смежными уровнями v горизонтальной плоскости измерений сечений в общей топографии поверхности, соответствует шагу ходового винта механизма вертикального перемещения кольцевого основания и соответственно ее линейного вертикального перемещения, h=2 мм, так, что время обмера одного сечения в горизонтальной плоскости не должно превышать tc=0,3 с. Скорость поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей минимальна за счет осуществлении его электронного управления при полном исключении движущихся механических элементов управления кольцевого модуля поперечного многоракурсного облучения пучком световых лучей поверхности в горизонтальной плоскости в сравнении с прототипом и определяется быстродействием электронных компонентов устройства и скоростью передачи данных между устройством и ПЭВМ. Скорость изменения положений точек измерений в окружности определяется временем электронного переключения источников и элементов блока управления излучением. Так, что фактическое время измерения одного сечения составляет десятки микросекунд, то есть его измерение производится практически мгновенного, и соответствует ничтожно малой доле величины угла Ω′ (фиг.10 б, в) подъема винтовой линии для пренебрежимо малого вертикального смещения h' (фиг.10 б) плоскости измерения в интервале вертикального слоя поверхности за время регистрации одного сечения. При этом точность приближения измеренного контура его плоской реконструкцией по параметру Ω′ предельно высока, то есть обеспечивается хорошее соответствие измеряемого контура горизонтальному сечению поверхности объекта. Величиной угла Ω′ можно пренебречь и считать измерения для всех позиций в окружности выполненными в одной горизонтальной плоскости. Таким образом, при скользящем способе измерения поверхности по вертикали при непрерывном перемещении плоскости измерения по вертикали достигается практически пошаговое измерение горизонтальных поперечных сечений поверхности объекта в плоскости.In this embodiment of the method for measuring the surface topography of an object, the linear velocity V is set by the rotational speed V el of the electric drive motor for vertically moving the measuring plane of the ring module of the transverse multi-angle irradiation of its internal space with a beam of light rays, and the altitude parameter h defining the distance between adjacent levels v of the horizontal plane of measurement of cross sections in the general topography of the surface, corresponds to the pitch of the spindle of the vertical displacement mechanism of the annular base and, accordingly, its linear vertical movement, h = 2 mm, so that the measurement time of one section in the horizontal plane should not exceed t c = 0.3 s. The speed of transverse multi-angle irradiation with a beam of light rays is minimal due to its electronic control with the complete exclusion of moving mechanical controls of the ring module of transverse multi-angle irradiation with a beam of light rays of the surface in a horizontal plane in comparison with the prototype and is determined by the speed of the electronic components of the device and the data transfer rate between the device and PC. The rate of change of the positions of the measurement points in the circle is determined by the time of electronic switching of the sources and elements of the radiation control unit. So, the actual measurement time of one section is tens of microseconds, that is, its measurement is almost instantaneous, and corresponds to a negligible fraction of the angle Ω ′ (Fig. 10 b, c) of the helix rise for a negligible vertical displacement h '(Fig. 10 b) the measurement plane in the interval of the vertical surface layer during the registration of one section. In this case, the accuracy of approximation of the measured contour by its flat reconstruction with respect to the parameter Ω ′ is extremely high, that is, a good correspondence of the measured contour to the horizontal cross section of the surface of the object is ensured. The angle Ω ′ can be neglected and measurements taken for all positions in the circle taken in the same horizontal plane. Thus, with the sliding method of measuring the surface vertically with continuous movement of the measurement plane vertically, an almost step-by-step measurement of horizontal cross sections of the surface of the object in the plane is achieved.
Кроме того, измерение тени объекта с точечных позиций в два раза повышает информативность измерений по параметру числа линейных элементов, составляющих приближающий ломаный контур реконструкции измеренного сечения поверхности. Соответственно повышая точность приближения измеренного контура поверхности его плоской реконструкцией по параметру длины звеньев ломаной кривой. In addition, measuring the shadow of an object from point positions doubles the information content of measurements by the parameter of the number of linear elements that make up the approximating broken line for reconstruction of the measured surface section. Accordingly, increasing the accuracy of approximation of the measured surface contour by its flat reconstruction with respect to the length parameter of the broken curve links.
Способ бесконтактного измерения топографии поверхности объекта и осуществляющее его устройство позволяют производить обмер фигуры человека с достаточно высокой точностью и, исключая непосредственные контакты элементов измерительной системы с обмеряемой поверхностью, вычислять дискретные замкнутые контуры поверхности в плоскостях горизонтальных поперечных сечений фигуры человека, и путем дополнительных математических преобразований получить линейное каркасное представление его поверхности и ее цифровое трехмерное изображение в системе с ПЭВМ. The non-contact method of measuring the surface topography of an object’s surface and the device that implements it make it possible to measure a human figure with sufficiently high accuracy and, excluding direct contacts of the elements of the measuring system with a measurable surface, calculate discrete closed surface contours in planes of horizontal cross sections of a human figure, and obtain additional mathematical transformations linear wireframe representation of its surface and its digital three-dimensional image in a system with a PC.
Устройство позволяет повысить уровень автоматизации процесса измерения формы и размеров поверхности тела человека с представлением количественного результата в цифровом виде и обеспечивает в системе с ЭВМ создание в реальном масштабе времени измерения качественных цифровых изображений сечений полученной модели топографии поверхности с одновременной их визуализацией на экране дисплея. Отсутствие движущихся частей кольцевого модуля поперечного многоракурсного углового сканирования повышает надежность и упрощает устройство. Устройство обеспечивает полный охват поверхности тела человека при максимальной простоте реализации. The device allows to increase the level of automation of the process of measuring the shape and dimensions of the surface of the human body with the digital representation of the quantitative result and provides the creation of real-time measurement of high-quality digital images of sections of the obtained surface topography model in a computer system with their simultaneous visualization on the display screen. The absence of moving parts of the ring module transverse multi-angle angular scanning increases reliability and simplifies the device. The device provides full coverage of the surface of the human body with maximum ease of implementation.
Время обмера одного сечения минимально и определяется быстродействием электронных устройств. За счет этого уменьшается вероятность погрешностей от возможных смещений фигуры человека относительно измерительного устройства. Устройство может быть установлено в помещении с незначительной площадью и использовано для проведения малых партий измерений в условиях индивидуального производства одежды, выполняя обмер фигуры человека с достаточно высокой точностью. Универсальность изобретения позволяет использовать его для подготовки исходных данных о поверхности фигуры человека в системе трехмерного автоматизированного проектирования одежды при построении шаблонов различных видов одежды известным способом (Н.Н. Раздомахин. Способ получения шаблонов одежды. // Патент РФ на изобретение 2101990. Опубл. 20.01.98. Бюл. 2.) или в других системах автоматизированного проектирования одежды, а также в качестве измерительного устройства для антропометрии в медицинских целях. Система может использоваться и для измерения других объектов - манекенов одежды и ее внутренних форм. The measurement time of one section is minimal and is determined by the speed of electronic devices. Due to this, the probability of errors from possible displacements of the human figure relative to the measuring device is reduced. The device can be installed in a room with a small area and used for small batches of measurements in the conditions of individual production of clothing, performing measurements of human figures with fairly high accuracy. The universality of the invention allows it to be used to prepare initial data on the surface of a human figure in a three-dimensional computer-aided design system for clothes when constructing patterns of various types of clothes in a known manner (NN Razdomakhin. Method for producing clothing patterns. // RF patent for the invention 2101990. Publ. 20.01 .98. Bull. 2.) or in other systems of computer-aided design of clothing, as well as a measuring device for anthropometry for medical purposes. The system can also be used to measure other objects - clothing mannequins and its internal forms.
Claims (7)
НSv=h0+v•h,
где S - номер луча, вмещающего точку (S=1, N);
М - количество лучей, соответствующее количеству приемников на окружности;
v - номер измеренного горизонтального сечения поверхности (v=1, К);
К - количество измеренных горизонтальных сечений поверхности;
h0 - высота первого горизонтального уровня измерения топографии поверхности объекта над плоскостью нулевого уровня отсчета измерений сечений;
h - шаг смещения плоскости уровня измерения сечения по вертикали.7. The method according to claim 5, characterized in that the shape of the measured contour of the geometrical section of the object is determined taking into account the height of each contour of the horizontal section above the plane of the zero level reference point for measuring the cross sections in that at the beginning of the measurement of the first cross section of the topography of the surface of the object, the distance from the reference plane of the zero level of reference to the level of the beginning of measurements of cross sections - the first horizontal level of measurement of the topography of the surface of the object and determine the absolute values of the height of to the measured surface contour of the cross sections according to the formula
H Sv = h 0 + v • h,
where S is the number of the ray containing the point (S = 1, N);
M is the number of rays corresponding to the number of receivers on the circle;
v is the number of the measured horizontal section of the surface (v = 1, K);
K is the number of measured horizontal surface sections;
h 0 - the height of the first horizontal level measurement of the topography of the surface of the object above the plane of the zero level of reference measurements of sections;
h is the vertical displacement of the plane of the level measurement of the cross section.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001120817/12A RU2208370C2 (en) | 2001-07-27 | 2001-07-27 | Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001120817/12A RU2208370C2 (en) | 2001-07-27 | 2001-07-27 | Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001120817A RU2001120817A (en) | 2003-06-20 |
RU2208370C2 true RU2208370C2 (en) | 2003-07-20 |
Family
ID=29210106
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001120817/12A RU2208370C2 (en) | 2001-07-27 | 2001-07-27 | Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2208370C2 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2506022C2 (en) * | 2012-04-23 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановская государственная текстильная академия" (ИГТА) | Installation for representation of 3d model of object with complex surface relief in special purpose cad system |
RU2551731C1 (en) * | 2014-07-02 | 2015-05-27 | Константин Александрович Караваев | Method of virtual selection of clothes |
RU2556329C1 (en) * | 2014-03-14 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for detection of external volume of cylindrical hollow product |
RU2591585C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Method of determining and recovery of the position of the horizontal axis of linear engineering object |
CN108333185A (en) * | 2018-03-30 | 2018-07-27 | 西华大学 | High-pressure hydrogen storing fuel tank outer surface quality real time detecting sensor |
RU2663387C1 (en) * | 2017-03-13 | 2018-08-03 | Константин Александрович Караваев | Contact device for measuring configuration and size of dimensional body, measurement system of configuration and size of dimensional body, method of measuring configuration and size of dimensional body |
RU2678499C2 (en) * | 2017-01-09 | 2019-01-29 | Юрий Арнольдович Игнатьев | Method of measurement of volume coordinate of movable target |
CN111043980A (en) * | 2019-12-23 | 2020-04-21 | 贵州理工学院 | Radial shape optical measurement method and device |
-
2001
- 2001-07-27 RU RU2001120817/12A patent/RU2208370C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2506022C2 (en) * | 2012-04-23 | 2014-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановская государственная текстильная академия" (ИГТА) | Installation for representation of 3d model of object with complex surface relief in special purpose cad system |
RU2556329C1 (en) * | 2014-03-14 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Device for detection of external volume of cylindrical hollow product |
RU2551731C1 (en) * | 2014-07-02 | 2015-05-27 | Константин Александрович Караваев | Method of virtual selection of clothes |
WO2016003317A1 (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-07 | Константин Александрович КАРАВАЕВ | Method for virtually selecting clothing |
RU2591585C1 (en) * | 2015-04-06 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Method of determining and recovery of the position of the horizontal axis of linear engineering object |
RU2678499C2 (en) * | 2017-01-09 | 2019-01-29 | Юрий Арнольдович Игнатьев | Method of measurement of volume coordinate of movable target |
RU2663387C1 (en) * | 2017-03-13 | 2018-08-03 | Константин Александрович Караваев | Contact device for measuring configuration and size of dimensional body, measurement system of configuration and size of dimensional body, method of measuring configuration and size of dimensional body |
CN108333185A (en) * | 2018-03-30 | 2018-07-27 | 西华大学 | High-pressure hydrogen storing fuel tank outer surface quality real time detecting sensor |
CN108333185B (en) * | 2018-03-30 | 2023-06-02 | 西华大学 | Real-time detection sensor for quality of outer surface of high-pressure hydrogen storage fuel tank |
CN111043980A (en) * | 2019-12-23 | 2020-04-21 | 贵州理工学院 | Radial shape optical measurement method and device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5377011A (en) | Scanning system for three-dimensional object digitizing | |
US5231470A (en) | Scanning system for three-dimensional object digitizing | |
CN105928472B (en) | A kind of three-dimensional appearance dynamic measurement method based on the active spot projector | |
US5612905A (en) | Three-dimensional measurement of large objects | |
US4687325A (en) | Three-dimensional range camera | |
US5811825A (en) | Method and apparatus for electro-optically determining the dimension, location and attitude of objects | |
US7009713B2 (en) | Optical position measuring system using an interference pattern | |
US5636025A (en) | System for optically measuring the surface contour of a part using more fringe techniques | |
US3625618A (en) | Optical contour device and method | |
US4122525A (en) | Method and apparatus for profile scanning | |
JP7073532B2 (en) | 3D reconstruction system and 3D reconstruction method | |
JP2003527582A (en) | Phase profile measurement system with telecentric projector | |
US5432622A (en) | High-resolution scanning apparatus | |
RU2208370C2 (en) | Method of contactless measurement object surface topography and device for method embodiment | |
US5018803A (en) | Three-dimensional volumetric sensor | |
GB2125648A (en) | Method and apparatus for range imaging | |
Jecić et al. | The assessment of structured light and laser scanning methods in 3D shape measurements | |
GB2259764A (en) | A device for measuring the three dimensional shape of an elongate member | |
CN102519390A (en) | Three coding period gray scale trapezoid phase shift structured light three dimensional information obtaining method | |
EP1680689B1 (en) | Device for scanning three-dimensional objects | |
CN109196370A (en) | More picture element scan laser radars | |
CN110910506A (en) | Three-dimensional reconstruction method and device based on normal detection, detection device and system | |
CN107514979A (en) | A kind of gear Integrated Measurement System and its method based on structure light | |
Li et al. | Monocular underwater measurement of structured light by scanning with vibrating mirrors | |
US4830443A (en) | Three-dimensional volumetric sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040728 |