RU2708940C1

RU2708940C1 - Method of measuring three-dimensional geometry of convex and extended objects

Info

Publication number: RU2708940C1
Application number: RU2019101273A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Двойнишников; Владимир Генриевич Меледин; Игорь Владимирович Щепихин; Иван Константинович Кабардин; Дмитрий Викторович Куликов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Институт оптико-электронных информационных технологий" (ОАО "ИОИТ")
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2019-12-12

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: invention relates to non-contact methods of obtaining large volumes of information for creating detailed three-dimensional digital and graphic models of both separate complex products, and three-dimensional models of volumetric structures at different stages of their manufacture. Method for non-contact measurement of three-dimensional geometry of convex and extended objects includes determination of coordinates of points of interconnected surfaces of measured object using two video cameras and determination of mutual arrangement of measured surfaces not visible simultaneously from one view of installation of video cameras, using several markers (not less than 3 pieces), visible simultaneously from the same angles as measured surfaces of object. Markers on the surface of the measured object are formed remotely by means of one or more radiation sources at the intersection of surfaces, which are difficult to measure simultaneously from one aspect of the video cameras.

EFFECT: high accuracy of measurements and possibility of measuring complete three-dimensional geometry of convex and extended objects using an optical method.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным методам получения больших объемов информации для создания детальных трехмерных цифровых и графических моделей как отдельных сложнопрофильных изделий, так и трехмерных моделей объемных конструкций на разных этапах их изготовления.The invention relates to non-contact methods for obtaining large amounts of information to create detailed three-dimensional digital and graphic models of both complex products and three-dimensional models of volumetric structures at different stages of their manufacture.

Известны способы видеограмметрического контроля размеров и форм поверхностей, заключающиеся в измерении положения облака точек с помощью двух видеокамер (Сердюков В.М. Фотограмметрия в промышленности и в гражданском строительстве. М.: Недра, 1977). Недостатками такого метода являются низкая производительность и необходимость получения довольно большого количества снимков.Known methods of videogrammetric control of the sizes and shapes of surfaces, consisting in measuring the position of a point cloud using two cameras (Serdyukov V.M. Photogrammetry in industry and in civil engineering. M .: Nedra, 1977). The disadvantages of this method are low productivity and the need to obtain a fairly large number of images.

Известен способ измерения геометрических параметров поверхностей сложнопрофилированных объектов и устройство для его осуществления (патент РФ №2243503, G01B 11/24, 2001 г.). Способ включает направление на контролируемую поверхность узкого лазерного луча, прием с другого углового направления отраженного лазерного луча на интегральную многоэлементную фотолинейку, обработку видеосигнала, по которому определяют дальность до каждой точки контролируемой поверхности по оси Z, перемещение контролируемого объекта по оси X и/или Y, одновременную автоматическую фиксацию координат каждой точки контролируемой поверхности в памяти ПЭВМ для определения фактического профиля контролируемой поверхности. Кроме того, дополнительно осуществляют прием луча, прошедшего через контролируемую поверхность, фиксируют координаты точек начала и конца сквозного прохода луча, соответствующие кромке контролируемой поверхности или кромке отверстия на ней в памяти компьютера для определения координат точек на контролируемой поверхности.A known method of measuring the geometric parameters of the surfaces of complex objects and a device for its implementation (RF patent No. 2243503, G01B 11/24, 2001). The method includes directing a narrow laser beam to a controlled surface, receiving a reflected laser beam from a different angular direction to an integrated multi-element photo line, processing a video signal that determines the distance to each point of the controlled surface along the Z axis, moving the controlled object along the X and / or Y axis, simultaneous automatic fixation of the coordinates of each point of the controlled surface in the PC memory to determine the actual profile of the controlled surface. In addition, an additional reception of the beam passing through the controlled surface is carried out, the coordinates of the points of the beginning and end of the through passage of the beam are fixed, which correspond to the edge of the surface to be monitored or the edge of the hole in it in the computer memory to determine the coordinates of the points on the controlled surface.

Недостатком такого способа является невозможность измерять форму поверхности больших объектов.The disadvantage of this method is the inability to measure the surface shape of large objects.

Известен способ оптического измерения формы поверхности (патент РФ №2448323, G01B 11/24, 2010 г.). Способ включает проецирование на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора, соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям. Предварительно определяют переотражающие участки измеряемой поверхности, при освещении которых под углом проецирования набора изображений возникает паразитная засветка других участков измеряемой поверхности. Переотражающие участки при проецировании набора изображений затеняют и определяют форму освещенных участков. Затем, проецируя набор изображений с заданной структурой светового потока на ранее затененные переотражающие участки, определяют форму поверхности на переотражающих участках.A known method of optical measurement of surface shape (RF patent No. 2448323, G01B 11/24, 2010). The method includes projecting onto a measured surface a set of images with a given light flux structure, registering a set of corresponding surface images when observed at an angle different from the angle of projection of the set of images, and determining the shape of the measured surface from the recorded images. Previously, the reflecting sections of the measured surface are determined, when illuminated at an angle of projection of a set of images, spurious illumination of other parts of the measured surface occurs. Reflecting areas when projecting a set of images shade and determine the shape of the illuminated areas. Then, projecting a set of images with a given luminous flux structure onto previously shaded reflective areas, determine the surface shape on the reflective areas.

Данным способом невозможно контролировать размеры поверхностей, кроме того, для реализации данного метода в производственных условиях требуются определенные условия по освещенности, что не всегда возможно.In this way it is impossible to control the size of the surfaces, in addition, for the implementation of this method in a production environment, certain lighting conditions are required, which is not always possible.

Известен способ автоматизированного измерения с использованием модели внешней среды в стереотелевизионной системе технического зрения (патент РФ №2148794, G01C 11/26, 1997 г.). Способ автоматизированного измерения объектов внешней среды с использованием ее геометрической трехмерной модели в стереотелевизионной системе технического зрения, заключающийся в получении стереопары в виде левого и правого оцифрованных изображений с помощью двух телекамер, образующих стереосистему, сопряженную с ПЭВМ, фрагментации левого изображения, выделении на фрагменте одной из интересующих точек поверхности объекта, выделении фрагмента правого изображения в соответствии с расчетным диапазоном параллаксов, выделении на фрагменте правого изображения группы отождествляемых элементов, поиске корреспондирующей пары упомянутой точки на множестве элементов группы, вычислении параллакса корреспондирующей пары, вычислении пространственных координат этой точки и построении модели объекта по вычисленным координатам точек его поверхности, после построения модели объекта выбирают требуемый ракурс осмотра модели объекта, подводят курсор к модели объекта, вычисляют по уравнению поверхности и двумерным координатам курсора трехмерные координаты точки поверхности, вычисляют двумерные координаты этой точки на плоскости визуализируемого изображения, одного из указанной стереопары, и отображают точку с двумерными координатами на выведенном на экран монитора изображении, при этом отображение точки устанавливается на интересующее оператора место на изображении объекта, считывают трехмерные координаты точки поверхности наблюдаемого объекта.A known method of automated measurement using a model of the external environment in a stereo television system of technical vision (RF patent No. 2148794, G01C 11/26, 1997). A method for automated measurement of environmental objects using its geometric three-dimensional model in a stereo television system of technical vision, which consists in obtaining a stereo pair in the form of left and right digitized images using two television cameras forming a stereo system coupled to a PC, fragmenting the left image, highlighting one of points of interest on the surface of the object, selection of a fragment of the right image in accordance with the calculated range of parallaxes, selection on fra the right image of the group of identifiable elements, finding the corresponding pair of the point on the set of group elements, calculating the parallax of the corresponding pair, calculating the spatial coordinates of this point and building the model of the object using the calculated coordinates of the points on its surface, after building the model of the object, select the required view of the model of the object, summarize cursor to the model of the object, calculated according to the surface equation and two-dimensional coordinates of the cursor three-dimensional coordinates of the surface point and, calculate the two-dimensional coordinates of this point on the plane of the rendered image, one of the specified stereo pair, and display the point with two-dimensional coordinates on the image displayed on the monitor screen, while the point display is set to the operator’s place in the image of the object, three-dimensional coordinates of the surface point of the observed object are read .

Данный способ не дает возможности измерять и контролировать форму измеряемого объекта без участия оператора.This method does not make it possible to measure and control the shape of the measured object without the participation of the operator.

Наиболее близким является способ фотограмметрического измерения размеров и контроля формы тела, ограниченного набором связанных между собой поверхностей (патент РФ №2522809, G01B 11/24, 2013 г.). Способ заключается в определении координат набора точек нескольких поверхностей с помощью двух видеокамер и определении взаимного расположения поверхностей, не видимых одновременно с одного ракурса установки видеокамер, с помощью нескольких точечных маркеров, закрепленных на периферии, видимых одновременно с тех же ракурсов, что и поверхности измеряемого объекта.The closest is the method of photogrammetric measurement of size and control of body shape, limited to a set of interconnected surfaces (RF patent No. 2522809, G01B 11/24, 2013). The method consists in determining the coordinates of a set of points of several surfaces using two video cameras and determining the relative position of surfaces that are not visible simultaneously from one camera angle, using several point markers mounted on the periphery, visible simultaneously from the same angles as the surface of the measured object .

Недостатком данного способа является необходимость размещения маркеров на поверхности измеряемого объекта или его периферии, причем пространственное положение этих маркеров определяется при измерении поверхностей с различных сторон, что неизбежно вносит дополнительные погрешности.The disadvantage of this method is the need to place markers on the surface of the measured object or its periphery, and the spatial position of these markers is determined when measuring surfaces from different sides, which inevitably introduces additional errors.

Задачей изобретения является повышение точности измерений и возможность измерения полной трехмерной геометрии выпуклых и протяженных объектов оптическим способом.The objective of the invention is to increase the accuracy of measurements and the ability to measure the full three-dimensional geometry of convex and extended objects in an optical manner.

Поставленная задача решается тем, что в способе бесконтактного измерения трехмерной геометрии выпуклых и протяженных объектов, включающем в себя определение координат точек связанных между собой поверхностей измеряемого объекта с помощью двух видеокамер и определение взаимного расположения измеренных поверхностей, не видимых одновременно с одного ракурса установки видеокамер, с помощью нескольких маркеров (не менее 3 штук), видимых одновременно с тех же ракурсов, что и измеренные поверхности объекта, при этом маркеры на поверхности измеряемого объекта формируют дистанционно с помощью одного или нескольких источников излучения, согласно изобретению, маркеры формируют на пересечении поверхностей, которые затруднительно измерить одновременно с одного ракурса видеокамер.The problem is solved in that in the method of non-contact measurement of the three-dimensional geometry of convex and extended objects, which includes determining the coordinates of the points of interconnected surfaces of the measured object using two cameras and determining the relative position of the measured surfaces that are not visible simultaneously from the same camera installation angle, with using several markers (at least 3 pieces), visible simultaneously from the same angles as the measured surfaces of the object, with markers on the surface and remotely measure object formed using one or more radiation sources, according to the invention, the markers are formed at the intersection of surfaces which are difficult to measure at the same time with a single-view cameras.

Предлагаемое изобретение позволяет связать между собой различные измеренные фрагменты с точностью, ограниченной используемой оптической системой. При этом измерения этих же фрагментов или их других участков могут повторяться для накопления большого объема измерений и увеличения точности за счет осреднения. С другой стороны, предлагаемая процедура измерения может быть применена для измерения другого фрагмента поверхности, граничащего с одним из измеренных фрагментов. В результате измеренный сектор поверхности будет увеличен. Данный подход позволяет последовательно измерить всю поверхность измеряемого объекта. Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения: повышение точности измерений и возможность измерения полной трехмерной геометрии выпуклых и протяженных объектов оптическим способом.The present invention allows you to relate to each other various measured fragments with accuracy limited by the used optical system. Moreover, measurements of the same fragments or their other sections can be repeated to accumulate a large volume of measurements and increase accuracy due to averaging. On the other hand, the proposed measurement procedure can be applied to measure another fragment of the surface adjacent to one of the measured fragments. As a result, the measured surface sector will be increased. This approach allows you to consistently measure the entire surface of the measured object. Thus, the technical result of the invention: improving the accuracy of measurements and the ability to measure the full three-dimensional geometry of convex and extended objects in an optical way.

Устройство, реализующее предлагаемый способ представлено на фиг. 1. Устройство состоит из двух измерительных видеокамер 1 и 2, положение которых друг относительно друга не изменяется в процессе измерения и источник излучения 3, формирующий световые маркеры 7 на поверхности измеряемого объекта.A device that implements the proposed method is presented in FIG. 1. The device consists of two measuring video cameras 1 and 2, the position of which relative to each other does not change during the measurement process and the radiation source 3, forming light markers 7 on the surface of the measured object.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Поверхность измеряемого объекта «разбивают» на фрагменты 4 и 5, которые затруднительно измерить одновременно с одного ракурса видеокамер 1 и. 2. Причем существует участок поверхности 6, который одновременно является частью фрагментов поверхности 4 и 5, так как виден обеим видеокамерам, как с ракурса измерения фрагмента поверхности 4, так и с ракурса измерения фрагмента поверхности 5. На участке поверхности 6 с помощью источника излучения 3 формируют световые маркеры, которые остаются неподвижными в процессе измерения фрагментов поверхностей 4 и 5. С помощью двух измерительных видеокамер 1 и 2, установленных в положении, из которого виден фрагмент поверхностиThe proposed method is as follows. The surface of the measured object is "divided" into fragments 4 and 5, which are difficult to measure simultaneously from one angle of the cameras 1 and. 2. Moreover, there is a surface section 6, which is simultaneously part of the surface fragments 4 and 5, as it is visible to both cameras, both from the angle of measurement of a fragment of surface 4 and from the angle of measurement of a fragment of surface 5. On a section of surface 6 using a radiation source 3 form light markers that remain stationary during the measurement of fragments of surfaces 4 and 5. Using two measuring cameras 1 and 2 installed in the position from which a fragment of the surface is visible

4, определяют координаты точек на фрагменте поверхности 4 и точечных маркеров 7 в системе координат А, связанной с положением измерительных видеокамер 1 и 2. Затем видеокамеры 1 и 2 устанавливают в положение, из которого виден фрагмент поверхности4, determine the coordinates of the points on the fragment of the surface 4 and point markers 7 in the coordinate system A associated with the position of the measuring video cameras 1 and 2. Then, the video cameras 1 and 2 are set to the position from which the fragment of the surface is visible

5, и снова определяют координаты точек фрагмента поверхности 5 и световых маркеров 7 в системе координат Б, связанной с новым положением измерительных видеокамер.5, and again determine the coordinates of the points of the fragment of the surface 5 and the light markers 7 in the coordinate system B associated with the new position of the measuring video cameras.

Координаты световых маркеров 7 в системах, координат А и Б позволяют связать между собой эти координатные системы и рассчитать трехмерную геометрию фрагментов поверхности 4 и 5 и их взаимное положение в любой удобной системе координат.The coordinates of the light markers 7 in the coordinate systems A and B allow you to relate these coordinate systems to each other and calculate the three-dimensional geometry of surface fragments 4 and 5 and their relative position in any convenient coordinate system.

Технический результат - повышение точности измерений и возможность измерения полной трехмерной геометрии выпуклых и протяженных объектов оптическим способом.The technical result is an increase in measurement accuracy and the ability to measure the full three-dimensional geometry of convex and extended objects in an optical manner.

Claims

A method of non-contact measurement of the three-dimensional geometry of convex and extended objects, which includes determining the coordinates of points of interconnected surfaces of the measured object using two cameras and determining the relative position of the measured surfaces not visible simultaneously from one camera angle using several markers (at least 3 pieces), visible simultaneously from the same angles as the measured surfaces of the object, while markers on the surface of the measured object form a distance of using one or more radiation sources, characterized in that the markers are formed at the intersection of surfaces which are difficult to measure at the same time with a single-view cameras.