複合式三維雷射測量系統及測量方法

2023-09-16 07:29:35 1

專利名稱：複合式三維雷射測量系統及測量方法
技術領域：
本發明專利是集光學、圖像處理、機械、計算機視覺技術及軟體工程為一 體化的高新技術,屬於計算機視覺三維掃描及檢測技術領域,應用於機械工業及相 關行業實現產品的非接觸式、快速、高精度3D/2D檢測、缺陷檢測等，同時可以 完成產品的高精度三維掃描。
二背景技術：
隨著計算機視覺技術、光電技術、CAD/CAM技術的快速發展，三維掃描及 檢測技術己經日益普遍應用到工業、醫學、服裝製鞋、影視廣告、遊戲動漫、網 絡電子商務等各個領域，發揮著重要的作用。
常用的三維掃描及檢測技術根據傳感方式的不同，分為接觸式和非接觸式兩種。
接觸式測量採用探測頭直接接觸物體表面，通過探測頭反饋回來的光電信號 轉換為數字面形信息，從而實現對物體面形的掃描和測量。接觸式測量具有較高 的準確性和可靠性；其缺點是:測量費用較高;探頭易磨損,對工作環境要求高，測 量速度慢；檢測一些內部元件，先天的限制，也不能測量柔軟的物體。
非接觸式測量方法主要採用結構光掃描技術(Frank Chen， Gordon M.Brown, M訓in Song. Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods. Qpf. 2000, 39(1), 10-22)和普通光掃描技術即Shape From Silhouette(LAURENTINI A.: The visual hull concept for silhouette-based image understanding. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 16， 2 (1994), 150-162.)。結構光掃描技術基於三角測量法原理(蘇顯渝，李繼陶 《信息光學》科學出版社，1999),將結構光(雷射或光柵條紋)投影到物體表面，受 物體面形調製影響，結構光發生一定變形，通過解調變形後的結構光信息，從而 迅速的還原物體的面形及相關信息。該方法由於採用光電傳感的方式，具有非接 觸、掃描速度快、獲取信息豐富等優點，成為現代三維掃描及檢測技術的發展 方向。
結構光掃描技術包括點、線、面掃描技術。點結構光掃描技術主要為點激 光掃描技術，將一束光投影到物體表面形成一個明亮的光點，光點檢測器在另外 一個方向接收物體表面反射的光點信號，通過圖像分析重建物體表面光點空間 信息，附加多維運動控制，採用一系列的光點組合從而形成完整的物體面形信 息。線雷射掃描技術(Jie-Lin Li, Xian-Yu Su, Wen-Sen Zhou. The 3-D sensing using laser sheet projection: influence of speckle. i ew'ew, 1995, 2(2), 144.)貝U是通過投影一條糹曳
狀雷射到物體表面，稱為光刀，通過解析光刀的中心偏移從而重建物體的三維面 形信息。線雷射掃描技術一次性獲取一條線的面形三維信息,比點雷射技術具有 更快的掃描速度。面結構光系統也可以是簡單的線雷射系統的擴展,即採用面激 光技術，目前通行的做法是採用帶相位分布的光柵條紋進行(V.Srinivasan， H.C丄iu， M.Halioua， "Automated phase-measureing profilometry of 3-d object shape", 寺p7.Qp" 23(18)，1984:3105-3108),可以一次性獲取一個方向的三維面形信息,因此具有更好的 執行效率。
目前國內外己經有一些成型的結構光掃描系統，如利用線雷射或光柵條紋 對物體進行掃描，但普遍的精度在0.05mm左右,甚至比之更低，主要應用在精度要求不太高的三維掃描領域。國外有利用點雷射技術，對航空葉片等進行高精度 檢測的，該系統嫁接在三坐標硬體系統上，物體不能隨意擺放，需要採用精密的 裝夾系統來保證系統的精度，受測量距離的影響，往往需要工程人員預先根據對 測量物體的了解進行運動軌跡編程(如依據測量物體的模型數據進行運動軌跡編 程)，控制點雷射測頭按照規劃軌跡運動。對測量物體的先驗知識要求及對應編程 技能,導致系統測量過程的複雜度增高。
普通光技術(Shape From Silhouette)採用鏡頭獲取物體的一個側面影像圖像, 通過圖像分析，將物體和背景二值分開，從而形成表面上大量的視角數據點。從 每一個攝像機的焦點出發，通過各輪廓點的視線在後面形成一個錐形的體積，各 個錐形的體積相交就形成了物體的三維體積模型，該方法可以較快的獲取物體 的外輪廓,對於物體上凹進去的部分則難以表述。
鑑於目前非接觸測量技術存在如上不完備性，實際工業高精度測量中，還是 常常依靠接觸式三坐標系統進行，測量效率的低下,導致測量成本的提高，抽檢 的效果又導致產品質量的不確定性，同時三坐標系統獲取的信息不夠豐富導致 工業檢測過程的過於簡化。
本發明複合了點雷射掃描技術與普通光技術,既綜合了接觸式掃描、結構光 掃描以及普通光掃描的優點，又同時彌補了單獨各種方法的缺點。相比接觸式三 坐標系統,該系統具有更高的測量速度，採用光學非接觸式的辦法,可以測量柔軟 的物體,測量過程無需操作人員軌跡編程,同時採用點雷射發射器,相比接觸式探 頭，操作及測量方法方面都具有很好的共同性,無需使用廠家對本廠的工藝流程 進行過多的調整。相比結構光技術,採用普通光輔助，可以更快的識別物體的輪廓, 解決了結構光不能很好的識別邊界的缺點，對於任意物體任意擺放都可以實現 輕鬆的測量，無需精密的裝夾裝置，同時也彌補了三坐標系統必須要有模型數據 為依據才能自動測量的現狀。相比普通光技術,則可以突破凹形物體的限制，獲取 的點雲質量高。總體來說，本發明的優點在於非接觸式測量,獲取的點雲質量好、 精度高,物體可以任意擺放,無需精密的裝夾裝置，測量速度快，過程自動化，測 量的物體範圍廣。

發明內容
本發明複合了點雷射掃描技術與普通光技術，採用普通光技術進行物體的 掃描及輪廓線的識別，通過攝像裝置獲取物體某一視角的外輪廓信息，採用多視 角坐標疊加，從而快速的完成物體的三維建模。採用建模的三維數據，同時可以 完成後面點雷射掃描的運動軌跡規劃，實現對任意物體任意擺放的自動化高速
採用龍門式五軸傳動系統及點雷射技術，依據規劃運動軌跡，控制五軸系統 進行運動，使測量物體始終處於點激測頭的測量範圍之內，獲取精確的測量點 雲。
將普通光掃描的數據與點雷射掃描的數據自動疊加，可實現對被測物體的 彩色三維掃描。
將掃描出來的三維點雲與標準模型進行對比，在對單點實時檢測的同時，進 一步對截面型線及三維整體檢測，獲取檢測結果。
本發明系統可以同時完成物體的三維掃描和自動化檢測，具體技術方案及 發明內容為
1.本系統為複合式點雷射器三維測量系統，包括控制裝置；
5普通光掃描裝置，採用普通光於對被測量物體進行多視角成像，生成的被測 量物體的多視角圖像；
建立初步模型裝置，該裝置根據所述普通光掃描裝置所成的圖像，還原出物 體的空間輪廓線，生成被測量物體的整體的三維圖像數據；
軌跡規劃裝置，根據所述建立初步模型裝置生成的被測量物體的三維圖像數 據，規劃點雷射掃描時的掃描軌跡，並對點雷射器掃描裝置的運動軌跡進行控制；
點雷射器掃描裝置，該點雷射器掃描裝置與所述軌跡規劃裝置相連接，並在 其控制下實現對被測物體的點雷射掃描，生成精確的被測物體的三維點雲數據；
三維檢測裝置，將所述建立初步模型裝置與所述點雷射器掃描裝置分別生成 的被測物體的三維圖像數據相疊加，獲得被測量物體的彩色三維數據，並將所述 彩色三維數據與標準模型的三維數據相比較得出被測量物體的檢測結果。
2. 本系統所述點雷射器掃描裝置基於三角測量原理來實現對被測物體的點 雷射掃描，所述點雷射器掃描裝進一步包括點雷射器掃描測量頭，該測量頭由 高度融縮的CCD與雷射器構成。
3. 該系統進一步包括龍門式五軸傳動裝置，用於點雷射器掃描裝置，以實 現被測物體固定不動時的點雷射的三維掃描；或
該龍門式五軸傳動裝置用於旋轉被測物體，以實現被測物體的點雷射的三維 掃描。
4. 本系統所述軌跡規劃裝置對點雷射器掃描裝置的運動軌跡進行控制，具 體實現方式為根據建立初步模型裝置所獲得三維模型數據，細分成直線段子集, 計算每段直線運行的速度及加速度，控制五軸系統聯動，平緩運行。
5. 本系統點雷射器掃描裝置中的點雷射器能夠實現自動光強調節；能夠根 據被測物體的不透明、半透明、透明的透明參數和被測物體表面的漫反射、鏡面 反射的反射特性，來調節點雷射器的光強輸出；
與點雷射器掃描裝置相連的伺服裝置，用於控制所述點雷射器掃描測量頭與 被測量物體之間的距離，使被測量物體始終處於所述點雷射器掃描測量頭的最佳 測量範圍內。
6. 基於掃描點雲與標準模型的對比，將所述彩色三維數據與標準模型的三 維數據相比較得出被測量物體的檢測結果，在對單點實時檢測的同時，進一步對 截面型線及整體三維進行檢測，來獲取檢測結果。
7. 本發明包括一種複合式點雷射三維測量方法，包括如下歩驟
A採用普通光對被測量物體進行多視角成像，生成的被測量物體的多視 角圖像；
B根據步驟A中所生成的被測量物體的多視角圖像，還原出物體的空間 輪廓線，生成被測量物體的整體的三維圖像數據；
C根據步驟B中所生成的被測量物體的整體的三維圖像數據，規劃點激 光掃描時的掃描軌跡，並對點雷射器的運動軌跡進行控制，以實現對測量 物體的點雷射掃描，獲得被測物體的三維圖像數據；
D將歩驟B、 C獲得的被測物體的三維圖像數據相疊加，獲取被測量物 體的彩色三維數據。
E將所述被測量物體的彩色三維數據與標準模型的三維數據相比較，得 出被測物體的測量結果。
四

圖1.系統硬體組成
圖2.系統軟體組成
圖3.系統工作流程
圖4.普通光三維建模示意圖
圖5.點雷射掃描示意圖
圖6.本系統獲取的工件點雲；
圖7-a.工件2D檢測報告
圖7-b.工件3D檢測報告
五具體實施例方式
本發明是利用計算機視覺、光學傳感技術實現物體的智能化三維掃描及檢 測，系統由軟、硬體組成，圖1為本系統的硬體結構組成圖，包括。 基本硬體組成
101機械平臺由大理石平臺組成，主要保證系統平臺的平整性及平穩性；
102龍門式構架存載測頭及相關運動軸安裝的整體構架
103計算機系統對本系統進行操作控制,人機對話
104連結線纜計算機主機與機械平臺控制臺之間的連結
105伺服控制系統驅動運動軸精確運動
五軸系統組成
106 X軸承擔雷射測量頭左右運動的水平運動軸。按圖示操作者的觀察方向， 與操作者平行的水平運動軸。X軸是測量運動的主要運動軸之一；
107 Y軸按圖示操作者的觀察方向，趨向/遠離操作者的水平運動軸。Y軸是 測量運動中調節雷射焦距的主要運動軸；
108 Z軸承擔雷射測量頭上下運動的垂直運動軸。Z軸是測量運動的主要運 動軸之一；
109 軸承擔雷射測量頭迴轉運動的軸。"軸是測量運動的主要運動軸之一；
110 ^軸承擔雷射測量頭擺動的軸。
111 為完成a軸，戶軸運動的迴轉單元，如Rainshow測量頭。
112光學系統測頭其中包括
普通光成像單元用於獲取物體的普通光成像圖像
點雷射器發射點雷射並照射到物體表面
CCD相機用於獲取點雷射器圖像
圖像採集卡將獲取的CCD模擬信號轉換為數字圖像
113為測量物體物體放置在載物臺上
圖2為本系統軟體組成包括
201運動控制模塊產生運動指令，控制五軸系統完成相應的精密運動；
202系統校正模塊對光學系統及機械平臺進行校正，從而得到本系統的內外部
參數，實現2D圖像向3D世界坐標的變換；
203軌跡規劃模塊根據輸入模型或者點雲三維坐標或者表達式，完成對點激 光運動控制的軌跡規劃；
204三維掃描模塊驅動普通光及點雷射對物體進行掃描，其中包括208普通光掃描採用普通光單獨掃描，獲取三維數據,並三維建模 209點雷射掃描採用點雷射單獨掃描，獲取三維點雲數據 210複合式掃描複合上述兩種技術進行掃描 205三維檢測模塊驅動普通光及點雷射對物體進行檢測，得出檢測分析報告； 206數據處理模塊完成對後續點雲的處理及編輯，如刪點，特徵識別，三維數 據的可視化建模等；
207顯示及人機互動模塊如完成圖像及三維數據的可視化等。
本發明的首要特點在於複合了普通光技術及點雷射掃描技術，並利用普通 光技術獲取的數據模型對點雷射的更精確掃描進行指導,重建三維物體及特徵部 位,實現對物體的三維掃描及檢測。圖3為本系統的工作流程圖。
圖4為採用普通光技術三維建模示意圖，分為圖像捕獲及立體合成兩個部
分
1) 採用光學鏡頭401獲取一幅普通光圖像，
2) 採用圖像處理算法，分割出該圖像中的輪廓信息，形成剪影圖，附加視角
參數及各運動軸參數，可以重建該視角的三維輪廓線。其中二維圖像輪 廓向三維輪廓線的轉換關係可以通過本系統的校正獲取，表達為如下形 式
尺,二^(xj，z,a,/3,x,，^) zw = & (X少，z,a，/ ，x,，jvy)
其中x, y， z, a， j3為當前運動軸信息，a, )S包括視角信息，；c,,
力為二維圖像信息，x^;v,Zw為重建的三維坐標。
通過各輪廓點的視線在後面形成一個錐形的體積，為該視角的錐形體積。
3) 旋轉一個角度，得到另一視角的三維輪廓線及錐形體積；
4) 各個視角的錐形體積相交得到三維體積模型；5) 組合提取各個視角的紋理信息，形成彩色三維數據。
系統的校正基於光線追蹤原理及特徵幾何方法進行，依據光線追蹤原理，可 以校正點雷射測頭的方向及相對位置，採用帶有特徵的標準校正塊，從而校正普 通光,點雷射及機械平臺之間的對應關係及內外部參數。
本系統更精細的測量採用點雷射技術，基於三角測量法原理，如圖5所示,其 中501為點雷射器，502為CCD探測器,503為物體，504為參考平面，點雷射器發 射一束光束A,經過參考平面504反射，在CCD探測器上成像為一個明亮的光點
/7。當測量物體時，受物體高度調製，成像光點在CCD上偏移到戶的位置，通過
解調該偏移，便可以求取物體上該點的高度，從而重建物體的三維坐標。 為提高測量精度，本系統採用光強自動調節技術，其方式為
1) 獲取點雷射成像圖像
2) 對圖像進行分析，分析光點的飽和度；3)根據分析結果自動調節雷射強度，如調節雷射頭供應電壓,CCD曝光時間 等，從而使獲取圖像達到理想程度。
採用點雷射技術，獲取的點雲精度與CCD與雷射器之間的夾角及CCD傳感 元大小有關，CCD傳感元大小受現代工藝限制，不容易得到提高，CCD與雷射器 之間的夾角越大，精度越高，意味著工作距離及測量景深的縮小。為達到較高的 測量精度,實際過程中，雷射測頭與物體之間的距離很近，因此在測量過程中,對 測量頭運動軌跡規劃就很必要，可以有效的防止測量頭與物體發生碰撞。本系統 採用的軌跡規劃方式包括
1) 簡單軌跡規劃，基於直線、園、平面、球、橢球等一系列規則軌跡運 動；
2) 基於普通光掃描建模的軌跡規劃，採用數據點雲輸入，直接規劃運動 軌跡；採用點雲輸入為世界坐標，需要進一步解析到機器坐標系統下,
艮P(;c,y,z,a,^^(p(Xw，:^,、)，其中x,z, a , 為機器坐標,
a, j8包括視角信息，xw,yw, Zw為點雲空間坐標。p為映射關係,
通過校正系統提供。規劃的具體實現為把點雲輸入細分成一系列直線 段子集，計算每個子集的速度及加速度，控制運動軸聯動。
3) 基於標準模型的軌跡規劃。當存在標準模型時，採用標準模型輸入, 軟體自動計算局部運動的位置、速度及加速度，避免了用戶自己直接 編程。採用該測量方式，與接觸式三坐標系統測量非常相似，需要預
先建立工件世界坐標系Cw與模型坐標系C ,的對應關係
cw = +r
其中R,T為如下形式變換矩陣
A2i 137;
^23r =
i 31W32A3「
建立該對應關係常規的做法是在與模型對應的工件上取六點建立工件 坐標系，將模型直接映射到工件坐標繫上。該方法簡易，但精度不容易控制, 因此可以採用點雷射掃描三個工件基準平面，然後將模型基準平面反向映射 到工件基準平面上，建立上述對應關係。通過上述變換，可以將整個模型映 射到工件系統系下，從而可以採用按點雲輸入的方式(方式2)進行軌跡規劃。
採用如上方式，實現了對任意物體的精確三維掃描，圖6為該系統對某工件 掃描的三維點雲。本系統可同時實現對工件任意擺放、非接觸式光學檢測。檢測 方案為
採用普通光技術，迅速完成物體的三維建模；依據建模結果指導點雷射對工 件基準面進行掃描，然後將模型的基準與工件基準對應並建立映射關係，從而獲 取需要檢測的工件位置，驅動點雷射對這些位置進行掃描，最後將獲取的點雲數 據與模型數據進行對比，即可以得到工件指定位置的檢測報告。
9根據檢測需求的不同，可分為對特定位置如點，截面型線及整體三維的檢
a) 特定位置的檢測依據模型數據,規劃運動軌跡，使運動軸運動到制 定位置，用點雷射獲取該點的三維坐標,與模型對比,得出對比結果；
b) 型線檢測依據模型數據,確定型線截面，規劃運動軌跡，用點雷射獲 取型線上每點的三維坐標，獲取型線的數據與模型型線對比，得出二
維檢測報告，如圖7-a;
C) 整體的檢測依據模型數據，進行整體掃描規劃，伺服控制系統驅動
運動軸聯動，按照規劃軌跡對物體進行測量，獲取的完整三維點雲
信息與模型進行對比，得出三維對比檢測報告，如圖7-b。
該系統採用軟體對齊及軌跡規劃的方式驅動點雷射掃描，物體可以任意擺放, 降低了對硬體平臺的要求。
該系統的測量方法包括三維掃描方法及三維檢測方法，如圖2是本系統的工作流
程，下面將分別進行描述。
三維掃描工作方法
1) 採用普通光技術，迅速的完成物體的三維建模；
2) 利用建模數據，進行軌跡規劃，將三維坐標映射到機器坐標上，從而控 制各個運動軸聯動；
3) 利用點雷射技術，依據運動軌跡對物體進行掃描，獲取物體的三維點雲數據。
4) 疊加普通光數據及點雷射數據,從而形成彩色的三維點雲數據。
三維檢測工作方法
1) 採用普通光技術，迅速的完成物體的三維建模；
2) 利用建模數據，進行軌跡規劃，將三維坐標映射到機器坐標上，從而控 制各個運動軸聯動；
3) 利用點雷射技術，依據運動軌跡對物體基準面進行掃描，獲取物體基準 面的三維點雲數據；
4) 輸入模型數據，依據檢測需求，根據模型數據，對應規劃點雷射運動軌 跡，完成對需求位置的檢測，得出檢測報告。
權利要求
1. 一種複合式點雷射器三維測量系統，包括控制裝置；普通光掃描裝置，採用普通光於對被測量物體進行多視角成像，生成的被測量物體的多視角圖像；建立初步模型裝置，該裝置根據所述普通光掃描裝置所成的圖像，還原出物體的空間輪廓線，生成被測量物體的整體的三維圖像數據；軌跡規劃裝置，根據所述建立初步模型裝置生成的被測量物體的三維圖像數據，規劃點雷射掃描時的掃描軌跡，並對點雷射器掃描裝置的運動軌跡進行控制；點雷射器掃描裝置，該點雷射器掃描裝置與所述軌跡規劃裝置相連接，並在其控制下實現對被測物體的點雷射掃描，生成精確的被測物體的三維點雲數據；三維檢測裝置，將所述建立初步模型裝置與所述點雷射器掃描裝置分別生成的被測物體的三維圖像數據相疊加，獲得被測量物體的彩色三維數據，並將所述彩色三維數據與標準模型的三維數據相比較得出被測量物體的檢測結果。
2. 如權利要求1所述的複合式點雷射器三維測量系統，其特徵在於所述點 雷射器掃描裝置基於三角測量原理來實現對被測物體的點雷射掃描，所述點雷射 器掃描裝進一步包括點雷射器掃描測量頭，該測量頭由高度融縮的CCD與激 光器構成。
3. 如權利要求1或2所述的複合式點雷射器三維測量系統，該系統進一步包 括龍門式五軸傳動裝置，其特徵在於；該龍門式五軸傳動裝置用於點雷射器掃描 裝置，以實現被測物體固定不動時的點雷射的三維掃描；或 該龍門式五軸傳動裝置用於旋轉被測物體，以實現被測物體的點雷射的三維掃
4. 如權利要求l-3所述的複合式點雷射器三維測量系統，其特徵在於 所述軌跡規劃裝置對點雷射器掃描裝置的運動軌跡進行控制，具體實現方式為 根據建立初步模型裝置所獲得三維模型數據，細分成直線段子集,計算每段直線 運行的速度及加速度，控制五軸系統聯動，平緩運行。
5. 如權利要求2所述的複合式點雷射器三維測量系統，其特徵在於 所述點雷射器掃描裝置中的點雷射器能夠實現自動光強調節；所述點雷射器掃描裝置能夠根據被測物體的不透明、半透明、透明的透明參數和被測物體表面的漫反射、鏡面反射的反射特性，來調節點雷射器的光強輸出； 所述與點雷射器掃描裝置相連的伺服裝置，用於控制所述點雷射器掃描測量頭與 被測量物體之間的距離，使被測量物體始終處於所述點雷射器掃描測量頭的最佳 測量範圍內。
6. 如權利要求l-5所述的複合式點雷射器三維測量系統，其特徵在於所述並將所述彩色三維數據與標準模型的三維數據相比較得出被測量物體的檢 測結果，是基於掃描點雲與標準模型的對比，在對單點實時檢測的同時，進一歩 對截面型線及整體三維進行檢測，來獲取檢測結果。
7. —種複合式點雷射器三維測量方法，其特徵在於包括如下步驟A採用普通光對被測量物體進行多視角成像，生成的被測量物體的多視角圖像； B根據步驟A中所生成的被測量物體的多視角圖像，還原出物體的空間輪廓線， 生成被測量物體的整體的三維圖像數據；C根據步驟B中所生成的被測量物體的整體的三維圖像數據，規劃點雷射掃描時 的掃描軌跡，並對點雷射器的運動軌跡進行控制，以實現對測量物體的點雷射掃 描，獲得被測物體的三維圖像數據；D將步驟B、 C獲得的被測物體的三維圖像數據相疊加，獲取被測量物體的彩色二維數據。E將所述被測量物體的彩色三維數據與標準模型的三維數據相比較，得出被測 物體的測量結果。
全文摘要
一種複合式三維點雷射測量系統及測量方式，包括三維掃描和三維檢測。採用普通光掃描，迅速的獲取物體的輪廓信息並三維建模，用此輪廓數據進行運動軌跡規劃，指導點雷射測頭進行更精細的測量，獲取更高精度、更高質量的三維點雲數據。基於掃描點雲與模型數據比較，進一步獲取對工件特徵位置、指定截面型線、整體的三維非接觸式檢測。該系統及方法的優點在於非接觸式測量，獲取的點雲質量好、精度高，物體可以任意擺放，無需精密的裝夾裝置，測量速度快，過程自動化，測量物體適應範圍廣。
文檔編號G06T17/00GK101520319SQ20081000787
公開日2009年9月2日 申請日期2008年2月27日 優先權日2008年2月27日
發明者鄒小平 申請人:鄒小平