可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統及其測量方法
2023-09-21 11:44:30
專利名稱：可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種逆向工程的測量儀器，更具體的說，本發明涉及一種用於逆向工程的三維掃描測量系統及其測量方法。
背景技術：
逆向工程的執行，需對產品的特性與製作流程有充分的了解，而現實中許多產品是由自由曲面組成的(如摩託車外形設計，模具製造等)，要完成這樣的模型的建構，必須對模型上的凹槽、開孔或其他特徵做精確的辨識，以完成模型的建構。如何將各點的數據正確無誤的處理以建構出有用的曲線、曲面？對此，單純靠有經驗的工程師是不夠的，那樣可能耗時太長或誤差較大，如果配上相宜的儀器，則可達到事半功倍的效果。
目前，用於逆向工程的傳統測量儀器在使用中有諸多局限。例如接觸式測量，存在速度慢、易造成工件磨損及探頭操作局限等問題，而傳統的非接觸式測量，又存在精度差(10-100um)、測量速度慢(1000-12000點/秒)、誤差大等重大缺陷。現有的較成熟的三維測量儀器主要有三坐標測量機，雷射掃描儀和光柵測量儀，它們在一定程度上可以進行曲面測量，但還分別存在以下不足所述的三坐標測量機是高精度的接觸式測量儀器，每次只能測量一個點，測量速度慢，難於進行曲面的造型設計，而且無法測量軟質物體，操作起來非常繁瑣；所述的雷射掃描儀屬於非接觸式光學測量儀器，該儀器體積龐大，需要導軌(通常是平移平臺和旋轉平臺)，從而使其精度、速度均受導軌限制，難於實現高精度、高速度的測量，同時由於其有效平臺尺寸的限制，又使其測量範圍很窄，如果被測產品尺寸變化很多，則需要多臺設備才能測量，因此會增加財政負擔。另外，雷射對工作人員的眼睛也有一定危害；
所述的光柵式三維測量儀採用光柵作為光源，該儀器可以實現對物體外形的非接觸三維面測量，大大提高了測量速度(例如德國的ATOS)。但是光柵式測量方法受物體表面顏色的限制，不能測量黑色物體和反光物體，而且在測量時通常需要噴上一層顯影劑。
由此可見，開發一種測量精度高、速度快、誤差小的掃描測量系統，以適應外形設計中的全方面曲面測量，已成為各個行業對幾何量檢測與設計的最迫切需求。
發明內容
本發明的目的就是克服以上現有技術的不足，提供一種可靠、實用、操作便捷的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統，以彌補現有技術存在的缺陷。
本發明的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統的組成包括用於建立高精度坐標基準的標定平臺；用於精度控制、圖像採集和數據處理的計算機；用於提供光源及擴展投射結構光條的商用投影儀；用於採集圖像的兩個彩色或黑白攝像機；用於放置所述的商用投影儀和所述的兩個攝像機的掃描平臺；所述的標定平臺相對獨立設置，其上設置有連接手動螺杆的移動滑塊，所述的移動滑塊上設置有的標定靶標，所述的標定靶標上設置有用於編寫標定程序的標定圓，所述的標定圓為2～50個，最好為20～30個；所述的掃描平臺的中間部位設置所述的商用投影儀，所述商用投影儀的兩邊各固定一個所述的攝像機，並儘量保證所述的攝像機鏡頭到投影儀的鏡頭距離相等；所述的計算機設置有雙頭顯卡，其中一個顯卡連接顯示器，另一個顯卡連接商用投影儀，所述的兩個攝像機通過USB口連接所述的計算機。
本發明可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統的工作步驟分為三步(1)標定前準備將設置有所述商用投影儀和所述攝像機的掃描平臺移到所述標定平臺的前面，打開用於標定的控制程序，確定在控制程序中所述2臺攝像機所看到的所述標定靶標的圖像清晰之後，進行標定參數的設定。
(2)確定測量基準按5mm～20mm之間的一定步長，對所述的標定圓進行4次步移以上的標定，並計算標定數據的平均誤差值，如果其值在0.01-0.04mm之間，則完成標定，開始測量；如果其值超出範圍，則重新標定；所述的步長最好為10mm，所述的步移最好為10次。
(3)掃描測量按控制程序中的掃描測量操作流程，對已放置好的被測物體進行三維掃描，其過程是第一步由所述的商用投影儀對被測物體投射中心結構光條；第二步計算機通過所述的攝影機2和3自動採集圖像；第三步計算機自動對圖像進行平滑、消噪處理；第四步更換角度拍攝被測物體，重複前三步操作，採集至少3幅圖像；第五步計算機將所得到的被測物體的三維空間點雲數據，輸出到surfacer或geomagic等特定的三維處理軟體進行進一步處理，從而建立起物體的三維形貌。
本發明的有益效果是採用無導軌結構，解決了現有的同類儀器易造成工件磨損及探頭操作局限等問題；採用面結構光作為測量光源，解決了黑色物體和反光物體的三維測量難題，對被測物的材質和顏色沒有限制，擴展了三維測量系統的應用領域，並可滿足特殊材料三維檢測和重建物體三維形貌的需求。
圖1是本發明掃描測量系統各部件的布置、連接示意圖；圖2是本發明的控制流程圖；圖3是本發明掃描測量系統中標定平臺的結構示意圖；圖4是圖3的左視圖；圖5是本發明的三維測量界面示意圖；圖6、圖7和圖8、圖9分別是被測實物與本發明測量效果的比較圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細描述。
如圖1、圖3、圖4所示，本發明可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統，包括用於建立高精度的坐標基準並提供高精度標定圓的標定平臺6、用於精度控制、圖像採集和數據處理的計算機4、通過雙頭顯卡與所述的計算機4相連接的商用投影儀1以及通過USB口與所述的計算機4相連接的兩個彩色或黑白攝像機2和3。所述的標定平臺6相對獨立，其上設置有帶手動螺杆10的移動滑塊7，所述的移動滑塊7上固定安裝標定靶標8。該系統各部件的連接方式是所述的商用投影儀1設置在掃描平臺的中間部位，兩個攝像機2和3分別固定在所述商用投影儀1的兩邊，並儘量保證兩個攝像機2和3的鏡頭到所述商用投影儀1鏡頭的距離相等。在此技術方案中，所述的商用投影儀1代替了以往三維掃描儀器的光柵發生器，它的主要作用是為掃描提供光源並利用擴展屏幕投射結構光條。所述的標定平臺6用鑄鐵所造，其材料與重量決定了標定平臺6的穩定程度，穩定程度越好，標定的精度也越高，為了方便編寫標定程序，在所述的標定靶標8上設置了若干相同直徑的標定圓9，並保證同一行任意兩個標定圓9之間以及同一列任意兩個標定圓9之間的圓心距離相等。為了有效地保證精度，在所述的標定靶標8上可設置若干個標定圓9，最好設置20～30個，30個以上效果更好。這種設置方法，比現有的掃描設備中只設置2個或者3個標定圓的標定平臺精度要高。
本發明可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統的工作步驟是(1)標定前準備將設置有所述商用投影儀1和所述攝像機2、3的掃描平臺移到所述標定平臺6的前面，打開如圖2所示的控制程序，進入如圖5所示的三維測量界面，點擊「標定」，進入標定界面，調整所述2臺攝像機2、3的焦距，並確定在控制程序中所述2臺攝像機所看到的所述標定靶標8的圖像清晰之後，進行標定圓9的個數以及各標定圓9之間中心間距的設定，並保存設定值。
(2)確定測量基準操作連接移動滑塊7的手動螺杆10，按5mm～20mm之間的一定步長，對所述的標定圓9進行4次以上的標定，並計算其平均誤差值，如果其平均誤差在0.01-0.04mm之間，則完成標定，開始測量；如果標定誤差超出範圍，則重新進行標定。本應用實施例以10mm為一個步長，對所述的標定圓9進行了10次標定，並計算所標定的10組數據，效果很好。
(3)掃描測量在面對掃描系統的任意位置穩定放置被測物體5，使其沒有明顯晃動，然後按圖2所示控制程序中的掃描測量流程，點擊圖5所示界面上的「測量」按鈕，開始對被測物體5進行三維掃描，所述的掃描過程是第一步由商用投影儀1對被測物體5投射中心結構光條；第二步計算機4通過所述的攝影機2和3自動採集圖像；第三步計算機4自動對圖像進行平滑、消噪處理；第四步更換角度拍攝被測物體，重複前三步操作，採集至少3幅圖像；第五步計算機得到被測物體5的三維空間點雲數據，點擊圖5所示界面的「文件」-「另存為」-將所測得的三維點雲數據輸出到surfacer或geomagic等特定的三維處理軟體進行進一步處理，從而建立起物體的三維形貌。
本發明與現有技術的可攜式光柵三維測量系統的最大區別，是採用面結構光作為測量光源，從而解決了黑色物體和反光物體的三維測量的難題，從圖6、圖7和圖8、圖9中可以看出，本發明對普通實物以及黑色物體和反光物體的測量效果圖6是石膏像的實物照片，圖7是本發明對圖6所示石膏像的測量效果圖；圖8是黑色、反光物體的實物照片，圖9是本發明對圖8所示黑色、反光物體的測量效果圖。
本發明與現有的該類儀器的區別還在於無需任何專門的控制硬體設備，並且不需要專門定做的光柵投影儀；軟體則是針對本儀器自主編寫的測量程序；標定平臺是相對獨立的，主要作用是提供高精度的系列圓，以建立高精度的坐標基準；所選用的計算機配置雙頭顯卡，其中一個顯卡接顯示器，另外一個顯卡用於商用投影儀；商用投影儀通過計算機的雙頭顯卡與計算機相連後，可以利用擴展屏幕投射結構光條；彩色或黑白攝像機通過USB口(USB為Intel公司開發的通用串行總線架構，目前普通的商用電腦通常都配置至少四個USB口)與計算機相連；計算機的作用是在本發明中控制投影儀、採集攝像機圖像和數據處理。
綜上所述，本發明可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統的優點是(1)體積小(500mm×50mm×100mm)，重量輕(10公斤)，方便攜帶，可隨意搬至被測物所在位置做現場測量；(2)採用無導軌結構，工作方式自由，可調節任意角度作全方位測量，同時解決了現有的同類儀器易造成工件磨損及探頭操作的局限等問題；(3)單面測量範圍為400mm×500mm，若物體尺寸大，可通過拼接進行無限次的測量，有效地解決對大型工件的分塊測量，同時測量數據可實時自動拼合，非常適合各種大小和形狀物體的測量，測量適用範圍廣；(4)採用面結構光作為測量光源，使其對被測物的材質和顏色沒有限制，改變了以往三維光學掃描系統不能對黑色及反光物體掃描測量的現狀；(5)採用軟體控制程序對攝像機和商業投影儀進行控制；提高掃描測量的準確度；(6)採用雙頭顯卡控制光源，省去了圖像控制卡，降低了設備成本；(7)採用單光條定位，多光條掃描的方式，保證了三維測量的可靠性與真實性；(8)採用差分法對圖像進行處理，提高了圖像處理的準確度，使測量更接近實測量；(9)測量精度高，可達到0.01～0.02mm。
本發明採用結構光非接觸照相測量原理和光源投影方式，使其測量精度很高，且應用廣泛，適於對任何材料的物體表面(如工件、模型、模具、雕塑、人體等)進行數位化測量。
以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，採用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經創造性的設計出與該技術方案相似的技術方案與實施例，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統，其特徵是，它包括用於建立高精度坐標基準的標定平臺；用於精度控制、圖像採集和數據處理的計算機；用於提供光源及擴展投射結構光條的商用投影儀；用於採集圖像的兩個彩色或黑白攝像機；用於放置所述的商用投影儀和所述兩個攝像機的掃描平臺；所述的標定平臺相對獨立設置，其上設置有連接手動螺杆的移動滑塊，所述的移動滑塊上設置有的標定靶標，所述的標定靶標上設置有用於編寫標定程序的標定圓，所述的標定圓為2～50個；所述的商用投影儀設置在所述掃描平臺的中間部位，所述的2個攝像機設置在所述商用投影儀的兩邊，所述2個攝像機的鏡頭到投影儀鏡頭的距離相等；所述的計算機設置有雙頭顯卡，其中一個顯卡連接顯示器，另一個顯卡連接商用投影儀，所述的兩個攝像機通過USB口連接所述的計算機。
2.根據權利要求1所述的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統，其特徵是，所述標定靶標上的標定圓為20～30個。
3.一種使用權利要求1所述的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統進行掃描測量的方法，其特徵是，它包括如下步驟(1)標定前準備將設置有所述商用投影儀和所述攝像機的掃描平臺移到所述標定平臺的前面，打開用於標定的控制程序，確定在控制程序中所述2臺攝像機所看到的所述標定靶標的圖像清晰之後，進行標定參數的設定。(2)確定測量基準按5mm～20mm之間的步長，對所述的標定圓進行4次步移以上的標定，並計算標定數據的平均誤差值，如果其值在0.01-0.04mm之間，則完成標定，開始測量；如果其值超出範圍，則重新標定。(3)掃描測量按控制程序中的掃描測量操作流程，對已放置好的被測物體進行三維掃描，其過程是第一步由所述的商用投影儀對被測物體投射中心結構光條；第二步計算機通過所述的2臺攝影機自動採集圖像；第三步計算機自動對圖像進行平滑、消噪處理；第四步更換角度拍攝被測物體，重複前三步操作，採集至少3幅圖像；第五步計算機將所得到的被測物體的三維空間點雲數據，輸出到surfacer或geomagic等特定的三維處理軟體進行進一步處理，從而建立起物體的三維形貌。
4.根據權利要求3所述的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統進行掃描測量的方法，其特徵是，確定測量基準步驟中的所述步長為10mm。
5.根據權利要求3所述的可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統進行掃描測量的方法，其特徵是，確定測量基準步驟中的所述步移為10次。
全文摘要
本發明公開了一種可攜式無導軌結構光三維掃描測量系統及其使用方法。該測量系統包括標定平臺、計算機、與所述的計算機雙頭顯卡相連接的商用投影儀以及通過USB口與計算機相連接的兩個彩色或黑自攝像機；其使用方法包括標定前準備、確定測量基準、掃描測量等步驟。本發明採用無導軌結構，解決了現有的同類儀器測量速度慢、易造成工件磨損及探頭操作局限等問題；採用面結構光作為測量光源，解決了黑色物體和反光物體的三維測量難題，對被測物的材質和顏色沒有限制，擴展了三維測量系統的應用領域，並可滿足特殊材料三維檢測和重建物體三維形貌的需求。
文檔編號G01B21/00GK1865844SQ200610014189
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月8日 優先權日2006年6月8日
發明者宋麗梅 申請人:天津世紀動力光電科學儀器有限公司, 宋麗梅