[发明专利]单目高精度大型物体三维数字化测量系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种逆向工程的测量仪器，更具体的说，本发明涉及一种用于逆向工程的单目高精度三维数字化测量系统及其测量方法。

背景技术

逆向工程的执行，需对产品的特性与制作流程有充分的了解，而现实中许多产品是由自由曲面组成的(如摩托车外形设计，模具制造等)，要完成这样的模型的建构，必须对模型上的凹槽、开孔或其他特征做精确的辨识，以完成模型的建构。如何将各点的数据正确无误的处理以建构出有用的曲线、曲面？对此，单纯靠有经验的工程师是不够的，那样可能耗时太长或误差较大，如果配上相宜的仪器，则可达到事半功倍的效果。

目前，用于逆向工程的传统测量仪器在使用中有诸多局限。例如接触式测量，存在速度慢、易造成工件磨损及探头操作局限等问题，而传统的非接触式测量，又存在精度差(10-100um)、测量速度慢(1000-12000点/秒)、误差大等重大缺陷。现有的较成熟的三维测量仪器主要有三坐标测量机，激光扫描仪和光栅测量仪，它们在一定程度上可以进行曲面测量，但还分别存在以下不足：

所述的三坐标测量机是高精度的接触式测量仪器，每次只能测量一个点，测量速度慢，难于进行曲面的造型设计，而且无法测量软质物体，操作起来非常繁琐；

所述的激光扫描仪属于非接触式光学测量仪器，该仪器体积庞大，需要导轨(通常是平移平台和旋转平台)，从而使其精度、速度均受导轨限制，难以实现高精度、高速度的测量，同时由于其有效平台尺寸的限制，又使其测量范围很窄，由于所述平台加工精度及加工尺寸的限制，激光扫描仪很难实现大型物体的三维数字化测量。在同一个企业，如果被测产品尺寸变化很多，则需要多台设备才能测量，因此会增加财政负担。另外，激光对工作人员的眼睛也有一定危害；

所述的光栅式三维测量仪采用光栅作为光源，该仪器可以实现对物体外形的非接触三维面测量，大大提高了测量速度(例如德国的ATOS)。但是光栅式测量方法单次测量范围较小，对于大型物体，需采用多次拼接实现，因此会累计较大的误差，且不容易实现误差的全局控制。

由此可见，开发一种测量精度高、速度快、误差小、测量范围大的三维数字化测量系统，以适应外形设计中的全方面曲面测量，已成为各个行业对几何量检测与设计的最迫切需求。

发明内容

本发明的目的就是克服以上现有技术的不足，提供一种可靠、实用、操作便捷的便携式大型物体三维数字化测量系统，以弥补现有技术存在的缺陷。

本发明的单目高精度大型物体三维数字化测量系统的组成包括：

用于建立高精度坐标基准的十字靶标系统；

用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；

用于提供空间位置信息的编码标记点；

用于采集图像的一个高精度彩色或者黑白照相机；

所述的十字靶标系统相对独立设置，其四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。所述四个编码标记点的编码方案和编号事先已经确定。

本发明单目高精度大型物体三维数字化测量系统工作步骤分为三步：

(1)标定前准备：设计并加工高精度十字靶标系统，并在靶标四个顶点粘贴四个已知坐标信息的编码标记点。

(2)确定测量基准：将十字靶标放在被测物体成像范围之内，选取几个合适位置对十字靶标附近的场景进行拍照，尽量保证每个照片中均含有十字靶标和待测的物体。

(3)解算骨架点三维坐标：利用本发明所提出的SCDP方法，解算出各个编码标记点的二维坐标，所述编码标记点视为物体的骨架点。所述骨架点将空间分割成若干个子空间。所述的SCDP方法，其过程是：

第一步：在被测物体关键尺寸部位粘贴上所述的编码标记点；

第二步：将所述的十字靶标摆放在被测物体附近，十字靶标的摆放原则是：利用所述的高精度数码照相机对十字靶标进行拍照时，可以同时拍摄到至少三个十字靶标之外的编码标记点；

第三步：利用所述的高精度数码照相机对含有十字靶标的被测物体进行拍照，更换拍摄位置和角度继续拍摄被测物体，至少采集3幅含有十字靶标的被测物体图像。

第四步：利用所述的高精度数码照相机继续对被测物体进行拍照，直到被测物体所有的编码标记点都被拍摄完毕。拍照的原则是：相邻两个图像含有至少3个公共编码标记点。

第五步：利用所拍摄到的前3幅图像中的已知十字靶标的编码标记点信息，解算出所述照相机在空间中的3个拍摄位置；

第六步：利用第五步所得到的所述照相机的三个拍摄位置信息，计算十字靶标之外所拍摄到的编码标记点的三维坐标；