[发明专利]基于线结构光的360°轮廓测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于轮廓测量技术领域，特别涉及一种基于线结构光的360°轮廓测量装置及方法。

背景技术

自上个世界末以来，工业蓬勃发展，轮廓测量技术无论是在工业、制造业、产品开发，还是逆向工程、材料与器件和在线测量等方面都发挥着越来越重要的作用。尤其是近几年来，计算机技术和数字图像技术快速发展，光学测量以其高精度、非接触、无损伤和高效性等优点越发受到人们的青睐。正是因为工业发展迅速，计算机技术和数字图像处理技术的融入，推动轮廓测量技术快速发展，人们对轮廓测量的速度、精度、自动化操作等方面的要求也越来也高。被测量物体由简单的一维长度、二维平面过渡到复杂多变的三维轮廓；测量环境也变得高温、高热、高粉尘、高酸碱以及高振动等苛刻条件；测量信息也希望更加详实准确。

近年来，伴随着机器视觉的飞速发展，基于视觉测量的技术已成为三维测量中一个重要方面，而线结构光三维测量技术以精度较高、实时性强等特点，广泛应用于工业生产之中。基于线结构光的三维测量技术是将激光光束投射到被测物体表面，摄像机获取激光光束的二维图像，经过一系列算法处理，并结合相关测量模型来求解被测物体的三维轮廓信息。目前使用的三维轮廓测量方法主要有基于阴影遮挡法的360°轮廓测量方法和基于双摄像机的光切法360°轮廓测量方法。

(1)基于阴影遮挡法的360°轮廓测量的原理如图1所示，该方案的测量原理是利用阴影宽度来求解被测物体轮廓直径，故称这种方案为基于阴影遮挡法的360°轮廓测量方法。

该方案使用LED作为照明光源，LED光通过组合透镜产生平行光，平行光照射到被测物体表面，被被测物体所遮挡的部分将产生阴影，并经过另外一组透镜聚焦在CMOS摄像机上。通过摄像机的工业摄像机所采集到的数据可计算出阴影宽度，即得到被测物体某一个轮廓直径的尺寸。该方案在系统运行过程中，光学测量系统相对于被测物体在不断旋转，如图2所示，每旋转360°，获得被测物体的一个完整切面轮廓。在工业生产中，若被测物体在沿某个方向运动，则该方案所扫描的轨迹呈现为如图2中所示的螺旋形式。

这种测量方法存在以下缺点：

缺点一：整个光学系统在运行过程中需要绕被测物体高速旋转，需要借助步进电机来驱动，导致系统复杂，实时性差；

缺点二：对运动的被测物体，其测量轨迹呈现螺旋形，不能准确的反映完整切面的轮廓信息；

缺点三：该系统的内部对环境要求非常洁净，对于高温、高粉尘和高湿度等恶劣环境来说非常苛刻，因此在连续运行一段时间后，经常出现故障，稳定性较差。

(2)基于双摄像机的光切法360°轮廓测量。其测量系统如图3所示，该测量系统在线结构光入射面两侧布置两个摄像机，利用视场互补的原则，适当拉开两个摄像机之间的距离，增大成像光轴夹角，有利于解决被测表面起伏较大时带来的测量死点问题。被测物体放置在旋转台上，O点为旋转台中心，α、β分别为摄像机1和摄像机2成像镜头主光轴与光切面的夹角，f₁和f₂分别为摄像机1和摄像机2的镜头焦距，物空间坐标系选用柱面坐标系(r,θ,z)，z轴与旋转中心轴O重合，因此三维物体表面可描述为r＝r(θ,z)，r为物体表面距z轴(旋转中心轴)的距离。旋转台由步进电机驱动，线结构光经被测物体表面高度调制后的变形条纹成像于摄像机的像平面，通过确定像平面上各能量分布中心像点在图像空间中位置x₁、x₂，就可以利用下式分别求出线结构光切面与被测物体表面交线上点A处的径向距离r：

其中BO、CO分别表示摄像机1、摄像机2镜头到旋转中心O的距离。然后步进电机驱动旋转台转动一定的角度，即可测得一个完整的360°切面轮廓。

理想情况下，r₁＝r₂。但是该系统的本质是两个常规单摄像机测量系统的并联，两摄像机的有效视场互补，但就单个摄像机而言仍然受到视场死角的影响，因此并非物体表面上所有被测点都是两摄像机的共同测量点。对于共同测量点，测量值为r₁和r₂，对于摄像机1可测而摄像机2为死角的点只能求得r₁，反之则只能求得r₂，因此该系统的最终测量终值r为r₁和r₂的并集：

r＝r₁∪r₂