專利名稱：物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物體輪廓誤差的測量裝置和方法，這是一種基于自適應(yīng)條紋投射的測量技術(shù)，采用多視角測量及數(shù)據(jù)融合的非接觸式形貌誤差測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
在線檢測是檢測技術(shù)的重要分支，而無損、高精度、快速完成檢測是檢測技術(shù)的目標(biāo)。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用特別是生產(chǎn)流水線中，制造過程帶來的產(chǎn)品形狀缺陷是難以避免的，雖然這些缺陷通常比較微小，但對質(zhì)量監(jiān)控具有十分重要的作用，所以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地缺陷檢測也是一項不可或缺的重要內(nèi)容。現(xiàn)有三維測量的主流技術(shù)及設(shè)備主要是針對工業(yè)產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)離線高精度檢測，比如可以采用接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)、非接觸式光學(xué)測量設(shè)備如激光掃描儀或數(shù)字光柵測量系統(tǒng)等。其中非接觸式測量具有精度高、全場式、自動化程度高等特點(diǎn)。但若每次都必須通過采集被測產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)據(jù)，然后將其與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較獲得兩者之間的誤差，以判斷產(chǎn)品是否合格，這一過程必將增加檢測時間，導(dǎo)致檢測效率降低，成本增加。針對這一問題的解決，自適應(yīng)條紋投影測量技術(shù)就彰顯出了獨(dú)特的優(yōu)越性。該技術(shù)兼具了數(shù)字條紋投射技術(shù)全場性、高精度以及易于在計算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)自動測量等優(yōu)點(diǎn)，同時對微小變形量具有高度的敏感性，非常適用于工業(yè)流水線產(chǎn)品質(zhì)量控制。不足之處是目前這種方法主要是根據(jù)實(shí)際樣本數(shù)據(jù)來生成自適應(yīng)條紋，這勢必將樣本本身的加工誤差帶入到后續(xù)缺陷檢測中。本發(fā)明以被測物體的設(shè)計數(shù)據(jù)為依據(jù)生成自適應(yīng)條紋，避免了待測產(chǎn)品的加工誤差，為獲取高精度的輪廓誤差數(shù)據(jù)提供了保證。采用多套自適應(yīng)條紋投射系統(tǒng)同時對被測產(chǎn)品各視角進(jìn)行單獨(dú)測量，最后將數(shù)據(jù)融合，可以快速獲取被測產(chǎn)品輪廓誤差，滿足在線快速檢測要求。目前基于理想設(shè)計數(shù)據(jù)生成自適應(yīng)條紋來進(jìn)行被測物體360°輪廓誤差檢測的方法未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有在線檢測方法不足，結(jié)合條紋投射測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提供一種有效可行的物體奶0°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置和方法，具有滿足在線檢測快速、高精度特點(diǎn)。同時，本發(fā)明測量裝置具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是一種物體奶0°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置，由四個子系統(tǒng)和計算機(jī)連接組成。并采用以下步驟來完成物體奶滬輪廓誤差測量(1) 將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影儀和攝像機(jī)像平面；(2)采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體的自適應(yīng)條紋；(3)各子系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；(4)子系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；通過全局標(biāo)定，確定各子系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系；(5)將各子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系并融合成物體360°輪廓誤差信息。 所述的四個子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周， 各子系統(tǒng)測量視角有0° ^20°重疊。每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、并通過計算機(jī)(1)控制，如圖3所示。數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)由自適應(yīng)條紋根據(jù)被測物體形狀采用權(quán)利要求3所述的方法實(shí)時繪制，通過數(shù)字投影裝置DLP (4)將其投射到待測物面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應(yīng)被測物體的形狀。圖像采集系統(tǒng)由 CXD (含光學(xué)鏡頭)(3)、圖像采集卡(2)，采集到的圖像以二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機(jī)(1)。根據(jù)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置，由四個子測量系統(tǒng)和一臺計算機(jī)組成。其特征在于所述的子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周，相鄰子測量系統(tǒng)測量視角有20° 局部重疊，每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，用于測量物體的局部輪廓誤差。所述的計算機(jī)用于控制各子測量系統(tǒng)完成輪廓誤差測量操作，并與各測量子系統(tǒng)連接。上述的數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)是通過計算機(jī)實(shí)時繪制自適應(yīng)條紋，采用數(shù)字投影裝置DLP將其投射到待測物面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應(yīng)被測物體的形狀。上述的圖像采集系統(tǒng)由CXD攝像機(jī)(含光學(xué)鏡頭)和圖像采集卡組成，與計算機(jī)連接，圖像采集卡安裝在計算機(jī)上，采集到的圖像以二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機(jī)。 一種物體360 °輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，應(yīng)用上述的裝置進(jìn)行輪廓誤差測量，其特征在于測量步驟如下
(1)將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CXD攝像機(jī)像平面；
(2)采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體的自適應(yīng)條紋；
(3)各子測量系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；
(4)子測量系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；
(5)通過全局標(biāo)定，確定各子測量系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系；
(6)將各測量子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系并融合成物體360°輪廓誤差信息。上述步驟(1)中將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CXD攝像機(jī)像平面的方法是根據(jù)公式
=R,PW+Tp 和/ =RcmPw + Tc，
(其中和U分別為世界坐標(biāo)系與投影儀和CXD坐標(biāo)系關(guān)系矩陣，Pf , Pc為投影
儀和攝像機(jī)映射點(diǎn)的二維坐標(biāo))，將物體CAD數(shù)據(jù)點(diǎn)Pfr(^j)分別映射到投影裝置DLP和 CCD攝像機(jī)像平面，得到二維點(diǎn)散亂分布在像平面上。上述步驟(2)中采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體的自適應(yīng)條紋的方法是將散亂映射點(diǎn)剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機(jī)上觀測的條紋位相，根據(jù)各三角形頂點(diǎn)的位相采用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP整數(shù)像素點(diǎn)的位相，進(jìn)而獲得所須投影的自適應(yīng)條紋。上述步驟(3)中子測量系統(tǒng)由投影裝置DLP依次投射N幅自適應(yīng)條紋圖像到被測物體表面，過CCD攝像機(jī)采集，其中采集到的第η幅條紋圖可表示為4 ￠, J) = 4 (ι M + ./) C0S[#, J) + O8]], ls(l,J)表示條紋圖上圖像點(diǎn)(ij)的灰度值， 4表示偏移量；^表示調(diào)制度，表示物體表面任意點(diǎn)對應(yīng)的自適應(yīng)條紋位相， ax=2miP ( ρ為條紋節(jié)距)表示條紋圖像相移量。利用公式
權(quán)利要求
1.一種物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置，由四個子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)，一臺計算機(jī)(9)組成，其特征在于所述子系統(tǒng)(1，2，3，4)均布在被測物體(5)四周，相鄰子測量系統(tǒng)測量視角有0° ^20°局部重疊，每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，用于測量物體的局部輪廓誤差；所述的計算機(jī)(9)與各子系統(tǒng)(1，2，3，4)連接，用于控制各子系統(tǒng)(1，2，3，4)完成輪廓誤差測量操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置，其特征在于所述的數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)是由計算機(jī)(9)實(shí)時繪制自適應(yīng)條紋，通過一個數(shù)字投影裝置 DLP (7)將其投射到被測物體(5)表面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應(yīng)的被測物體(5)的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)是由一個CCD攝像機(jī)(含光學(xué)鏡頭)(6)連接一個圖像采集卡(8)組成，所述圖像采集卡(8)安裝在計算機(jī)(9)上并與計算機(jī)(9)連接，采集到的圖像以二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機(jī)(9)。
4.一種物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行輪廓誤差測量，其特征在于測量步驟如下1)將被測物體(5)的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP(7)和攝像機(jī)(6)像平面；2)采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體(5)的自適應(yīng)條紋；3)各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)采集條紋圖像并計算條紋位相；4)子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差；5)通過全局標(biāo)定，確定各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系；6)將各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系并融合成物體360°輪廓誤差fe息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟1)中將被測物體(5 )的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP (7 )和CXD攝像機(jī)(6 )像平面的方法是根據(jù)公式p =R *PW+T 和 pc =RcmPw + Tc ,其中和民,2；分別為世界坐標(biāo)系與投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(jī)(6)坐標(biāo)系關(guān)系矩陣，Pp ,盡為投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(jī)(6)映射點(diǎn)的二維坐標(biāo)，將被測物體(5)的CAD數(shù)據(jù)點(diǎn)分別映射到投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(jī)(6)像素坐標(biāo)系，得到二維點(diǎn)散亂分布在像平面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟2)中采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體(5)的自適應(yīng)條紋的方法是將散亂映射點(diǎn)剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機(jī)(6)上觀測的條紋位相，根據(jù)各三角形頂點(diǎn)的位相采用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP (7)整數(shù)像素點(diǎn)的位相，進(jìn)而獲得所須投影的自適應(yīng)條紋。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟3)中子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)由投影裝置DLP (7)依次投射N幅自適應(yīng)條紋圖像到被測物體(5)表面，過CCD攝像機(jī)(6)米集，其中米集到的第η幅條紋圖可表示為沖』cos_』+ A])，!JU)表示條紋圖上圖像點(diǎn)(U)的灰度值，^o表示偏移量；y表示調(diào)制度，表示物體表面任意點(diǎn)對應(yīng)的自適應(yīng)條紋位相，a=2mi!p ( ρ為條紋節(jié)距)表示條紋圖像相移量；利用公式
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟4)中子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差是利用位相-三維坐標(biāo)映射公式Δ Φ( , J) =j)]χ = X{Z,i,j) = S1(Jj)Z-+ S0.F == ^( ,βζ +b0獲取的,其中 辦坤，J)為(U)為圖像點(diǎn)的函數(shù)，與條紋投射測量系統(tǒng)中投影裝置DLP和CXD攝像機(jī)之間的空間位置有關(guān)系。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟5)中全局標(biāo)定采用同一塊標(biāo)定板，各子測量系統(tǒng)視角重疊，根據(jù)標(biāo)定板平面的法向量，計算相鄰子測量系統(tǒng)中的CCD攝像機(jī)(6)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，確定一個子測量系統(tǒng)的CXD攝像機(jī)(6)坐標(biāo)系為主坐標(biāo)系，利用這個主坐標(biāo)系為中介，將剩余的子測量系統(tǒng)坐標(biāo)系全部統(tǒng)一到主坐標(biāo)系下。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量方法，其特征在于所述步驟6)將各子測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系并融合成物體360°輪廓誤差信息方法是通過選取相鄰子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)重疊區(qū)域的測量結(jié)果，利用重疊區(qū)域的點(diǎn)來尋找相應(yīng)的匹配點(diǎn)，采用最近點(diǎn)迭代方法消除重疊區(qū)域匹配點(diǎn)的位置誤差方法來獲得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物體360°輪廓誤差的自適應(yīng)條紋測量裝置和方法。本裝置由四個子測量系統(tǒng)和一臺計算機(jī)組成，子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周，相鄰子測量系統(tǒng)視角有0°~20°局部重疊；每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋透射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。本測量方法的步驟是(1)將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CCD攝像機(jī)像平面；(2)采用散亂點(diǎn)插值法生成被測物體的自適應(yīng)條紋；(3)各子測量系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；(4)子測量系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；(5)通過全局標(biāo)定，確定各子測量系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系；(6)將各子測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標(biāo)系并融合成物體360°輪廓誤差信息。本發(fā)明具有滿足在線檢測快速、高精度特點(diǎn)，具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。
文檔編號G01B11/25GK102288131SQ201110121918
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者于瀛潔, 周文靜, 彭軍政, 郭路 申請人:上海大學(xué)