專利名稱：一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)。[0002]背景技術(shù)[0003]標(biāo)靶技術(shù)在機(jī)器視覺、工業(yè)檢測、實(shí)物仿型等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。標(biāo)靶制作中， 由于三維立體標(biāo)靶的制作成本較高，且加工精度受到一定的限制，所以在應(yīng)用中更多地采 用制作相對容易的二維平面標(biāo)靶。[0004]在傳統(tǒng)的視覺測量技術(shù)中，采用一個(gè)校準(zhǔn)后的攝像機(jī)和一個(gè)輔助標(biāo)靶(輔助標(biāo)靶 可視為一種二維標(biāo)靶)可以進(jìn)行光學(xué)測量。輔助標(biāo)靶上有3個(gè)以上的標(biāo)記點(diǎn)和一個(gè)與被測 物體接觸的測點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)和測點(diǎn)在輔助測量棒坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可預(yù)先精密測定。視覺測 量系統(tǒng)只要測出標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)就可計(jì)算出測點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而得到物體表面該點(diǎn)的三維空間坐 標(biāo)。在采用輔助標(biāo)靶進(jìn)行三維測量的過程中，由于輔助標(biāo)靶標(biāo)記點(diǎn)個(gè)數(shù)較少，以及標(biāo)記點(diǎn)定 位的精度有限，會導(dǎo)致最終測量結(jié)果的精度有限。[0005]實(shí)用新型內(nèi)容[0006]為了克服現(xiàn)有資源和技術(shù)中的缺陷，解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種基 于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)。[0007]其技術(shù)方案如下[0008]一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)，主要由攝像機(jī)、投影標(biāo)靶和計(jì)算機(jī)依次連接 而成的，所述投影標(biāo)靶包括微型投影儀、測量桿及測量頭。微型投影儀外接電腦。微型投影 儀投出條紋圖像到投影屏上，投影屏后面的攝像機(jī)采集投影屏上的圖像，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī) 相連，通過計(jì)算機(jī)使用條紋分析方法計(jì)算其相位分布，以建立標(biāo)靶上投影主點(diǎn)與攝像機(jī)像 素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定標(biāo)靶測量頭的三維空間坐標(biāo)位置。進(jìn)一步優(yōu)選，所述攝像機(jī) 為CCD攝像機(jī)。[0009]投影標(biāo)靶可以用手持的方法在被測物體表面上移動，測量頭與物體表面接觸，攝 像機(jī)獲取投影標(biāo)靶中投影儀投出的圖像信息，計(jì)算機(jī)通過條紋分析方法建立標(biāo)靶顯示屏上 各點(diǎn)與攝像機(jī)像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定測量頭中心的三維空間坐標(biāo)位置。對被測 表面進(jìn)行多點(diǎn)測量后，可計(jì)算出物體三維面形。[0010]投影標(biāo)靶也可以用機(jī)械三維移動臺(類似于三坐標(biāo)測量機(jī)的移動臺)驅(qū)動，當(dāng)測 量頭與被測表面接觸時(shí)，測量頭上的微動開關(guān)控制攝像機(jī)獲取投影標(biāo)靶中微型投影儀投出 的光柵圖像信息，計(jì)算機(jī)通過條紋分析方法建立標(biāo)靶顯示屏上各點(diǎn)與攝像機(jī)像素點(diǎn)之間的 對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定測量頭中心的三維空間坐標(biāo)位置。[0011]本實(shí)用新型的有益效果[0012]1、本實(shí)用新型使用微型投影儀作為投影標(biāo)靶，投影條紋的標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量可以根據(jù)需 要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?；[0013]2、本實(shí)用新型中標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量的大量增多，以及采用條紋分析方法能得到更準(zhǔn)確的 標(biāo)記點(diǎn)定位，可以使測量結(jié)果的精度得到進(jìn)一步的提高；[0014]3、本實(shí)用新型基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)體積小，輕便，便于移動及攜帶[0015]4、本實(shí)用新型的微型投影儀，將其用于制作投影標(biāo)靶時(shí)工藝簡單。[0016]
[0017]圖1為本實(shí)用新型基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0018]圖2為本實(shí)用新型基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)的投影測量桿的結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖3為本實(shí)用新型基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)的原理圖。[0020]具體實(shí)施方式
[0021]
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。[0022]參照圖1和圖2，一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)，主要由攝像機(jī)、投影標(biāo)靶和計(jì)算機(jī)依次連接而成的，所述投影標(biāo)靶包括微型投影儀、測量桿及測量頭。微型投影儀外接電腦。微型投影儀投出條紋圖像到投影屏上，投影屏后面的攝像機(jī)采集投影屏上的圖像，攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)使用條紋分析方法計(jì)算其相位分布，以建立標(biāo)靶上投影主點(diǎn)與攝像機(jī)像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定標(biāo)靶測量頭的三維空間坐標(biāo)位置。進(jìn)一步優(yōu)選，所述攝像機(jī)為CCD攝像機(jī)。[0023]投影標(biāo)靶可以用手持的方法在被測物體表面上移動，測量頭與物體表面接觸，攝像機(jī)獲取投影標(biāo)靶中投影儀投出的圖像信息，計(jì)算機(jī)通過條紋分析方法建立標(biāo)靶顯示屏上各點(diǎn)與攝像機(jī)像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定測量頭中心的三維空間坐標(biāo)位置。對被測表面進(jìn)行多點(diǎn)測量后，可計(jì)算出物體三維面形。[0024]投影標(biāo)靶也可以用機(jī)械三維移動臺(類似于三坐標(biāo)測量機(jī)的移動臺)驅(qū)動，當(dāng)測量頭與被測表面接觸時(shí)，測量頭上的微動開關(guān)控制攝像機(jī)獲取投影標(biāo)靶中微型投影儀投出的光柵圖像信息，計(jì)算機(jī)通過條紋分析方法建立標(biāo)靶顯示屏上各點(diǎn)與攝像機(jī)像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定測量頭中心的三維空間坐標(biāo)位置。條紋圖像投影到接收探測器表面上時(shí)，從成像系統(tǒng)獲得的變形條紋可以描述為[0026]I (x, y) = R (x, y) [A (x, y) +B (x, y) cos Φ (x, y) ] (I)[0027]式中，R(x, y)是強(qiáng)度變換函數(shù)，A(x，y)表示背景強(qiáng)度，B(x，y)/A(x, y)是條紋的對比。相位函數(shù)Φ (x,y)由投影條紋的相位函數(shù)和投影儀與探測器之間的相對位置確定。[0028]不失一般性，假設(shè)投影條紋圖形的相位函數(shù)設(shè)計(jì)為同心圓相位分布，可以表示為[0029]φ(χ,γ) = ~-^(2)[0030]其中，r為光柵上任意一點(diǎn)到光柵中心的距離，λ、C為一常數(shù)。[0031]根據(jù)(2)式，結(jié)合幾何關(guān)系可以計(jì)算出探測器上變形條紋的相位分布，可以得到探測器上個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的X、y坐標(biāo)。即通過相位的測量，可以建立探測器上各點(diǎn)與投影儀之間的對應(yīng)關(guān)系。在這里，條紋的相位信息對建立和識別探測器圖像坐標(biāo)和投影儀的空間坐標(biāo)關(guān)系起了重要作用。[0032]當(dāng)采用本實(shí)用新型進(jìn)行光學(xué)三坐標(biāo)測量時(shí)[0033]微型投影儀投條紋到投影屏上，在投影屏上形成的條紋由投影屏后面的CCD相機(jī)接收，CCD攝像機(jī)與微型投影儀位于投影屏的兩側(cè)。投影屏上某點(diǎn)的坐標(biāo)與其在圖像中對應(yīng)點(diǎn)的相互關(guān)系是由CCD相機(jī)的幾何成像模型決定的。在這里，幾何成像模型的參數(shù)即為CXD攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)。進(jìn)行坐標(biāo)測量就需要通過對CXD攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定來確定這些參數(shù)。攝像機(jī)標(biāo)定后，再將整個(gè)CXD攝像機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)固定，目的是保證xyz坐標(biāo)系統(tǒng)的測量位置可以正確的位于CXD攝像機(jī)上。[0034]有了上述關(guān)系后，可以進(jìn)行光學(xué)三維坐標(biāo)測量。攝像機(jī)和投影屏保持不動，由微型投影儀投影條紋圖像到投影屏上。微型投影儀可由機(jī)械手固定；也可以附著在帶接觸測頭的三維移動裝置上。測量時(shí)，通過攝像機(jī)拍攝投影屏上的條紋圖像來確定微型投影儀在世界坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)和姿態(tài)。由于已知“測量頭”在微型投影儀坐標(biāo)系內(nèi)的空間坐標(biāo)，由此就可以獲得測量頭與物體接觸點(diǎn)的空間絕對坐標(biāo)。[0035]基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)原理如圖3所示，通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生(2)式所示的條紋圖像，并通過投影儀投影到投影屏上，微型投影儀下端的O點(diǎn)為測量桿與精密電控平移臺的共同測頭。由精密電控平移臺控制測量桿在三維空間內(nèi)移動，記錄下測量桿的測頭在每一個(gè)位置時(shí)的三維坐標(biāo)，同時(shí)由攝像機(jī)同步拍攝對應(yīng)位置的投影屏上的條紋圖像，再根據(jù)上述所提的算法對所拍圖像進(jìn)行分析，最終計(jì)算出標(biāo)靶每次的移動距離。[0036]本實(shí)驗(yàn)根據(jù)該方法在探測有效區(qū)域內(nèi)的不同位置重復(fù)測量5次，測量得到X、Z坐標(biāo)誤差及對應(yīng)的RMS精度如表I所示。[0037]表I多次測量誤差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(單位微米)[0038]
權(quán)利要求1.一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)，其特征在于，主要由攝像機(jī)、投影標(biāo)靶和計(jì)算機(jī)依次連接而成的，所述投影標(biāo)靶包括微型投影儀、測量桿及測量頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)，其特征在于所述攝像機(jī)為CCD攝像機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于投影標(biāo)靶的光學(xué)測量系統(tǒng)，主要由攝像機(jī)、投影標(biāo)靶和計(jì)算機(jī)依次連接而成的，所述投影標(biāo)靶包括微型投影儀、測量桿及測量頭。本實(shí)用新型所述系統(tǒng)體積小、便于攜帶，具有測量精度高的特點(diǎn)，適用于光學(xué)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G01B11/00GK202853566SQ20122032436
公開日2013年4月3日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者邊心田, 蘇顯渝, 陳文靜, 程菊 申請人:淮陰師范學(xué)院, 四川大學(xué)