一種基于液面基準的線掃描輪廓測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于液面基準的線掃描輪廓測量方法及裝置，該儀器采用有色液體作為掃描線的生成媒介，通過機械結構保證被測對象與液面接觸，在液面與被測對象表面的交界處即生成可以作為掃描線的交線，采用標定好的相機對此掃描線進行圖像采樣后通過數(shù)值求解即可得到交線部分所對應被測對象的三維輪廓，采用精密移動平臺控制被測對象逐步浸入測量液，即可實現(xiàn)對其全場三維形貌的高精度測量。由于采用有色液體與被測對象的交界線作為掃描線，克服了傳統(tǒng)線激光掃描法中存在的激光光刀刀口尺寸精度低、多個采樣光刀間對準差且測量精度受限于被測物面光學特性的不足，而且能夠將掃描線擴展至被測物體的360°范圍內，有利于提高線掃描三維測量精度及速度。
【專利說明】
一種基于液面基準的線掃描輪廓測量方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于三維測量領域，涉及一種基于液面基準的線掃描三維輪廓測量技術及其裝置。

【背景技術】
[0002]線掃描三維測量技術，由于其測量精度適中、環(huán)境適應性好、對被測對象表面紋理適應性強等優(yōu)點，在一些對精度要求不高的工業(yè)測量領域有著廣泛的應用。線激光光源有著良好的準直性及較高的亮度，是線掃描測量中的首選掃描線產(chǎn)生器件。申請?zhí)枮?00910254430.5的專利提出了一種采用線激光器及多攝像機實現(xiàn)大視場三維型面測量的方法。申請?zhí)枮?00420120209.3的專利提出了一種結合線激光、結構光的光學測量方法，結構光用于提高線激光掃描在復雜型面處的測量精度。這些方法雖然都能實現(xiàn)對被測物體三維面型的測量，但是測量精度受到激光線寬度、被測物面反光特性等因素的限制。


【發(fā)明內容】

[0003]為了克服采用線激光器等光源進行線掃描三維測量時存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種可以避免采用線激光器等線光源的線掃描輪廓測量裝置及方法。
[0004]一種基于液體的線掃描輪廓測量裝置，主要由機器視覺測量系統(tǒng)、位移平臺、夾持裝置、測量液和容器組成；所述容器設置在工作臺上，工作臺上設置有對掃描線區(qū)域進行圖像采樣的機器視覺測量系統(tǒng)，作為掃描線生成介質的測量液存貯在容器中，容器一側的臺面上設置有位移平臺，被測物體夾持裝置通過其基座固定在位移平臺的載物臺上，被測物體被夾持裝置夾持后浸入到測量液內。
[0005]各個機器視覺測量系統(tǒng)之間、機器視覺測量系統(tǒng)與位移平臺之間采用可實現(xiàn)物體移動與機器視覺測量系統(tǒng)采樣動作間協(xié)調的同步電路。
[0006]所述測量液為有色液體,其顏色為液體本身的顏色或液體添加染料后的顏色或采用有色光源的顏色；所述有色光源置于容器外部或置于容器內部。
[0007]包含不少于一個機器視覺測量系統(tǒng)；所述每個機器視覺測量系統(tǒng)至少包括一個相機。
[0008]所述測量液的顏色與被測物體表面顏色間應有較高的對比度。
[0009]一種基于液面基準的三維輪廓測量方法，將被測物體通過夾持裝置固定，控制位移平臺將被測物體移動至與測量液接觸的位置，控制機器視覺測量系統(tǒng)對被測物體與測量液交界區(qū)域進行圖像采樣；機器視覺測量系統(tǒng)采樣得到的圖像通過圖像處理，得到包含有測量液液面與被測物體交界線的邊界線；對邊界線中的有效區(qū)域即掃描線成像進行提取，得到被測物體與液面交線圖像；在機器視覺測量系統(tǒng)標定完成的前提下，采用圖像處理結合標定數(shù)據(jù)即可得到圖像采樣時刻與液面交界所對應被測物體的三維輪廓；當位移平臺控制被測物體逐步完全浸入測量液時，即完成對被測物體的全場三維形貌測量。
[0010]由于本發(fā)明所提出的測量裝置及其測量方法采用液面與被測物體接觸線作為掃描線，不存在激光光刀刀口尺寸精度低、多個采樣光刀間對準差且測量精度受限于被測物面光學特性的不足，從而能夠提高測量精度；而且由于所發(fā)明儀器實現(xiàn)簡單，其應用成本較傳統(tǒng)方法更低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為所發(fā)明的線掃描輪廓測量儀的三維示意圖；
[0012]圖2為模擬的測量采樣圖像；
[0013]圖3為對圖2進行邊界提取得到的邊界；
[0014]圖4為對圖3中的干擾項進行剔除后得到的掃描線圖像。
[0015]1、位移平臺，2、夾持裝置，3、被測物體，4、測量液，5、容器，6、第一機器視覺測量系統(tǒng)，7、第二機器視覺測量系統(tǒng)，8、交界區(qū)域，9、有色光源。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖，對本發(fā)明的一種實施例進行說明。
[0017]圖1所示為所發(fā)明測量裝置的三維示意圖。本裝置主要包括測量液4、液體容器
5、夾持裝置2、位移平臺1、第一及第二機器視覺測量系統(tǒng)6、7 ;所述測量液4為帶有顏色的液體，該顏色是液體本身固有的，或者是通過添加染料或者使用有色光源9等手段生成的；所述容器5為裝載測量液4的容器，其形狀不限于圖1所示形狀；所述夾持裝置2用于夾持被測物體3，夾持裝置2的基座與位移平臺I的載物臺連接；所述位移平臺I用于控制被測物體移動，從而實現(xiàn)對被測物體三維形貌的全場測量；第一及第二機器視覺測量系統(tǒng)6、7用于對測量液4液面與被測物面交界區(qū)域8的圖像采樣，采用圖像處理后獲得掃描線，然后通過圖像處理等操作即可求得掃描線所對應物體的三維輪廓，機器視覺測量系統(tǒng)不限于圖1所示的相機數(shù)目及結構布置。
[0018]下面以對葉片的三維形貌測量為例，對本發(fā)明裝置所涉及的測量方法做詳細說明:
[0019]將葉片通過夾持裝置2固定后，控制位移平臺I將葉片移動至與測量液4接觸的位置，控制第一和第二機器視覺測量系統(tǒng)6、7對葉片與測量液4交界區(qū)域8進行采樣。
[0020]由于第一機器視覺測量系統(tǒng)6與第二機器視覺測量系統(tǒng)7的功能是一致的，僅僅是測量區(qū)域不同，下面僅對第二機器視覺測量系統(tǒng)7做說明。
[0021]第二機器視覺測量系統(tǒng)7采樣得到如圖2所示的圖像，通過圖像處理，比如梯度法求解邊界，得到包含有測量液4液面與葉片交界線即掃描線圖像的邊界，如圖3所示。
[0022]由于葉片未與測量液4接觸邊界區(qū)域的成像與背景液面成像交界處也存在類似于掃描線特征的交線，圖3中的邊界線(白色曲線)包含有干擾。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，邊界線中的掃描線部分與干擾部分在交界處存在明顯的特征，為此可以通過進一步的圖像處理，如角點提取等，對邊界線中的有效區(qū)域即掃描線圖像，進行提取，最終得到的第二機器視覺測量系統(tǒng)7采樣圖像中的掃描線圖像如圖4所示。
[0023]得到圖像4后，在第二機器視覺測量系統(tǒng)7標定完成的前提下，采用圖像處理結合標定數(shù)據(jù)即可得到圖像采樣時刻與液面交界所對應葉片的三維輪廓。當位移平臺I控制葉片逐步完全浸入測量液4時，即可完成對葉片的全場三維形貌測量。
[0024]本發(fā)明最大的特點在于采用有色測量液作為線掃描中掃描線的生成介質。測量液貯存在專用容器中，液體深度及容器尺寸需要根據(jù)被測物體體積及其分布特征選定。液體及其顏色是產(chǎn)生高精度掃描線的關鍵。液體顏色與被測物體表面顏色間應有較高的對比度。液體的顏色可以是液體本身的顏色，也可以是液體添加染料后的顏色，還可以采用有色光源對液體添加需要的顏色。當被測物體浸入測量液后，液體、大氣與被測物體三者間的交界區(qū)域會形成具有明顯特征的曲線，該曲線即等價于傳統(tǒng)的掃描線即光刀。通過控制測量液的顏色控制掃描線的清晰度。液體顏色與被測物體表面顏色對比度越大，掃描線特征則越明顯。
[0025]采用機器視覺測量系統(tǒng)對交界區(qū)域圖像進行采樣，攝像機對液面與被測物體表面生成的掃描線區(qū)域圖像采樣后，采用數(shù)字圖像處理方法對采樣圖像進行邊界提取，進而求取掃描線圖像。在相機系統(tǒng)標定的前提下，根據(jù)提取得到的掃描線圖像，即可求得掃描線所對應被測物體區(qū)域的三維形貌。
[0026]在進行掃描線圖像的提取時，會存在干擾。干擾主要來自于被測物體未與液面接觸部分成像與背景液面成像的交界。這些交界與掃描線具有類似的特征，僅靠邊界提取無法對它們進行區(qū)分，但是為了求得有效的被測物面形貌，這些干擾必須被剔除。為此，可以對提取的邊界進行進一步處理，比如可以通過角點特征提取獲取掃描線的有效區(qū)域，即掃描線圖像。
[0027]被測物體通過夾持機構固定在精密位移平臺上，通過精密位移平臺控制被測物體按照測量要求移動，每個移動位置處對掃描線圖像采樣。當被測物體從底部到頂部全部經(jīng)過液面時，通過對每個位置采樣圖像的求解及數(shù)據(jù)融合即可得到被測物體的全場三維輪廓。
[0028]對于葉片等型面主要由前后兩個曲面構成的被測物體，可以采用前后兩組機器視覺測量系統(tǒng)進行型面測量；如果被測物體的型面較為復雜，可以采用多個方位布置的機器視覺測量系統(tǒng)進行測量；當被測物體輪廓較大時，每組測量系統(tǒng)可以有多個相機以擴大測量視場；也可以采用雙目或多目測量系統(tǒng)進行圖像采樣測量。
[0029]為了實現(xiàn)自動測量，各個機器視覺測量系統(tǒng)之間、機器視覺測量系統(tǒng)與位移平臺I間采用同步電路實現(xiàn)物體移動與相機采樣等動作間的協(xié)調。
[0030]可以通過曲面擬合技術減小測量中的隨機誤差，提高測量得到的曲面三維形貌精度及數(shù)據(jù)密度。
[0031]本發(fā)明所提出的測量裝置及其測量方法采用液面與被測物體接觸線作為掃描線，不存在激光光刀刀口尺寸精度低、多個采樣光刀間對準差且測量精度受限于被測物面光學特性的不足，從而能夠提高測量精度；而且由于所發(fā)明儀器實現(xiàn)簡單，其應用成本較傳統(tǒng)方法更低。
【權利要求】
1.一種基于液體的線掃描輪廓測量裝置，其特征在于:主要由機器視覺測量系統(tǒng)(6、7)、位移平臺(I)、夾持裝置(2)、測量液(4)和容器(5)組成；所述容器(5)設置在工作臺上，工作臺上設置有對掃描線區(qū)域進行圖像采樣的機器視覺測量系統(tǒng)，作為掃描線生成介質的測量液(4)存貯在容器(5)中，容器(5) —側的臺面上設置有位移平臺(I)，被測物體夾持裝置(2)通過其基座固定在位移平臺(I)的載物臺上，被測物體被夾持裝置夾持后浸入到測量液內。
2.如權利要求1所述的基于液面基準的輪廓測量裝置，其特征在于:各個機器視覺測量系統(tǒng)之間、機器視覺測量系統(tǒng)與位移平臺(I)之間采用可實現(xiàn)物體移動與機器視覺測量系統(tǒng)采樣動作間協(xié)調的同步電路。
3.如權利要求1所述的基于液面基準的輪廓測量裝置，其特征在于:所述測量液(4)為有色液體，其顏色為液體本身的顏色或液體添加染料后的顏色或采用有色光源(9)的顏色；所述有色光源(9)置于容器外部或置于容器內部。
4.如權利要求1所述的基于液面基準的輪廓測量裝置，其特征在于:包含不少于一個機器視覺測量系統(tǒng)；所述每個機器視覺測量系統(tǒng)至少包括一個相機。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于液面基準的輪廓測量裝置，其特征在于:所述測量液的顏色與被測物體表面顏色間應有較高的對比度。
6.一種基于權利要求1所述的基于液面基準的三維輪廓測量方法，其特征在于，將被測物體⑶通過夾持裝置⑵固定，控制位移平臺⑴將被測物體⑶移動至與測量液(4)接觸的位置，控制機器視覺測量系統(tǒng)對被測物體(3)與測量液(4)交界區(qū)域(8)進行圖像采樣；機器視覺測量系統(tǒng)采樣得到的圖像通過圖像處理，得到包含有測量液(4)液面與被測物體(3)交界線的邊界線；對邊界線中的有效區(qū)域即掃描線成像進行提取，得到被測物體與液面交線圖像；在機器視覺測量系統(tǒng)標定完成的前提下，采用圖像處理結合標定數(shù)據(jù)即可得到圖像采樣時刻與液面交界所對應被測物體(3)的三維輪廓；當位移平臺(I)控制被測物體⑶逐步完全浸入測量液⑷時，即完成對被測物體⑶的全場三維形貌測量。
【文檔編號】G01B11/24GK104236477SQ201410453113
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】趙宏, 張春偉 申請人:西安交通大學