基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法及裝置，該裝置包括旋轉(zhuǎn)載物臺，所述旋轉(zhuǎn)載物臺上平放有第一平行光源，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的上方設(shè)置有與豎直方向呈45°夾角的平面反射鏡，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的一旁側(cè)豎設(shè)有第二平行光源，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的另一旁側(cè)設(shè)置有與第二平行光源正對的雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭，所述雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭安裝在C⑶攝像機(jī)上，所述C⑶攝像機(jī)的上方設(shè)有將激光水平發(fā)射到平面反射鏡以反射至旋轉(zhuǎn)載物臺中心的激光器。本發(fā)明相對于常規(guī)方法在時(shí)間與精度上有很大的突破，且結(jié)構(gòu)較簡單；不僅可以測量漫反射，而且可以測量類似于橡皮泥等復(fù)雜物體表面；為獲得非接觸式精確物體體積的測量提供了一種可靠的技術(shù)裝置和方法。
【專利說明】基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸待測物體表面的情況下，得到 物體表面參數(shù)信息的測量方法。傳統(tǒng)的非接觸式光學(xué)三維測量技術(shù)主要有飛行時(shí)間法、干 涉法和三角法三種。其中，飛行時(shí)間法一般采用激光，通過測量光波的飛行時(shí)間來獲得距離 信息，結(jié)合附加的掃描裝置使光脈沖掃描整個(gè)待測對象就可以得到三維數(shù)據(jù)；干涉法是將 一束相干光通過分光系統(tǒng)分成測量光和參考光，利用測量光波與參考光波的相干疊加來確 定兩束光之間的相位差，從而獲得物體表面的深度信息。干涉法測量精度雖然較高，但測量 范圍受到光波波長限制，只能測量微觀表面的形貌和微小位移，不適于檢測大尺度物體；光 學(xué)三角法是比較常用的一種光學(xué)三維測量技術(shù)，以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)，通過待測點(diǎn)相 對于光學(xué)基準(zhǔn)線偏移產(chǎn)生的角度變化計(jì)算該點(diǎn)的深度信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于反射鏡二次成像的物 體體積非接觸測量方法及裝置，不僅測量精度高，而且不受環(huán)境光影響。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案一是：一種基于反射鏡二次成像的物體體 積非接觸測量裝置，包括旋轉(zhuǎn)載物臺，所述旋轉(zhuǎn)載物臺上平放有用于放置待測物體的第一 平行光源，所述第一平行光源中心與旋轉(zhuǎn)載物臺中心重合，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的上方設(shè)置有 與堅(jiān)直方向呈45°夾角的平面反射鏡，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的一旁側(cè)堅(jiān)設(shè)有第二平行光源，所 述旋轉(zhuǎn)載物臺的另一旁側(cè)設(shè)置有與第二平行光源正對的雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭，所述雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭 安裝在CCD攝像機(jī)上，所述CCD攝像機(jī)的光軸與旋轉(zhuǎn)載物臺上表面平行，所述CCD攝像機(jī)的 上方設(shè)有將激光水平發(fā)射到平面反射鏡以反射至旋轉(zhuǎn)載物臺中心的激光器。
[0005] 進(jìn)一步的，所述C⑶攝像機(jī)固定于第一升降臺上以精密控制其高度位置。
[0006] 進(jìn)一步的，所述旋轉(zhuǎn)載物臺固定于第二升降臺上以精密控制其高度位置。
[0007] 進(jìn)一步的，所述平面反射鏡固定于支架上。
[0008] 進(jìn)一步的，所述第一平行光源為LED面板燈。
[0009] 進(jìn)一步的，所述激光器為LD激光器。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案二是：一種基于反射鏡二次成像的物體體 積非接觸測量方法，采用如上所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，并 按以下步驟進(jìn)行： (1) 利用激光器發(fā)出沿CCD攝像機(jī)光軸方向入射的激光，并經(jīng)平面反射鏡反射至旋轉(zhuǎn) 載物臺中心；將待測物體放置于旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，并使待測物體頂點(diǎn)、激 光反射點(diǎn)與第一平行光源中心三點(diǎn)共線； (2) 利用第二平行光源發(fā)出與C⑶攝像機(jī)光軸共線的平行光正照待測物體，調(diào)整第二 平行光源、平面反射鏡和CCD攝像機(jī)的位置至待測物體像與反射像兩者平分CCD攝像機(jī)視 野，且在旋轉(zhuǎn)載物臺旋轉(zhuǎn)一周過程中CCD攝像機(jī)視野的圖像均是完整的，調(diào)整后取走待測 物體； (3) 將校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件放置在旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，利用CCD攝像機(jī)拍 攝一張照片后，取走校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件，并對采集的圖片進(jìn)行分析處理，計(jì)算出圖像單位像素 與校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際長度的投影比例關(guān)系； (4) 將待測物體重新放置于旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，并使待測物體頂點(diǎn)、激 光反射點(diǎn)與第一平行光源中心三點(diǎn)共線；調(diào)整待測物體的位置，使待測物體的像隨著旋轉(zhuǎn) 載物臺的旋轉(zhuǎn)能夠完整地呈現(xiàn)在CCD攝像機(jī)視野中； (5) 使旋轉(zhuǎn)載物臺勻速旋轉(zhuǎn)一周，讓CCD攝像機(jī)在預(yù)定間隔時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集； (6) 對采集的圖片進(jìn)行分析處理，先對圖像進(jìn)行邊緣檢測、輪廓提取等預(yù)處理，再利用 計(jì)算機(jī)編寫的算法程序完成待測物體體積的計(jì)算。
[0011] 進(jìn)一步的，在步驟（6)中，所述的算法為三角微分算法或扇形微分算法。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：該裝置突破之前有一定體積測量的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了用平行光源投射平行光來提高物體邊緣對比度，減少環(huán)境光影響；利 用標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)，測量結(jié)果穩(wěn)定，通過雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭采集，畸變小，精度高，平行度高，圖像銳 度高，添加平面反射鏡同時(shí)采集并處理與正面傾斜45度的圖像，減少圖像的采集量，加快 算法的處理速度，解決了單目系統(tǒng)的盲區(qū)。該方法相對于常規(guī)方法在時(shí)間與精度上有很大 的突破，且結(jié)構(gòu)較簡單，能夠獲得更高的精度。該方法和裝置不僅可以直接測量物體的鏡面 反射，還可以測量類似于橡皮泥等復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體表面的漫反射，為獲得非接觸式精確物體 體積的測量提供了一種可靠的方法和裝置。
[0013] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的光路示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖4-1為采用三角微分算法時(shí)所攝取的圖像以及其截面圖像。
[0018] 圖4-2為采用三角微分算法時(shí)所攝取的待測物體俯視圖。
[0019] 圖4-3為與圖4-2相差90度的待測物體俯視圖。
[0020] 圖5為扇形微分算法的示意圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的成像光路圖。
[0022] 圖7為(XD攝像機(jī)所攝取的雙成像圖。
[0023] 圖中：1-第二平行光源，2-平面反射鏡，3-待測物體，4-第一平行光源，5-旋轉(zhuǎn)載 物臺，6-第二支撐桿，7-雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭，8- C⑶攝像機(jī)，9-激光器，10-第一支撐桿，11-第 一升降臺，12-光學(xué)平臺，13-第二升降臺，14-立柱，15-第一連接件，16-第二連接件。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 如圖1~7所示，一種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，包括旋轉(zhuǎn) 載物臺5,所述旋轉(zhuǎn)載物臺5上平放有用于放置待測物體3的第一平行光源4,所述第一 平行光源4中心與旋轉(zhuǎn)載物臺5中心重合，所述旋轉(zhuǎn)載物臺5的上方設(shè)置有與堅(jiān)直方向呈 45°夾角的平面反射鏡2,所述旋轉(zhuǎn)載物臺5的一旁側(cè)堅(jiān)設(shè)有第二平行光源1，所述旋轉(zhuǎn)載 物臺5的另一旁側(cè)設(shè)置有與第二平行光源1正對的雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭7,所述雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭7安 裝在(XD攝像機(jī)8上，所述(XD攝像機(jī)8的光軸與旋轉(zhuǎn)載物臺5上表面平行，所述C⑶攝像 機(jī)8的上方設(shè)有將激光水平發(fā)射到平面反射鏡2以反射至旋轉(zhuǎn)載物臺5中心的激光器9。 其中，所述第一平行光源4和第二平行光源1提高了待測物體3的邊緣對比度，有利于邊緣 檢測，減少了環(huán)境光影響。
[0025] 在本實(shí)施例中，所述(XD攝像機(jī)8通過第一支撐桿10固定于第一升降臺11上以 精密控制其高度位置，所述旋轉(zhuǎn)載物臺5通過第二支撐桿6固定于第二升降臺13上以精密 控制其高度位置，所述第一升降臺11和第二升降臺13均設(shè)置于光學(xué)平臺12上。所述第一 平行光源4可以是LED面板燈，所述第二平行光源1也可以是LED面板燈，所述激光器9可 以是LD激光器9。
[0026] 在本實(shí)施例中，所述平面反射鏡2固定于支架上，所述支架固定于光學(xué)平臺12上， 所述支架包含立柱14、第一橫桿和第二橫桿，所述第一橫桿一端通過第一連接件15與立柱 14垂直連接，所述第一橫桿另一端通過第二連接件16與第二橫桿一端垂直連接，所述第二 橫桿另一端與平面反射鏡2背面相連接，通過第一連接件15可調(diào)整平面反射鏡2的高度位 置，通過第二橫桿可調(diào)整平面反射鏡2的鏡面朝(XD攝像機(jī)8并與堅(jiān)直方向呈45°角。
[0027] 如圖廣7所示，一種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法，采用如上 所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，并按以下步驟進(jìn)行： (1) 利用激光器9發(fā)出沿(XD攝像機(jī)8光軸方向入射的激光，并經(jīng)平面反射鏡2反射至 旋轉(zhuǎn)載物臺5中心；將待測物體3放置于旋轉(zhuǎn)載物臺5上的第一平行光源4中心，并使待測 物體3頂點(diǎn)、激光反射點(diǎn)與第一平行光源4中心三點(diǎn)共線； (2) 利用第二平行光源1發(fā)出與(XD攝像機(jī)8光軸共線的平行光正照待測物體3,調(diào)整 第二平行光源1、平面反射鏡2和(XD攝像機(jī)8的位置至待測物體3像與反射像兩者平分 (XD攝像機(jī)8視野，且在旋轉(zhuǎn)載物臺5旋轉(zhuǎn)一周過程中（XD攝像機(jī)8視野的圖像均是完整 的，調(diào)整后取走待測物體3 ; (3) 將校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件放置在旋轉(zhuǎn)載物臺5上的第一平行光源4中心，利用CCD攝像 機(jī)8拍攝一張照片后，取走校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件，并對采集的圖片進(jìn)行分析處理，計(jì)算出圖像單 位像素與校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際長度的投影比例關(guān)系； (4) 將待測物體3重新放置于旋轉(zhuǎn)載物臺5上的第一平行光源4中心，并使待測物體3 頂點(diǎn)、激光反射點(diǎn)與第一平行光源4中心三點(diǎn)共線；調(diào)整待測物體3的位置，使待測物體3 的像隨著旋轉(zhuǎn)載物臺5的旋轉(zhuǎn)能夠完整地呈現(xiàn)在CCD攝像機(jī)8視野中； (5) 使旋轉(zhuǎn)載物臺5勻速旋轉(zhuǎn)一周，讓CCD攝像機(jī)8在預(yù)定間隔時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集； (6) 對采集的圖片進(jìn)行分析處理，先對圖像進(jìn)行邊緣檢測、輪廓提取等預(yù)處理，再利用 計(jì)算機(jī)編寫的算法程序完成待測物體3體積的計(jì)算。
[0028] 在步驟（6)中，所述的算法為三角微分算法或扇形微分算法。
[0029] 其中，三角微分算法的原理如下：請參考圖4-1，將高為h、邊到頂點(diǎn)投影中心的距 離為d的待測物體3分割成η個(gè)高為Ah、邊到頂點(diǎn)投影中心的距離為d n的幾何體，其中 Ah=h/n，dn=d-dn'，當(dāng)Ah足夠?。ˋh -0)時(shí)，可將分割出的幾何體看作為棱柱。因此，只 需算得截面積，即可得到每個(gè)棱柱的體積，將各個(gè)棱柱體積累即可得待測物體3的體積。棱 柱的截面積可看作幾個(gè)小三角形面積之和，其面積可通過邊長L n和邊到頂點(diǎn)投影中心的距 離4計(jì)算。
[0030] 再請參考圖4-2、4_3,通過旋轉(zhuǎn)載物臺5的旋轉(zhuǎn)，分別使Ln、dn與C⑶攝像 機(jī)8的拍照方向垂直，通過計(jì)算機(jī)算得L n、dn的像素個(gè)數(shù)，通過像素與長度的換算關(guān) 系，得到所需長度。因此，第k個(gè)小三角形的面積為S k=LkXdkX 1/2,則棱柱的截面積為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在于：包括旋轉(zhuǎn)載物 臺，所述旋轉(zhuǎn)載物臺上平放有用于放置待測物體的第一平行光源，所述第一平行光源中心 與旋轉(zhuǎn)載物臺中心重合，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的上方設(shè)置有與堅(jiān)直方向呈45°夾角的平面反射 鏡，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的一旁側(cè)堅(jiān)設(shè)有第二平行光源，所述旋轉(zhuǎn)載物臺的另一旁側(cè)設(shè)置有與 第二平行光源正對的雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭，所述雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭安裝在C⑶攝像機(jī)上，所述C⑶攝像 機(jī)的光軸與旋轉(zhuǎn)載物臺上表面平行，所述CCD攝像機(jī)的上方設(shè)有將激光水平發(fā)射到平面反 射鏡以反射至旋轉(zhuǎn)載物臺中心的激光器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在 于：所述CCD攝像機(jī)固定于第一升降臺上以精密控制其高度位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在 于：所述旋轉(zhuǎn)載物臺固定于第二升降臺上以精密控制其高度位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在 于：所述平面反射鏡固定于支架上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在 于：所述第一平行光源為LED面板燈。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，其特征在 于：所述激光器為LD激光器。
7. -種基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法，其特征在于：采用如權(quán)利要 求1至6中任一項(xiàng)所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量裝置，并按以下步驟 進(jìn)行： (1) 利用激光器發(fā)出沿CCD攝像機(jī)光軸方向入射的激光，并經(jīng)平面反射鏡反射至旋轉(zhuǎn) 載物臺中心；將待測物體放置于旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，并使待測物體頂點(diǎn)、激 光反射點(diǎn)與第一平行光源中心三點(diǎn)共線； (2) 利用第二平行光源發(fā)出與C⑶攝像機(jī)光軸共線的平行光正照待測物體，調(diào)整第二 平行光源、平面反射鏡和CCD攝像機(jī)的位置至待測物體像與反射像兩者平分CCD攝像機(jī)視 野，且在旋轉(zhuǎn)載物臺旋轉(zhuǎn)一周過程中CCD攝像機(jī)視野的圖像均是完整的，調(diào)整后取走待測 物體； (3) 將校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件放置在旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，利用CCD攝像機(jī)拍 攝一張照片后，取走校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件，并對采集的圖片進(jìn)行分析處理，計(jì)算出圖像單位像素 與校準(zhǔn)物體標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際長度的投影比例關(guān)系； (4) 將待測物體重新放置于旋轉(zhuǎn)載物臺上的第一平行光源中心，并使待測物體頂點(diǎn)、激 光反射點(diǎn)與第一平行光源中心三點(diǎn)共線；調(diào)整待測物體的位置，使待測物體的像隨著旋轉(zhuǎn) 載物臺的旋轉(zhuǎn)能夠完整地呈現(xiàn)在CCD攝像機(jī)視野中； (5) 使旋轉(zhuǎn)載物臺勻速旋轉(zhuǎn)一周，讓CCD攝像機(jī)在預(yù)定間隔時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集； (6) 對采集的圖片進(jìn)行分析處理，先對圖像進(jìn)行邊緣檢測、輪廓提取等預(yù)處理，再利用 計(jì)算機(jī)編寫的算法程序完成待測物體體積的計(jì)算。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于反射鏡二次成像的物體體積非接觸測量方法，其特征在 于：在步驟（6)中，所述的算法為三角微分算法或扇形微分算法。
【文檔編號】G01B11/00GK104215178SQ201410505181
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】楊洪欽, 邱澤文, 余建安, 謝樹森, 徐進(jìn) 申請人:福建師范大學(xué)