本發(fā)明涉及測量物體的設備和方法領域，尤其是涉及一種非接觸式復合測量儀及其測量方法。

背景技術(shù)：

基于面結(jié)構(gòu)光的三維輪廓測量裝置已經(jīng)在精密測量領域得到成功應用，然而當前的基于面結(jié)構(gòu)光的三維輪廓儀的載物臺均為不透明黑色，只能獲取被測物體的表面高度信息，對于被測物體的外輪廓無法準確的獲取，因此，被測物體的諸多尺寸無法進行測量，無法滿足現(xiàn)代精密制造業(yè)中產(chǎn)品日益復雜化，測量更加精細化的需求。如果將載物臺用光學玻璃替代，則面結(jié)構(gòu)光的投影信息會部分透過玻璃載物臺，少部分鏡面反射，這對三維重構(gòu)引入了噪聲，使得三維測量精度降低。而且，現(xiàn)有的測量儀存在結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高等缺點。特別的，現(xiàn)有的測量儀僅能夠獲得被測物體的表面三維輪廓數(shù)據(jù)，無法適應需要二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)同時獲取而且需要將二維、三維數(shù)據(jù)融合在同一個坐標系下進行分析與處理的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量精確度高，結(jié)構(gòu)簡單，適于物體二維、三維測量的非接觸式復合測量儀及其測量方法。

為了實現(xiàn)上述目的，發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種非接觸式復合測量儀，其特征在于：包括用于安置待測物體的X-Y-Z三軸移動平臺（1），位于X-Y-Z三軸移動平臺（1）上方的圖像采集模塊（2），為圖像采集模塊（2）和X-Y-Z三軸移動平臺（1）提供光照的外部光源（3），位于圖像采集模塊（2）外圍朝向待測物體的投影模塊（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）連接X-Y-Z三軸移動平臺（1）、圖像采集模塊（2）、外部光源（3）、投影模塊（4）及CP（6）。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，設計合理，能夠同時進行三維輪廓和二維影像精密測量，易于操作和控制。尤其對于結(jié)構(gòu)復雜，曲面多樣的的精密被測物體，通過二維、三維的融合測量能夠取得復雜尺寸一站式測量結(jié)果，具備高精度、高效率等特點。

進一步地，所述圖像采集模塊（2）包括從上向下依次設置的工業(yè)相機（21）、第一透鏡模組（22）、光闌（23）及第二透鏡模組（24）；所述工業(yè)相機（21）為彩色相機或者黑白相機。該設計同時滿足雙遠心平行光路的要求，能夠進行高精度測量。

進一步地，所述投影模塊（4）包括兩組對稱設于圖像采集模塊（2）兩側(cè)的投影單元；每一投影單元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透鏡模組（42），第一光源（41）連接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安裝于圖像采集模塊（2）正下方，與圖像采集模塊（2）光軸重合，表面光源為環(huán)形無影光源，可以發(fā)射白色光，也可以發(fā)射紅、綠、藍單色光，而且發(fā)光區(qū)域和發(fā)光顏色能夠通過集成控制器（5）控制調(diào)節(jié)，平行背光源（32）連接X-Y-Z三軸移動平臺（1）下方與圖像采集模塊（2）、表面光源（31）光軸重合，該平行背光源（32）和表面光源（31）均連接集成控制器（5）。該模塊通過投影模塊的對稱設計，能夠有效解決單邊投影模塊的光纖遮擋問題，獲得更為全面的數(shù)據(jù)。通過光源、投影和X-Y-Z移動平臺的集中控制能夠提高測量效率，節(jié)省制造成本。同時、該表面光源能夠完成不同方向和不同顏色的照射控制，從而獲取被測物體表面更為豐富的圖像特征，完成高精度的測量。

進一步地，所述X-Y-Z三軸移動平臺（1）包括用于安置待測物體的可調(diào)光玻璃載物平面（12）和可帶動可調(diào)光玻璃載物平面（12）沿X軸、Y軸或Z軸方向移動的三軸移動平臺本體（11），該三軸移動平臺本體（11）和可調(diào)光玻璃載物平面（12）均連接集成控制器（5）。

另外，本發(fā)明還公開了一種用于非接觸式復合測量儀的測量方法，包括三維測量過程和二維測量過程：

所述三維測量過程如下：

（a）將被測物體置于X-Y-Z三軸移動平臺（1）上；

（b）PC（6）向集成控制器（5）發(fā)送任務，集成控制器（5）接收到任務后，控制投影模塊（4）向被測物體照射結(jié)構(gòu)光；

（c）集成控制器（5）再控制圖像采集模塊（2）拍攝被測物體的圖像，并在集成控制器（5）中進行存儲；

（d）重復步驟（a）-（c），獲得所需的所有圖像；

（e）集成控制器（5）利用解碼算法對所有圖像進行處理，獲得被測物體表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)；

（f）集成控制器（5）將該點云數(shù)據(jù)傳輸至PC的客戶端軟件；

所述二維測量過程：集成控制器（5）控制外部光源（3）照射被測物體，然后集成控制器（5）觸發(fā)圖像采集模塊（1）拍攝被測物體的二維圖像，最后集成控制器（5）將圖像傳輸?shù)絇C（6）。

進一步地，所述三維測量過程還包括步驟（g）：當無法一次性獲得被測區(qū)域的全部三維輪廓信息時，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動平臺（1）沿X軸、Y軸或Z軸移動，進而帶動被測物體相對于光軸移動，重復步驟（a）-（f），使PC（6）能獲取所需的所有點云數(shù)據(jù)。

進一步地，所述步驟（b）中，所述投影模塊（4）向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光包括黑白條紋編碼和正弦編碼；

所述步驟（b）中，所述投影模塊（4）向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊（2）拍攝被測物體的圖像的具體過程為：

（A）所述投影模塊（4）向被測物體投影黑白條紋編碼，移動黑白條紋編碼的位置，圖像采集模塊（2）拍攝每一種黑白條紋編碼對應的圖像；

（B）所述投影模塊（4）向被測物體再投影正弦編碼，并移動正弦編碼的位置，圖像采集模塊（2）再一次拍攝每一種正弦編碼對應的圖像。

進一步地，所述步驟（e）集成控制器（5）利用解碼算法對所有圖像進行處理，獲得被測物體表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)的過程如下：

（C）將步驟（A）獲得的圖像進行解碼，獲得被測物體表面輪廓的點云數(shù)據(jù)，通過判斷點云數(shù)據(jù)的法向量獲得被測物體表面高度突變的坐標信息；

（D）以發(fā)生高度突變的坐標作為分界線，將步驟（B）的圖像分成不同區(qū)塊，利用相移法解碼得到各個區(qū)塊的輪廓。

進一步地，所述步驟（a）將被測物體置于X-Y-Z三軸移動平臺（1）上之后；當需要獲取被測物體三維圖像信息時，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動平臺（1）的可調(diào)光玻璃載物平面（11）處于不透光模式；而當需要獲取被測物體二維圖像信息時，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動平臺（1）的可調(diào)光玻璃載物平面（12）處于透光模式。

基于面結(jié)構(gòu)光的原理，通過利用可調(diào)光玻璃的引用，使得做投影三維測量時，載物臺為非透明，需要獲得被測物體二維外輪廓信息時，能夠使用使可調(diào)光載物臺為透明；采用雙側(cè)遠心光路，使得光線的平行度大大增強，二維、三維數(shù)據(jù)的融合能夠顯著提高三維輪廓測量精度，特別的，由于以往單純依靠某一種三維投影編碼和解碼方法進行三維重構(gòu)時均存在不同程度的缺陷，本發(fā)明提出一種結(jié)合黑白條紋編碼和正弦的方法，通過法向信息將圖像進行精準分區(qū)，因此能夠結(jié)合各種方法的有點，進而對被測物體表面進行精密三維重構(gòu)和測量成為可能。

綜上所述，發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，測量的精確度高，適于物體二維、三維測量。

附圖說明

圖1為發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1的圖像采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例1的投影模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例1的外光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例1的X-Y-Z三軸移動平臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例2的黑白條紋編碼示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例2的正弦編碼示意圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領域的人員更好的理解發(fā)明方案，下面將結(jié)合發(fā)明實施例中的附圖，對發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述。

實施例1

如圖1-5所示，一種非接觸式復合測量儀，包括X-Y-Z三軸移動平臺1、圖像采集模塊2、外部光源3、投影模塊4、集成控制器5及PC6。

如圖1所示，所述X-Y-Z三軸移動平臺1用于安置待測物體，圖像采集模塊2位于X-Y-Z三軸移動平臺1上方，且該圖形采集模塊2位于待測物體的正上方。外部光源3能為圖像采集模塊2和X-Y-Z三軸移動平臺1提供光照，投影模塊4位于圖像采集模塊2外圍，且傾斜朝向待測物體，所述集成控制器5連接X-Y-Z三軸移動平臺1、圖像采集模塊2、外部光源3、投影模塊4及PC6。

如圖3所示，所述圖像采集模塊2包括從上向下依次設置的工業(yè)相機21、第一透鏡模組22、光闌23及第二透鏡模組24；其中第一透鏡模組22、第二透鏡模組24及光闌23共同構(gòu)成雙遠心鏡頭，所述工業(yè)相機21優(yōu)選為彩色相機或者黑白相機，其芯片可以是CCD芯片或者COMS芯片。

如圖2所示，所述投影模塊4包括兩組對稱設于圖像采集模塊2兩側(cè)的投影單元；而且兩組投影單元結(jié)構(gòu)相同。具體的，每一投影單元包括第一光源41和透鏡模組42，第一光源41和透鏡模組42構(gòu)成單側(cè)遠心光路，使得投射出的光線均平行于透鏡模組42的光軸。透鏡模組42位于第一光源41下方，且第一光源41和透鏡模組42均傾斜朝向待測物體，同時第一光源41和透鏡模組42均位于同一直線上。第一光源41連接集成控制器5，由集成控制器5控制并確定投影模塊4所投射出的圖案，所投射的圖案預先存儲于集成控制器5中并且能夠編輯，第一光源41與集成控制器5中的投影單元共同組成投影模塊的光源控制組合，可以是基于DMD（數(shù)字微鏡元件），LCD（液晶顯示）或者LCoS(硅基液晶)的投影原理。

如圖4所示，所述外部光源3包括表面光源31和平行背光源32，該平行背光源32和表面光源31均連接集成控制器5。所述表面光源31安裝于圖像采集模塊2正下方，與圖像采集模塊2光軸重合，表面光源31為環(huán)形無影光源，可以發(fā)射白色光，也可以發(fā)射紅、綠、藍單色光，而且發(fā)光區(qū)域和發(fā)光顏色能夠通過集成控制器5控制調(diào)節(jié)。平行光源32安裝于X-Y-Z三軸移動平臺1下方，且與圖像采集模塊2、表面光源31光軸重合，可以通過集成控制器5控制其發(fā)光亮度。

如圖5所示，所述X-Y-Z三軸移動平臺1包括可調(diào)光玻璃載物平面12和三軸移動平臺本體11，可調(diào)光玻璃載物平面12用于安置待測物體，三軸移動平臺本體11可帶動可調(diào)光玻璃載物平面12沿X軸、Y軸或Z軸方向移動，進而帶動待測物體沿X軸、Y軸或者Z軸方向移動，而且X-Y-Z三軸移動平臺1可采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，此處不再贅述。該三軸移動平臺本體11和可調(diào)光玻璃載物平面12均連接集成控制器5。三軸移動平臺本體11由集成控制器5驅(qū)動和控制，可以通過集成控制器5控制可調(diào)光玻璃載物平面12透光或者是不透光。

實施例2

一種用于非接觸式復合測量儀的測量方法，包括三維測量過程和二維測量過程。

所述三維測量過程如下：

（a）將被測物體放置于X-Y-Z三軸移動平臺1上。

（b）PC6向集成控制器5發(fā)送任務，集成控制器5接收到任務后，根據(jù)需要，控制投影模塊4向被測物體照射結(jié)構(gòu)光。

（c）通過集成控制器5中的同步功能，集成控制器5再控制圖像采集模塊2拍攝被結(jié)構(gòu)光照射的被測物體的圖像，并將所拍攝的圖像存儲到集成控制器5中。

（d）重復步驟（a）-（c），獲得所需的所有圖像，即獲得一系列圖像。

（e）集成控制器5的數(shù)據(jù)處理單元利用解碼算法對所有圖像進行處理，獲得被測物體表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)。

（f）集成控制器5將該點云數(shù)據(jù)傳輸至PC的客戶端軟件。

對于無法一次性獲得被測區(qū)域的全部三維輪廓信息的情況，還增加了步驟（g）：集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動平臺1沿X軸、Y軸或Z軸移動，進而帶動被測物體相對于光軸移動，重復步驟（a）-（f），使PC6能獲取所需的所有點云數(shù)據(jù)。

對于需要獲取被測物體二維圖像信息的情況，其二維測量過程為：集成控制器5控制外部光源3照射被測物體，然后集成控制器5觸發(fā)圖像采集模塊1拍攝被測物體的二維圖像，最后集成控制器5將圖像傳輸?shù)絇C6的客戶端軟件。

另外，如圖6和圖7所示，為了進一步提高測量的精確性，于是，所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光包括黑白條紋編碼和正弦編碼；所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測物體的圖像的具體過程為分兩次進行：

（A）所述投影模塊4向被測物體投影黑白條紋編碼，移動黑白條紋編碼的位置，圖像采集模塊2拍攝每一種黑白條紋編碼對應的圖像。此過程為所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測物體的圖像的第一次操作。

（B）所述投影模塊4向被測物體再投影正弦編碼，并移動正弦編碼的位置，圖像采集模塊2再一次拍攝每一種正弦編碼對應的圖像。此過程為所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測物體的圖像的第二次操作。

步驟（B）之后，所述步驟（e）集成控制器5利用解碼算法對所有圖像進行處理，獲得被測物體表面三維輪廓點云數(shù)據(jù)的過程如下：

（C）將步驟（A）獲得的圖像進行解碼，獲得被測物體表面輪廓的點云數(shù)據(jù)，通過判斷點云數(shù)據(jù)的法向量獲得被測物體表面高度突變的坐標信息；

（D）以發(fā)生高度突變的坐標作為分界線，將步驟（B）的圖像分成不同區(qū)塊，利用相移法解碼得到各個區(qū)塊的輪廓；

此外，為了保證測量的精確性，同時方便測量，所述步驟（a）將被測物體置于X-Y-Z三軸移動平臺1上之后；當需要獲取被測物體三維圖像信息時，集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動平臺1的可調(diào)光玻璃載物平面11處于不透光模式；而當需要獲取被測物體二維圖像信息時，集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動平臺1的可調(diào)光玻璃載物平面12處于透光模式。

本發(fā)明通過可調(diào)光玻璃的應用，使得裝置既能夠保持投影三維重建過程中保持非透明狀態(tài)，克服透明載物臺無法反射投影光線的難題，同時利用其透光狀態(tài)使用平行背光源獲得精確的二維輪廓信息。同時通過結(jié)合黑白條紋和正弦條紋靈活分區(qū)進行三維重建的方法，使得三維重構(gòu)能夠適應復雜的表面精確測量。本非接觸式復合測量儀及其測量方法既能利用豐富的二維和三維數(shù)據(jù)，進行多種復雜尺寸的精密測量，也能夠適應表面結(jié)構(gòu)起伏，輪廓結(jié)構(gòu)多樣的被測物體，極大的提高了精密制造中的復雜測量的可行性。

顯然，所描述的實施例僅僅是發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于發(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于發(fā)明保護的范圍。