專利名稱：一種多截面合成三維形面測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種多截面合成三維形面測(cè)量方法。
在截面的任意位置其截面高度計(jì)算公式如下h=u·h′sinα·v+h′cosα]]>其中u，v，α是系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)合成多個(gè)測(cè)量截面就可以得到被測(cè)物體的整個(gè)形面幾何數(shù)據(jù)。光切法實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較高的測(cè)量精度和速度，能夠測(cè)量復(fù)雜形狀物體，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)加工生產(chǎn)線和高速在線檢測(cè)中。
光切法三維測(cè)量傳感器一般由光刀、攝象機(jī)和圖像采集裝置組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理采集的光刀圖象，求得被測(cè)物體三維形面數(shù)據(jù)，這樣的系統(tǒng)截面測(cè)量速度由攝象機(jī)幀或場(chǎng)速率決定，如PAL制攝像機(jī)的場(chǎng)速率為每秒50場(chǎng)，即每秒最多能測(cè)量50個(gè)截面，在高速在線測(cè)量中難于滿足測(cè)量需要，高速攝像機(jī)雖然場(chǎng)速率可達(dá)每秒數(shù)百場(chǎng)，但成本很高。
包括如下步驟1)傳送裝置具有放置被測(cè)物體的測(cè)量基準(zhǔn)平面，并能夠按速度V勻速移動(dòng)被測(cè)物體；2)在傳送裝置上方安置三維測(cè)量傳感器陣列，保證三維測(cè)量傳感器的光刀光軸與傳送裝置測(cè)量基準(zhǔn)平面垂直，光刀方向(線光源的線長(zhǎng)度方向)與傳送裝置移動(dòng)方向垂直。
3)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀數(shù)量由要求的測(cè)量截面間距和傳送裝置移動(dòng)速率決定。
4)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀間距由三維測(cè)量傳感器幾何尺寸、傳送裝置1的移動(dòng)速率、三維測(cè)量傳感器陣列的圖象采集場(chǎng)頻率和光刀數(shù)確定；5)被測(cè)物體放置在勻速運(yùn)動(dòng)的傳送裝置1的測(cè)量基準(zhǔn)平面上；6)被測(cè)物體勻速通過(guò)三維測(cè)量傳感器陣列的所有測(cè)量光刀，各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)送入圖像采集和處理裝置中；7)圖像采集和處理裝置通過(guò)合成各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)，就可得到整個(gè)物體的三維形面坐標(biāo)。
本發(fā)明由于采用了三維測(cè)量傳感器陣列和多截面合成三維形面測(cè)量方法，可用普通的場(chǎng)速率攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量，成倍提高了測(cè)量速度，為高速在線三維形面測(cè)量提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方法。
3)三維測(cè)量傳感器陣列2的光刀數(shù)量由測(cè)量截面間距和傳送裝置移動(dòng)速率決定。若傳送裝置移動(dòng)速度為V，要求測(cè)量截面間距為△P，攝象機(jī)場(chǎng)頻(最高采樣速度)為F，則選擇光刀數(shù)N＝V/(△P·F)，每秒等效測(cè)量截面數(shù)為(N·F)。如采用標(biāo)準(zhǔn)的PAL制攝象機(jī)，場(chǎng)頻F＝50，傳送裝置移動(dòng)速度V＝1000mm/s，要求測(cè)量截面間距△P＝10mm，則光刀數(shù)N＝2，每秒等效測(cè)量截面數(shù)為100個(gè)截面。
4)三維測(cè)量傳感器陣列2的光刀間距由如下方法確定設(shè)傳送裝置均速移動(dòng)，速度為V，三維測(cè)量傳感器每秒取F場(chǎng)圖象，每秒被測(cè)物體移動(dòng)距離△X＝V/F，設(shè)三維測(cè)量傳感器陣列2的光刀數(shù)為N，則采樣間距△P＝△X/N，各個(gè)測(cè)量光刀位置可取為Pn＝△X·K+n·△P其中，n＝(0，1，2，…，N-1)為N個(gè)光刀，K為正整數(shù)。
5)被測(cè)物體放置在勻速運(yùn)動(dòng)的傳送裝置的測(cè)量基準(zhǔn)平面上；6)被測(cè)物體勻速通過(guò)三維測(cè)量傳感器陣列2的所有測(cè)量光刀，各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)送入圖像采集和處理裝置3中；
7)圖像采集和處理裝置3通過(guò)合成各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)，就可得到整個(gè)物體的三維形面坐標(biāo)。設(shè)三維測(cè)量傳感器陣列有N+1個(gè)光刀，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行了M+1次測(cè)量，Dnm表示Pn光刀在第m次采樣的截面值，則被測(cè)物體各個(gè)截面數(shù)據(jù)合成順序?yàn)镈00，D10，D20，…，DN0，D01，D11，D21，…，DN1，…，D0M，D1M，D2M，…，DNM采用本發(fā)明的方法可以制成的多截面合成三維形面測(cè)量裝置，一般由以下幾部分組成，它包括用于勻速移動(dòng)被測(cè)物體的傳送裝置；用于獲取測(cè)量截面幾何尺寸數(shù)據(jù)的三維測(cè)量傳感器陣列；放在傳送裝置上的被測(cè)物體；圖像采集和處理裝置。
圖2描述了單光刀光切法三維測(cè)量傳感器示意圖及光路圖。單光刀光切法三維測(cè)量傳感器一般由光刀、攝象機(jī)和圖像采集裝置組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理采集的光刀圖象，求得被測(cè)物體三維形面數(shù)據(jù)，單光刀三維測(cè)量傳感器系統(tǒng)的截面測(cè)量速度由攝象機(jī)場(chǎng)速率決定，如PAL制攝像機(jī)的場(chǎng)速率為每秒50場(chǎng)，即每秒最多只能測(cè)量50個(gè)截面，在高速在線測(cè)量中難于滿足測(cè)量需要，高速攝像機(jī)雖然場(chǎng)速率可達(dá)每秒數(shù)百場(chǎng)，但成本很高。
圖3描述了多截面合成三維形面測(cè)量方法和裝置的實(shí)施例之一，雙光刀光切法三維測(cè)量傳感器示意圖及光路圖。與單光刀光切法三維測(cè)量傳感器不同之處在于采用了P1、P2兩個(gè)光刀，這樣的光路設(shè)計(jì)可提高一倍的截面測(cè)量速度，還有利于在保證測(cè)量視場(chǎng)的要求下，充分利用攝象機(jī)的傳感器靶面。如圖3所示，設(shè)傳送裝置均速移動(dòng)，速度V＝2000mm/s，攝象機(jī)場(chǎng)頻(最高采樣速度)F＝50，則采樣間距△P＝20mm，每秒等效測(cè)量截面數(shù)為100個(gè)截面。P1、P2分別為光刀LD1、LD2的位置，S為攝象機(jī)鏡頭的攝影中心點(diǎn)，取基線B＝400MM，最大測(cè)量距離L＝1000MM，被測(cè)物最大高度Hmax＝420mm，兩光刀間距P1P2＝180MM。則可算出光刀1的角度測(cè)量范圍α1＝12.79°光刀2的角度測(cè)量范圍α2＝9.39°光刀1比光刀2有更高的測(cè)量精度(用1/3英寸靶面，F(xiàn)＝8MM鏡頭，其水平視場(chǎng)角αH＝33.4°，垂直視場(chǎng)角αV＝25.4°)。
圖4描述了多截面合成三維形面測(cè)量方法和裝置的實(shí)施例之二，四光刀多截面三維形面測(cè)量裝置光刀位置示意圖。如傳送裝置均速移動(dòng)速度V為1000mm/s時(shí)，設(shè)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀數(shù)為N＝4，每秒取F＝50場(chǎng)圖象，則如

圖1和圖4所示有△X＝1000/50＝20mm；△P＝△X/4＝20/4＝5mm；光刀位置取P0＝0，P1＝5mm，P2＝10mm，P3＝15mm；與光刀位置取P0＝0，P1＝185mm，P2＝490mm，P3＝675mm；具有同樣的測(cè)量效果。因?yàn)槊看尾蓸颖粶y(cè)物體都移動(dòng)△X＝20mm，在△X的整數(shù)倍位置上將采樣到同一截面，因此光刀的具體位置可以根據(jù)光路需要靈活設(shè)置，解決了三維測(cè)量傳感器陣列實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。其中K值表示光刀采樣位置的絕對(duì)差值，本例中P0、P1、P2、P3的對(duì)應(yīng)K值為0，9，27，36即光刀P0的第0次采樣分別與光刀P1、P2、P3的9，27，36次采樣對(duì)應(yīng)。消除光刀采樣絕對(duì)差值后，設(shè)Dn0，Dn1，Dn2，…，DnM分別代表Pn光刀在第0，1，2，…，M+1次采樣的截面值，則被測(cè)物體各個(gè)截面合成數(shù)據(jù)為D00，D10，D20，D30，D01，D11，D21，D31，…，D0M，D1M，D2M，D3M本發(fā)明采用了多截面合成三維形面測(cè)量技術(shù)，在不增加攝像機(jī)場(chǎng)頻的情況下，利用三維測(cè)量傳感器陣列的多個(gè)光刀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，使等效的截面測(cè)量速度成倍增加，從而達(dá)到了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的需要，可廣泛用于各種物體三維形面的非接觸高速在線測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種多截面合成三維形面測(cè)量方法，其特征在于，采用勻速移動(dòng)被測(cè)物體的傳送裝置，通過(guò)用多個(gè)光切法三維測(cè)量傳感器，組成三維測(cè)量傳感器陣列，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，并用計(jì)算機(jī)合成各傳感器測(cè)量的截面數(shù)據(jù)，使等效的截面測(cè)量速度成倍增加，對(duì)物體三維形面尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)；包括如下步驟1)在傳送裝置上設(shè)置有放置被測(cè)物體的測(cè)量基準(zhǔn)平面，并能夠按速度V勻速移動(dòng)被測(cè)物體；2)在傳送裝置上方安置三維測(cè)量傳感器陣列，并保證三維測(cè)量傳感器的光刀光軸與傳送裝置測(cè)量基準(zhǔn)平面垂直，光刀方向/或線光源的線長(zhǎng)度方向與傳送裝置移動(dòng)方向垂直；3)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀數(shù)量由要求的測(cè)量截面間距和傳送裝置移動(dòng)速率決定；4)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀間距由三維測(cè)量傳感器幾何尺寸、傳送裝置的移動(dòng)速率、三維測(cè)量傳感器陣列的圖象采集場(chǎng)頻率和光刀數(shù)確定；5)被測(cè)物體放置在勻速運(yùn)動(dòng)的傳送裝置的測(cè)量基準(zhǔn)平面上；6)被測(cè)物體勻速通過(guò)三維測(cè)量傳感器陣列的所有測(cè)量光刀，各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)送入圖像采集和處理裝置中；7)圖像采集和處理裝置通過(guò)合成各光刀測(cè)量的截面數(shù)據(jù)，就可得到整個(gè)物體的三維形面坐標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述的多截面合成三維形面測(cè)量方法，其特征在于，所述三維測(cè)量傳感器陣列的光刀間距由如下方法確定設(shè)傳送裝置均速移動(dòng)，速度為V，三維測(cè)量傳感器每秒取F場(chǎng)圖象，每秒被測(cè)物體移動(dòng)距離△X＝V/F，設(shè)三維測(cè)量傳感器陣列的光刀數(shù)為N，則采樣間距△P＝△X/N，各個(gè)測(cè)量光刀位置可取為Pn＝△X·K+n·△P其中，n＝(0，1，2，…，N-1)為N個(gè)光刀，K為正整數(shù)，K值可根據(jù)三維測(cè)量傳感器陣列光路需要靈活設(shè)置為任意正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多截面合成三維形面測(cè)量方法，采用勻速移動(dòng)被測(cè)物體的傳送裝置，通過(guò)用多個(gè)光切法三維測(cè)量傳感器，組成三維測(cè)量傳感器陣列，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，并用計(jì)算機(jī)合成各傳感器測(cè)量的截面數(shù)據(jù)，使等效的截面測(cè)量速度成倍增加，對(duì)物體三維形面尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)；以滿足對(duì)物體三維形面尺寸的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的需要?？蓮V泛用于各種物體三維形面的非接觸高速在線測(cè)量。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1474160SQ0313434
公開(kāi)日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者陳文藝, 蔣克儉, 姜濤, 李兵, 趙宏 申請(qǐng)人:西安郵電學(xué)院, 西安交通大學(xué)