專利名稱：基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法
技術領域：
本發明屬于精密測量領域，具體涉及一種基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法及其系統，本發明使用面結構光三維測量技術測量零部件表面的復雜形面， 使用光筆測量技術測量零部件內壁和深孔等特征尺寸。
背景技術：
復雜零部件的精密三維測量在工業設計、質量檢測等領域具有重要作用，目前常用的測量方式一般分為接觸式與非接觸式兩種。傳統的接觸式三坐標測量機測量精度很高，但價格昂貴，且對實驗室環境要求高，不能實現工業現場測量。非接觸式如結構光測量系統，能夠快速獲取大量點云，但是沒有辦法獲取單個特征點的三維坐標，更不能測量深孔等物體遮光部位的三維坐標。關節臂在局部范圍內測量的柔性相對較高，但是柔性關節臂機械結構復雜，造價昂貴。光筆坐標測量(也被稱為手持式視覺坐標測量)是近年來測量領域中的新測量技術，可以實現工業現場測量。在國內對光筆測量技術的研究取得了一定的成果，如1998年發表在期刊《光學精密工程》第5期14-20頁上的文獻《測頭成像視覺坐標測量系統中特征點成像中心獲取》及 1999年發表在《儀器儀表學報》第5期59-62頁上的文獻《單攝像機測頭成像視覺坐標測量系統建模》中提出了一種單相機測量系統，但是存在局限性，如精度低、只能測距、不能得出被測點的三維坐標；2007年發表在期刊《光電子·激光》第1期85-88頁上的文獻《光筆式單攝像機三維坐標視覺測量系統建模》中提出了一種單相機的手持式視覺測量模型，論證了單攝像機光筆測量系統能夠測量空間三維坐標，并且研制出了樣機，但是其模型要求手持式光筆標志點嚴格在一條直線上，增加了加工難度，同時不可避免地會帶來一些誤差； 2008年發表在期刊《中國機械工程》第8期896-899頁上的文獻《基于雙目立體視覺的光筆式三坐標測量系統》中提出了一種雙目光筆測量模型，但是仍然要求光筆上面粘貼的標志點嚴格在一條直線上，同樣存在加工難度大、精度難以保證等缺點。此外，光筆測量技術一次只能測量一個特征點數據，測量效率較低，無法高效的測量零部件表面復雜形面的三維數據。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法及其系統，本發明測量效率較高，可以將測量得到的三維數據自動融合到同一坐標系下， 能夠高效測量零部件表面復雜形面的三維數據。本發明提供的一種復雜零部件精密三維測量方法，包括零部件表面復雜形面的三維測量和特征尺寸的三維測量；零部件表面復雜形面的三維測量的步驟為向被測區域投射一組編碼光柵圖像，利用兩個數字相機拍攝經零部件表面調制而變形的光柵圖像，得到兩組變形的光柵圖像；再對這兩組變形的光柵圖像進行四步相移解相，得到光柵圖像的相位主值，再采用三頻外差原理進行相位展開，最終得到相應的連續相位；然后利用基于極限約束的立體匹配算法獲取兩個數字相機所拍攝的圖像的匹配點；匹配完成后使用雙目立體視覺原理進行點云重構，計算得到被測物體表面的三維點坐標；特征尺寸的三維測量的步驟為T形桿和測頭構成光筆；首先對T形桿上的至少三個回光反射標志點進行標定，建立光筆坐標系，并對測頭的中心位置進行自標定，得到多組回光反射標志點在世界坐標系下的三維坐標，最后根據世界坐標系和光筆坐標系之間的轉換關系，獲得旋轉矩陣氏和平移矩陣Ti,由PgRJTi = Pc,得到測頭在光筆坐標系下的坐標Pg，最后再計算得到被測物體點在世界坐標系下的三維坐標P。。本發明提供的實現上述復雜零部件精密三維測量方法的系統，它包括數字投影裝置，第一、第二數字相機，T形桿，測頭和計算機，第一、第二數字相機具有相同的參數，其光心軸與數字投影裝置的光心軸夾角均在20至30度之間，且保持相對位置不變；T形桿的正面粘貼有至少3個回光反射標志點，T形桿和測頭構成光筆，所述第一、第二數字相機以及數字投影裝置均與所述計算機通過數據線連接。測量時使用面結構光三維測量技術測量零部件表面的復雜形面，使用光筆測量技術測量零部件內壁、深孔等特征尺寸，兩者共用兩個數字相機，測量得到的三維數據可以自動融合到同一坐標系下。本發明提出了一種基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法及其系統，既能夠充分發揮面結構光三維測量技術在測量表面復雜形面時具有的高效、高精度等優勢，又能夠發揮光筆三維測量技術在測量內壁、深孔等特征尺寸的優勢。此外，本發明所提方法對回光反射標志點在T形桿上的分布沒有特殊要求，具有柔性大、攜帶方便等優點。
圖1為基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法及其系統結構圖；圖2為帶回光反射標志點的光筆結構圖；圖3為測頭自標定原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細的說明。如圖1所示，實現本發明方法的系統包括數字投影裝置101、第一、第二數字相機 102、103，三角支架104，T形桿105，測頭106和計算機107。其中數字投影裝置101是指包括投影儀在內的各種數字式投影設備；第一、第二數字相機102、103具有相同的參數，其光心軸與數字投影裝置的光心軸夾角均在20至30度之間，且保持相對位置不變；T形桿 105的正面粘貼有至少3個(優選五個)回光反射標志點。T形桿105和測頭106構成光筆。數字投影裝置101、第一、第二數字相機102、103均安裝在三角支架104上。在進行測量的時候，(1)針對零部件表面的復雜形面，使用面結構光三維測量技術進行測量由計算機107控制數字投影裝置101向被測區域投射一組編碼光柵圖像，由兩個數字相機102和103同步拍攝經零部件表面調制而變形的光柵圖像，并存儲在計算機107 內，然后使用相位測量輪廓術和開發的測量軟件從拍攝得到的光柵圖像中計算出零部件表面在世界坐標系下的三維點云數據；( 針對內壁、深孔等面結構光三維測量技術無法測量的特征尺寸，使用光筆三維測量技術進行測量測頭106接觸被測表面，計算機107控制兩個數字相機102和103同步拍攝T形桿105正面粘貼的回光反射標志點，并將拍攝得到的圖像存儲在計算機107內，然后使用光筆三維測量技術和開發的測量軟件進行圖像處理得到各個標志點在世界坐標系下的三維坐標，最后通過預先標定的測頭106和T形桿105 間的外部參數，計算出被測點在世界坐標系下的三維坐標。本發明方法的具體步驟如下(1)零部件表面復雜形面的三維測量計算機107控制數字投影裝置101向被測區域投射一組編碼光柵圖像，由兩個數字相機102和103同步拍攝經零部件表面調制而變形的光柵圖像，并存儲在計算機107內。 數據采集完畢后便開始計算三維數據，其詳細過程為①計算機首先對拍攝得到的經零部件表面調制而變形的光柵圖像進行四步相移解相。本發明采用標準的四步相移算法計算光柵圖像的相位主值，四幅光柵圖像的相位移分別為0、π/2、π和3π/2，其光強表達式分別為I1 (x, y) = I (χ, y) +1 (χ, y) cos [Φ (χ, y)],I2 (χ, y) = I (χ, y) +1 (χ, y) cos [φ (χ, y) + Ji /2]，(1)I3 (χ, y) = I (χ, y) +1 (χ, y) cos [φ (χ, y) + Ji ],I4 (χ, y) = I (χ, y) +1 (χ, y) cos [ Φ (χ, y) +3 π /2]，根據式⑴可計算出光柵圖像的相位主值
權利要求
1.一種復雜零部件精密三維測量方法，包括零部件表面復雜形面的三維測量和特征尺寸的三維測量；零部件表面復雜形面的三維測量的步驟為向被測區域投射一組編碼光柵圖像，利用兩個數字相機拍攝經零部件表面調制而變形的光柵圖像，得到兩組變形的光柵圖像；再對這兩組變形的光柵圖像進行四步相移解相，得到光柵圖像的相位主值，再采用三頻外差原理進行相位展開，最終得到相應的連續相位；然后利用基于極限約束的立體匹配算法獲取兩個數字相機所拍攝的圖像的匹配點；匹配完成后使用雙目立體視覺原理進行點云重構，計算得到被測物體表面的三維點坐標；特征尺寸的三維測量的步驟為；T形桿和測頭構成光筆；首先對T形桿上的至少三個回光反射標志點進行標定，建立光筆坐標系，并對測頭的中心位置進行自標定，得到多組回光反射標志點在世界坐標系下的三維坐標，最后根據世界坐標系和光筆坐標系之間的轉換關系，獲得旋轉矩陣氏和平移矩陣Ti,由PgRfTi = P。，得到測頭在光筆坐標系下的坐標Pg，最后再計算得到被測物體點在世界坐標系下的三維坐標P。。
2.根據權利要求1所述的一種復雜零部件精密三維測量方法，其特征在于，所述測頭的中心位置進行自標定的過程如下將光筆放置在同一個圓錐孔內，隨意傾斜角度，利用兩臺數字相機采集光筆在η種不同姿態下的圖像，η ^ 2，通過雙目立體視覺測量算法獲得η組回光反射標志點在世界坐標系下的三維坐標。
3.一種實現權利要求1所述的復雜零部件精密三維測量方法的系統，其特征在于，它包括數字投影裝置、第一、第二數字相機，T形桿，測頭和計算機，第一、第二數字相機具有相同的參數，其光心軸與數字投影裝置的光心軸夾角均在20至30度之間，且保持相對位置不變；T形桿的正面粘貼有至少3個回光反射標志點，T形桿和測頭構成光筆，所述第一、第二數字相機以及數字投影裝置均與所述計算機通過數據線連接。
全文摘要
本發明屬于精密測量領域，公開了一種基于面結構光和光筆的復雜零部件精密三維測量方法及其系統。該方法使用面結構光三維測量技術測量零部件表面的復雜形面，使用光筆測量技術測量零部件內壁、深孔等特征尺寸，兩者共用兩個數字相機，測量得到的三維數據可以自動融合到同一坐標系下，得到被測物體點在世界坐標系下的三維坐標。系統包括數字投影裝置、兩臺數字相機，T形桿，測頭和計算機。本發明既能夠充分發揮面結構光三維測量技術在測量表面復雜形面時具有的高效、高精度等優勢，又能夠發揮光筆三維測量技術在測量內壁、深孔等特征尺寸的優勢。本發明對回光反射標志點在T形桿上的分布沒有特殊要求，具有柔性大、攜帶方便等優點。
文檔編號G01B11/25GK102564350SQ20121002974
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者史玉升, 李中偉, 王從軍, 鐘凱, 雷玉珍 申請人:華中科技大學