二維三維復合式測量儀及其數據融合標定方法技術

本發明專利技術涉及二維、三維測量技術領域，尤其是公開了一種二維三維復合式測量儀及其數據融合標定方法，包括載物臺，可采集待測物體輪廓信息的主動式圖像采集模組，連接主動式圖像采集模組的控制與數據處理器；主動式圖像采集模組包括位于載物臺正上方的圖像采集模塊，位于載物臺正下方的平行背光源，以及4個或者4個以上偶數個均勻傾斜分布于圖像采集模塊外圍的結構光投射器；平行背光源能發出垂直于載物臺的平行光，結構光投射器能發出與圖像采集模塊光軸呈一定夾角的結構光。本發明專利技術能夠全方位、無死角測量被測物體表面二維、三維信息，測量的速度快，精確度高，尤其是能對有深孔、深槽類的表面特征進行準確測量。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術涉及二維、三維測量
，尤其是公開了一種，包括載物臺，可采集待測物體輪廓信息的主動式圖像采集模組，連接主動式圖像采集模組的控制與數據處理器；主動式圖像采集模組包括位于載物臺正上方的圖像采集模塊，位于載物臺正下方的平行背光源，以及4個或者4個以上偶數個均勻傾斜分布于圖像采集模塊外圍的結構光投射器；平行背光源能發出垂直于載物臺的平行光，結構光投射器能發出與圖像采集模塊光軸呈一定夾角的結構光。本專利技術能夠全方位、無死角測量被測物體表面二維、三維信息，測量的速度快，精確度高，尤其是能對有深孔、深槽類的表面特征進行準確測量。【專利說明】
本專利技術涉及二維、三維測量
，尤其是涉及一種。
技術介紹
三維測量技術應用于工業自動檢測、產品質量控制、逆向設計、虛擬現實等眾多領域。巨大的應用市場需求，促使了各種三維測量方法和技術的快速發展，涌現出的商業測量儀器包括接觸式的三坐標測量機和關節坐標測量機，以及基于聲學、光學和電磁學的非接觸式測量設備。隨著計算機視覺、數字圖像采集技術和精密光學器件的發展，越來越多的三維光學測量技術快速進入商業應用階段。而基于結構光的三維輪廓測量由于具有無接觸、精度高，速度快和自動化程度高的特點，在機器人導航、模具制造、3D打印和在線質量檢查等領域得到了廣泛的關注和發展。目前基于結構光的三維測量儀器或者傳感器采用工業相機垂直于載物臺安裝，光源與工業相機鏡頭的垂直光軸呈一定的夾角安裝，這樣會造成被測物體的部分表面無法被光源照射，進而該部分的表面輪廓信息無法獲取。雖然通過旋轉被測物體的方式能夠部分克服該類缺陷，但是使得整體結構復雜化，特征點的匹配和數據拼接計算耗費時間并會不可避免的帶來較大誤差，并且由于旋轉平臺代替了平面移動平臺，無法測量尺寸較大的物體。更為重要的是，現有的三維輪廓儀對于深孔，深槽等常見的結構形態無法測量。
技術實現思路
本專利技術為了克服現有技術的不足，提供一種測量準確性高，速度快，尤其能對深孔、深槽進行測量的。為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案:一種二維三維復合式測量儀，包括載物臺，可采集待測物體輪廓信息的主動式圖像采集模組，連接所述主動式圖像采集模組的控制與數據處理器以及支架;所述主動式圖像采集模組、載物臺以及控制與數據處理器均設于支架上，所述載物臺具有用于安置待測物體的透光載物平面，所述主動式圖像采集模組包括位于載物臺正上方的圖像采集模塊，位于載物臺正下方的平行背光源，以及4個或者4個以上偶數個均勻傾斜分布于圖像采集模塊外圍的結構光投射器;平行背光源能發出垂直于載物臺的平行光，所述結構光投射器能發出與圖像采集模塊光軸呈一定夾角的結構光。本專利技術若干個結構光投射器設于圖像采集模塊外圍，照射面積大、范圍廣，能對被測物體表面三維輪廓的進行無死角、全方位的測量；同時平行背光源從載物臺下方向上投射平行光照射被測物體，被測物體精確的二維輪廓圖像信息被圖像采集模塊采集，相比于三維測量，通過二維測量更容易精確得到深孔，深槽等常見的結構形態的二維輪廓信息。由于結構光投射器發出的結構光相對于圖像采集模塊的投射位置和方位固定不變，同時被測物體在X軸、Y軸和Z軸移動距離在圖像采集時已精確讀取，二維三維數據的融合以及三維數據的拼接計算十分方便。本專利技術結構緊湊，測量速度快，對表面輪廓非連續變化的被測物體具有良好的適應性，對有深孔、深槽類的表面特征均能夠測量。進一步地，所述圖像采集模塊的傾斜角度為30-45°。這樣既可以保證整體結構的緊湊，也可以保證結構光能完全照射到待測物體表面時能產生起伏較大的曲面，便于獲取檢測待測物體表面輪廓信息。進一步地，所述結構光投射器包括從上向下依次傾斜分布的第一光源、液晶光柵以及平行光路透鏡組。結構光投射器通過第一光源依次發光，并且利用液晶光柵調整結構光的形態從多個角度依次投射到被測物體表面，進一步擴大了照射面積。進一步地，所述圖像采集模塊包括從上向下依次設置的工業相機、雙遠心光路透鏡。采用雙側遠心光路，使得光線的平行度大大增強，二維三維數據的融合能夠顯著提高三維輪廓測量精度。進一步地，所述載物臺為可分別調整待測物體在X軸、Y軸及Z軸方向位置的X-Y-Z三軸運動載物臺。載物臺可在X軸、Y軸和Z軸移動，以提高測量儀的測量范圍。進一步地，所述X-Y-Z三軸運動載物臺包括:X軸平臺以及驅動所述X軸平臺運動的第一動力裝置;Y軸平臺以及驅動所述Y軸平臺運動的第二動力裝置;Z軸平臺以及驅動所述Z軸平臺運動的第三動力裝置;X軸平臺與第一動力裝置共同設置于Y軸平臺上，Y軸平臺及第二動力裝置共同設置Z軸平臺上，Z軸平臺通過一固定板安裝于支架上，并使得所述圖像采集模塊的光軸與X軸平臺的透光載物平面垂直;Z軸平臺與固定板之間通過滑軌與滑塊的配合滑動連接。該設置結構簡單，控制方便、精確，容易實現。進一步地，還包括一可測量X軸平臺、Y軸平臺及Z軸平臺移動距離的光柵尺，所述光柵尺、第一動力裝置、第二動力裝置、第三動力裝置均連接所述控制與數據處理器。X軸平臺、Y軸平臺及Z軸平臺的實際移動距離通過光柵尺精確讀取，并反饋至控制與數據處理器實現平移距離的精確控制。進一步地，還包括一標定塊，所述標定塊包括棱錐形的主體，設于主體底部外圍的邊框，沿邊框均勻分布、豎直的方形通孔，沿周向設于主體側面的波浪形臺階以及設于主體頂端的臺面，位于臺面中心的圓形通孔;所述主體的側面數量與結構光投射器的數量相等；每一波浪形臺階由若干單體依次連接而成，每一單體均包括依次連接的一左側立面、高水平面、右側立面及低水平面。臺面有助于對標定塊精確測量時坐標系的建立，圓形通孔可以輔助觀察載物臺與光軸是否垂直。豎直的方形孔用于采集二維影像數據，波浪形臺階既可以產生諸多的由小平面交匯的點，從而提高標定的精度，又因為波浪形的設計而不至于對光線產生阻擋，波浪形臺階的作用增加三維標定在Z軸方向上的數據點，從而保障測量儀器在其全量程范圍內的標定的精度。另外，本專利技術還公開了一種上述二維三維復合式測量儀的數據融合標定方法，包括下述步驟: (a)建立標定塊的三維坐標系，確定坐標原點，利用校準儀器測得標定塊所有方形通孔的四個頂點平面坐標，所有方形通孔的四個頂點坐標值集合記為Rxy;測量所有單體的左側立面、高水平面、右側立面及低水平面連接處的XYZ坐標，并記錄其集合為Rxy; (b)將標定塊放置于所述二維三維復合式測量儀的載物臺上，使得標定塊外輪廓位于所述主動式圖像處理模塊的視野范圍之內，標定塊的每個側面分別正對一個結構光投射器； (C)通過控制與數據處理器控制所述平行背光源和圖像采集模塊采集標定塊所有方形通孔頂點坐標，記為Mxy;然后再通過控制與數據處理器控制結構光投射器和圖像采集模塊采集標定塊所有單體的左側立面、高水平面、右側立面及低水平面連接處的坐標集合，記為Mxy； (d)解方程組:MXy*U=RXy;MXyZ*V=RXyZ，解方程即可得到標定塊測量數據與真實數據之間的變換矩陣U、V、W，完成標定。上述標定方法是純數據驅動的，避免了由于硬件之間的差異造成的模型結構帶來的誤差，且標定過程簡單，容易實現，精確度高。綜上所述，本專利技術能夠全方位，無死角測量被測物體表面二維、三維信息，測量的速度快，精確度高，尤其是能對本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二維三維復合式測量儀，包括載物臺，可采集待測物體輪廓信息的主動式圖像采集模組（1），連接所述主動式圖像采集模組（1）的控制與數據處理器（3）以及支架；所述主動式圖像采集模組（1）、載物臺以及控制與數據處理器（3）均設于支架上，所述載物臺具有用于安置待測物體的透光載物平面，其特征在于：所述主動式圖像采集模組（1）包括位于載物臺正上方的圖像采集模塊（13），位于載物臺正下方的平行背光源（12），以及4個或者4個以上偶數個均勻傾斜分布于圖像采集模塊（13）外圍的結構光投射器（111）；平行背光源（12）能發出垂直于載物臺的平行光，所述結構光投射器（111）能發出與圖像采集模塊（13）光軸呈一定夾角的結構光。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：文雙全，費正順，劉彧鵬，陳貴，
申請(專利權)人：杭州漢振科技有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江;33