CN102914275A - 带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量*** - Google Patents

带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量*** Download PDF

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蒋曲博
张绍兵
张文涛
胡放荣
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Abstract

本发明公开了一种带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***，该***包括摄像机阵列、摄像机阵列底座、帧同步触发装置、手持激光轮廓扫描仪与计算机，摄像机阵列放置在摄像机阵列底座上，摄像机阵列和手持激光轮廓扫描仪通过采集卡与计算机连接，帧同步触发装置通过串口接收计算机的控制指令控制摄像机阵列与手持激光轮廓扫描仪同步采集图像数据，采集的数据经采集卡传输到计算机。该***结合了摄影测量技术和二维激光轮廓扫描传感器的优点，精度高、测量灵活，能够在一个摄像机视面中，通过手持二维激光轮廓扫描传感器灵活测量大型复杂物体的多个物面，并且可以检测诸如轮胎等具有内部轮廓的物体，避免了轮廓的遮挡问题。

Description

带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓光学检测***，尤其是一种带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***
背景技术
近年来，物体三维轮廓测量技术的应用日益普及，广泛应用在产品设计、质量监控、逆向工程仿真，机器视觉以及生物医疗领域等。在工业生产过程中，对诸如航空发动机叶片、螺旋齿轮等复杂精密零件的轮廓、车辆轮胎的纹理进行测量对于控制产品质量有着重要意义。
当前光学非接触三维轮廓测量技术主要集中在摄影测量技术以及结构光测量技术。摄影测量技术多采用两部摄像机，根据双目视觉测量原理获得被测物体的三维轮廓，摄影测量技术能够非接触的快速检测比较大的视场，但属于被动视觉测量，受外接环境光线的影响比较大，容易产生遮挡，一次检测只能获取某一视觉的物面三维信息，不适合检测物体内部的轮廓以及表面有沟壑、孔洞等复杂轮廓的物体；线结构光测量技术又称光切法，是以一条或者多条光线图像来重现物体的三维形貌，来获得型面的三维数据。该方法由于采用的线光源投影，每次可测得一个剖面的数据，测量速度较快，只需要添加辅助扫描的运动装置就可以实现物体的完全型面扫描。线结构光三维测量具有高精度、视场大、光线图像容易获取，实时性强以及主动受控等特点，近年来在工业环境中得到广发的应用。
摄影测量技术以及结构光测量技术一次检测只能获取某一视面中的物面三维信息，对于诸如大型轮胎、叶片、齿轮等表面轮廓为环形或者具有内部轮廓的物体，摄影测量技术以及结构光测量技术容易产生遮挡问题，不能够满足灵活、高精度测量的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***，该***结合了摄影测量技术和二维激光轮廓扫描传感器的优点，精度高、测量灵活，能够在一个摄像机视面中，通过手持二维激光轮廓扫描传感器灵活测量大型复杂物体的多个物面，并且可以检测诸如轮胎等具有内部轮廓的物体，避免了轮廓的遮挡问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***，包括摄像机阵列、摄像机阵列底座、帧同步触发装置、手持激光轮廓扫描仪与计算机，摄像机阵列放置在摄像机阵列底座上，摄像机阵列和手持激光轮廓扫描仪通过采集卡与计算机连接，帧同步触发装置通过串口接收计算机的控制指令控制摄像机阵列与手持激光轮廓扫描仪同步采集图像数据，采集的数据经采集卡传输到计算机，计算机通过摄像机阵列采集到的图像来定位手持激光轮廓扫描仪在摄像机阵列坐标系下的空间姿态和位置，进而将二维激光轮廓扫描传感器获得的被测物体二维轮廓数据转换为摄像机阵列坐标系下的三维轮廓数据。
所述摄像机阵列由三台工业摄像机组成，三台工业摄像机的光心处于一条直线上，位于中间的工业摄像机的光心到另外两台工业摄像机的光心的距离相同，三台工业摄像机的光轴处于同一平面上，中间工业摄像机光轴处于另外两台工业摄像机的光轴夹角等分线上。
所述手持激光轮廓扫描仪内部装有二维激光轮廓扫描传感器，外部设有手持把手以及标志点，标志点分布在手持激光轮廓扫描仪的不同平面上，平面上标志点排列方式为直线、十字形、星形、三角形、菱形、正方形等，标志点不同空间方向的平面数目至少2个，所述标志点采用红外线二极管或者白光LED。
测量时，手持激光轮廓扫描仪和摄像机阵列在帧同步触发装置控制下同步采集数据，手持激光轮廓扫描仪获取物体表面的廓数据，摄像机阵列实时抓拍手持激光轮廓扫描仪上标志点的图像，计算机根据摄像机阵列采集的图像计算不同标志点平面在摄像机阵列坐标系下的位置及姿态，并利用标志点平面与激光轮廓扫描传感器坐标系之间空间几何关系，将手持激光轮廓扫描仪获取的数据转换为摄像机阵列坐标系下的三维轮廓数据，连续扫描后可以获得被扫描物体表面的三维轮廓。
本发明的优点是：
1．使用三目摄像机结构，能够扩大***有效测量视场范围，避免了边缘测量精度的降低，提高测量精度，并且在不稳定的工业环境下，即使有一台摄像机不能正常工作或者采集不到图片，坐标测量***仍可以完成测量任务，从而提高***的可靠性。
2.采用三目摄像机阵列加激光轮廓扫描传感器的架构，结合了二者的优点，能够在大视场、高精度的情况下，灵活测量大型表面轮廓复杂的精密零件或者物体；标志点采用主动发光方式，摄像机阵列通过提取图像中标志点的位置来计算手持激光轮廓扫描仪的位置与姿态，避免了摄影测量技术被动测量的缺点，提高了测量的精度与可靠性；标志点分布在手持激光轮廓扫描仪的多个平面上，在不移动摄像机阵列的情况下，通过改变手持激光轮廓扫描仪的方向和位置，从而实现轮廓遮挡部位的测量以及在摄像机阵列一个视面下，实现多个物面的测量。
附图说明
图1为本发明三维轮廓测量***结构示意图。
图2为摄像机阵列底座俯视图。
图3为手持激光轮廓扫描仪的外部结构示意图。
图4为图3中手持激光轮廓扫描仪的内部结构示意图。
图中：1.摄像机阵列底座  2-1.第一台摄像机  2-2.第二台摄像机  2-3.第三台摄像机  3. 帧同步触发装置4. 手持激光轮廓扫描仪   5. 计算机  6.标志点   7.二维激光轮廓扫描传感器。
具体实施方式
参阅图1、2，摄像机阵列由三台摄像机组成，第一台摄像机2-1、第二台摄像机2-2、第三台摄像机2-3分别放在摄像机阵列底座1的摄像机卡槽中。第一劝摄像机2-1、第二台摄像机2-2和第三台摄像机2-3的槽底处于同一个平面上，且中心位置处于同一条直线上，第二台摄像机2-2的中心位置到第一台摄像机2-1和第三台摄像机2-3中心位置的距离                                                为400毫米，第二台摄像机2-2的轴线与摄像机阵列底座1的长度方向垂直，第二台摄像机2-2的轴线与摄像机阵列底座1的长度方向夹角都为70度。
如图3、图4所示，手持激光轮廓扫描仪4为长方体，其中两个面装有标志点6，两个面的标志点6的数目分别为7个、6个。标志点6呈十字型分布，同一条直线上相邻标志点6之间的距离L为30mm。手持激光轮廓扫描仪4内部装有二维激光轮廓扫描传感器7。
测量时，操作者手持激光轮廓扫描仪4在被测物体上进行扫描，帧同步触发装置3发出同步采集信号给手持激光轮廓扫描仪4和二维激光轮廓扫描传感器7。摄像机2根据采集的图像计算手持手持激光轮廓扫描仪4在摄像机视场中的位置和姿态，二维激光轮廓扫描传感器7获取被测物体表面的二维轮廓数据，在已知二维激光轮廓扫描传感器7安装安置与手持激光轮廓扫描仪4标志点平面的空间位置关系情况下，将二维轮廓数据转换为摄像机2视场下的三维轮廓数据，通过多次扫描就可以获取物体表面的三维轮廓。

Claims (3)

1.一种带有二维激光轮廓扫描传感器的三目摄像机三维轮廓测量***，其特征是：该***包括摄像机阵列、摄像机阵列底座、帧同步触发装置、手持激光轮廓扫描仪与计算机，摄像机阵列放置在摄像机阵列底座上，摄像机阵列和手持激光轮廓扫描仪通过采集卡与计算机连接，帧同步触发装置通过串口接收计算机的控制指令控制摄像机阵列与手持激光轮廓扫描仪同步采集图像数据，采集的数据经采集卡传输到计算机，计算机通过摄像机阵列采集到的图像来定位手持激光轮廓扫描仪在摄像机阵列坐标系下的空间姿态和位置，进而将二维激光轮廓扫描传感器获得的被测物体二维轮廓数据转换为摄像机阵列坐标系下的三维轮廓数据。
2.根据权利要求1所述的***，其特征是：所述摄像机阵列由三台工业摄像机组成，三台工业摄像机的光心处于一条直线上，位于中间的工业摄像机的光心到另外两台工业摄像机的光心的距离相同，三台工业摄像机的光轴处于同一平面上，中间工业摄像机光轴处于另外两台工业摄像机的光轴夹角等分线上。
3.根据权利要求1所述的***，其特征是：所述手持激光轮廓扫描仪内部装有二维激光轮廓扫描传感器，外部设有手持把手以及标志点，标志点分布在手持激光轮廓扫描仪的不同平面上，平面上标志点排列方式为直线、十字形、星形、三角形、菱形或正方形，标志点不同空间方向的平面数目至少2个，所述标志点采用红外线二极管或者白光LED。
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