CN104197837A - 一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法及装置，该装置包括投影镜头垂直向下的微型投影仪，所述微型投影仪的正下方设有用来投射出环状结构光的第一双侧远心镜头，所述第一双侧远心镜头的正下方设有用于放置待测复杂物体的旋转载物台，所述旋转载物台的旁侧设有第二双侧远心镜头，所述第二双侧远心镜头的旁侧设有位于其焦平面上的CCD摄像机。本发明突破先前体积测量之前做三维重构这一步骤，以此达到更高的精度；不仅可以测量漫反射，而且可以测量类似于橡皮泥等复杂物体表面；为获得非接触式精确物体体积的测量提供了一种可靠的技术装置和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法及装置。
背景技术
光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。传统的非接触式光学三维测量技术主要有飞行时间法、干涉法和三角法三种。
飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据。飞行时间法以对信号检测的时间分辨率来换取距离测量精度，要得到高的测量精度，测量***必须要有极高的时间分辨率，常用于大尺度远距离的测量。
干涉法是将一束相干光通过分光***分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。这种方法测量精度高，但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。
光学三角法是比较常用的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。根据具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和基于结构光的主动三角法。双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大，不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法及装置，不仅测量可靠、精度高，而且测量对象范围更广。
为了实现上述目的，本发明的技术方案一是：一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，包括投影镜头垂直向下的微型投影仪，所述微型投影仪的正下方设有用来投射出环状结构光的第一双侧远心镜头，所述第一双侧远心镜头的正下方设有用于放置待测复杂物体的旋转载物台，所述旋转载物台的旁侧设有第二双侧远心镜头，所述第二双侧远心镜头的旁侧设有位于其焦平面上的CCD摄像机。
进一步的，所述旋转载物台的下面固定有用于精密控制其旋转角度的旋转控制板，所述旋转控制板的周缘部均匀分布有多个通光孔，所述旋转控制板的旁侧还设有透射式光耦传感器，所述透射式光耦传感器的发射端和接收端对称位于旋转控制板的上下方以正对着一通光孔。
进一步的，所述旋转控制板呈正方形，其四个边缘部中间分别开设有通光孔。
进一步的，所述旋转控制板固定于支撑架上以支撑旋转载物台。
进一步的，所述微型投影仪固定于支架上。
为了实现上述目的，本发明的技术方案二是：一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，采用如上所述的非接触式光学测量装置，将待测复杂物体放置于旋转载物台上，并按以下步骤进行：
（1）利用微型投影仪投射具有等间距的黑白环状结构光，经第一双侧远心镜头后平行出射到待测复杂物体上，出射的环状结构光由于复杂物体表面的不规则调制而产生表面纹理；
（2）利用CCD摄像机，通过第二双侧远心镜头对复杂物体表面产生的纹理图像进行摄取；
（3）对摄取的图片进行分析处理，利用计算机编写的体积算法程序计算复杂物体的部分体积；
（4）转动旋转载物台，每次转过360/n度；
（5）重复进行n-1次步骤（2）、（3）、（4）的测量，直到旋转载物台刚好旋转一周；
（6）对所得到的n部分体积进行后处理，求得复杂物体体积。
进一步的，在步骤（3）中，由于所摄取的图片是复杂物体截面积的一半，因此对其进行二值化与边缘检测后利用体积积分算法得到一部分体积。
进一步的，在步骤（4）中，利用透射式光耦传感器对旋转载物台的旋转角度进行精确控制。
进一步的，在旋转载物台的下面固定一周缘部均匀分布有n个通光孔的旋转控制板，在旋转控制板的上下方对称设置透射式光耦传感器的发射端和接收端以正对着一通光孔，当通光孔有光信号输出时便能精密控制每次转过的角度。
进一步的，在步骤（6）中，所述的后处理是求和后除以n/2。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：该装置突破之前有一定体积测量的结构特点，创新性地提出了投射出黑白等距投影环形结构光通过双侧远心镜头，平行度高，图像锐度高，投影仪与摄像机形成正交光路，通过手动或电动转动旋转载物台配合环形结构光，突破先前体积测量之前做三维重构这一步骤，以此达到更高的精度；该装置不仅可以测量漫反射，而且可以测量类似于橡皮泥等复杂物体表面；为获得非接触式精确物体体积的测量提供了一种可靠的技术装置和方法。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为环状结构光的截面图。
图3为旋转控制板与透射式光耦传感器的配合图。
图4为旋转控制板的俯视图。
图中：1-微型投影仪，2-第一双侧远心镜头，3-环状结构光，4-待测复杂物体，5-旋转载物台，6-旋转控制板，61-通光孔，7-透射式光耦传感器，71-发射端，72-接收端，8-支撑架，9-第二双侧远心镜头，10-CCD摄像机。
具体实施方式
如图1~2所示，一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，包括投影镜头垂直向下的微型投影仪1，所述微型投影仪1的正下方设有用来投射出环状结构光3的第一双侧远心镜头2，所述第一双侧远心镜头2的正下方设有用于放置待测复杂物体4的旋转载物台5，所述旋转载物台5的旁侧设有第二双侧远心镜头9，所述第二双侧远心镜头9的旁侧设有位于其焦平面上的CCD摄像机10。
在本实施例中，所述旋转载物台5的下面固定有用于精密控制其旋转角度的旋转控制板6，所述旋转控制板6的周缘部均匀分布有多个通光孔61；如图3所示，所述旋转控制板6的旁侧还设有透射式光耦传感器7，所述透射式光耦传感器7的发射端71（即激光发射器）和接收端72（即激光接收器）对称位于旋转控制板6的上下方以正对着一通光孔61。
在本实施例中，如图3~4所示，所述旋转控制板6呈正方形，其四个边缘部中间分别开设有通光孔61，即旋转控制板6边缘部均匀分布4个通光孔61，但并不局限于此。所述微型投影仪1固定于支架上，所述旋转控制板6固定于支撑架8上以支撑旋转载物台5，通过旋转支撑架8即可转动旋转载物台5。
如图1~4所示，一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，采用如上所述的非接触式光学测量装置，将待测复杂物体4放置于旋转载物台5上，并按以下步骤进行：
（1）利用微型投影仪1投射具有等间距的黑白环状结构光3，经第一双侧远心镜头2后平行出射到待测复杂物体4上，出射的环状结构光3由于复杂物体表面的不规则调制而产生表面纹理；
（2）利用CCD摄像机10，通过第二双侧远心镜头9对复杂物体表面产生的纹理图像进行摄取；
（3）对摄取的图片进行分析处理，利用计算机编写的体积算法程序计算复杂物体的部分体积；
（4）转动旋转载物台5，每次转过360/n度；
（5）重复进行n-1次步骤（2）、（3）、（4）的测量，直到旋转载物台5刚好旋转一周；
（6）对所得到的n部分体积进行后处理，求得复杂物体体积。
在步骤（3）中，由于所摄取的图片是复杂物体截面积的一半，因此对其进行二值化与边缘检测后利用现有的体积积分算法得到一部分体积。
在步骤（4）中，可利用透射式光耦传感器7对旋转载物台5的旋转角度进行精确控制，具体是：在旋转载物台5的下面固定一周缘部均匀分布有n个通光孔61的旋转控制板6，在旋转控制板6的上下方对称设置透射式光耦传感器7的发射端71和接收端72以正对着一通光孔61，当通光孔61有光信号输出时便能精密控制每次转过的角度。
在步骤（6）中，所述的后处理是求和后除以n/2。
在本实施例中，在步骤（4）中每次转过90度，在步骤（5）中重复进行三次步骤（2）、（3）、（4）的测量，在步骤（6）中对所得到的四部分体积进行后处理，即求和后除以二。当然，n的取值并不局限于此，还可以取3、5~8等整数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，其特征在于：包括投影镜头垂直向下的微型投影仪，所述微型投影仪的正下方设有用来投射出环状结构光的第一双侧远心镜头，所述第一双侧远心镜头的正下方设有用于放置待测复杂物体的旋转载物台，所述旋转载物台的旁侧设有第二双侧远心镜头，所述第二双侧远心镜头的旁侧设有位于其焦平面上的CCD摄像机。
2.根据权利要求1所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，其特征在于：所述旋转载物台的下面固定有用于精密控制其旋转角度的旋转控制板，所述旋转控制板的周缘部均匀分布有多个通光孔，所述旋转控制板的旁侧还设有透射式光耦传感器，所述透射式光耦传感器的发射端和接收端对称位于旋转控制板的上下方以正对着一通光孔。
3.根据权利要求2所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，其特征在于：所述旋转控制板呈正方形，其四个边缘部中间分别开设有通光孔。
4.根据权利要求1所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，其特征在于：所述旋转控制板固定于支撑架上以支撑旋转载物台。
5.根据权利要求1所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量装置，其特征在于：所述微型投影仪固定于支架上。
6.一种复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的非接触式光学测量装置，将待测复杂物体放置于旋转载物台上，并按以下步骤进行：
（1）利用微型投影仪投射具有等间距的黑白环状结构光，经第一双侧远心镜头后平行出射到待测复杂物体上，出射的环状结构光由于复杂物体表面的不规则调制而产生表面纹理；
（2）利用CCD摄像机，通过第二双侧远心镜头对复杂物体表面产生的纹理图像进行摄取；
（3）对摄取的图片进行分析处理，利用计算机编写的体积算法程序计算复杂物体的部分体积；
（4）转动旋转载物台，每次转过360/n度；
（5）重复进行n-1次步骤（2）、（3）、（4）的测量，直到旋转载物台刚好旋转一周；
（6）对所得到的n部分体积进行后处理，求得复杂物体体积。
7.根据权利要求6所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，其特征在于：在步骤（3）中，由于所摄取的图片是复杂物体截面积的一半，因此对其进行二值化与边缘检测后利用体积积分算法得到一部分体积。
8.根据权利要求6所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，其特征在于：在步骤（4）中，利用透射式光耦传感器对旋转载物台的旋转角度进行精确控制。
9.根据权利要求8所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，其特征在于：在旋转载物台的下面固定一周缘部均匀分布有n个通光孔的旋转控制板，在旋转控制板的上下方对称设置透射式光耦传感器的发射端和接收端以正对着一通光孔，当通光孔有光信号输出时便能精密控制每次转过的角度。
10.根据权利要求6所述的复杂表面物体体积的非接触式光学测量方法，其特征在于：在步骤（6）中，所述的后处理是求和后除以n/2。
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