CN106767535A - 非接触式复合测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
发明涉及测量物体的设备和方法领域，尤其是公开了一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X‑Y‑Z三轴移动平台（1），位于X‑Y‑Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X‑Y‑Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）***朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X‑Y‑Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。该发明结构简单，测量的精确度高，适于物体二维、三维测量。
Description
技术领域
本发明涉及测量物体的设备和方法领域，尤其是涉及一种非接触式复合测量仪及其测量方法。
背景技术
基于面结构光的三维轮廓测量装置已经在精密测量领域得到成功应用，然而当前的基于面结构光的三维轮廓仪的载物台均为不透明黑色，只能获取被测物体的表面高度信息，对于被测物体的外轮廓无法准确的获取，因此，被测物体的诸多尺寸无法进行测量，无法满足现代精密制造业中产品日益复杂化，测量更加精细化的需求。如果将载物台用光学玻璃替代，则面结构光的投影信息会部分透过玻璃载物台，少部分镜面反射，这对三维重构引入了噪声，使得三维测量精度降低。而且，现有的测量仪存在结构复杂，制造成本高等缺点。特别的，现有的测量仪仅能够获得被测物体的表面三维轮廓数据，无法适应需要二维数据和三维数据同时获取而且需要将二维、三维数据融合在同一个坐标系下进行分析与处理的要求。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种测量精确度高，结构简单，适于物体二维、三维测量的非接触式复合测量仪及其测量方法。
为了实现上述目的，发明采用以下技术方案：一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X-Y-Z三轴移动平台（1），位于X-Y-Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X-Y-Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）***朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。本发明结构简单，设计合理，能够同时进行三维轮廓和二维影像精密测量，易于操作和控制。尤其对于结构复杂，曲面多样的的精密被测物体，通过二维、三维的融合测量能够取得复杂尺寸一站式测量结果，具备高精度、高效率等特点。
进一步地，所述图像采集模块（2）包括从上向下依次设置的工业相机（21）、第一透镜模组（22）、光阑（23）及第二透镜模组（24）；所述工业相机（21）为彩色相机或者黑白相机。该设计同时满足双远心平行光路的要求，能够进行高精度测量。
进一步地，所述投影模块（4）包括两组对称设于图像采集模块（2）两侧的投影单元；每一投影单元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透镜模组（42），第一光源（41）连接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安装于图像采集模块（2）正下方，与图像采集模块（2）光轴重合，表面光源为环形无影光源，可以发射白色光，也可以发射红、绿、蓝单色光，而且发光区域和发光颜色能够通过集成控制器（5）控制调节，平行背光源（32）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）下方与图像采集模块（2）、表面光源（31）光轴重合，该平行背光源（32）和表面光源（31）均连接集成控制器（5）。该模块通过投影模块的对称设计，能够有效解决单边投影模块的光纤遮挡问题，获得更为全面的数据。通过光源、投影和X-Y-Z移动平台的集中控制能够提高测量效率，节省制造成本。同时、该表面光源能够完成不同方向和不同颜色的照射控制，从而获取被测物体表面更为丰富的图像特征，完成高精度的测量。
进一步地，所述X-Y-Z三轴移动平台（1）包括用于安置待测物体的可调光玻璃载物平面（12）和可带动可调光玻璃载物平面（12）沿X轴、Y轴或Z轴方向移动的三轴移动平台本体（11），该三轴移动平台本体（11）和可调光玻璃载物平面（12）均连接集成控制器（5）。
另外，本发明还公开了一种用于非接触式复合测量仪的测量方法，包括三维测量过程和二维测量过程：
所述三维测量过程如下：
（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上；
（b）PC（6）向集成控制器（5）发送任务，集成控制器（5）接收到任务后，控制投影模块（4）向被测物体照射结构光；
（c）集成控制器（5）再控制图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像，并在集成控制器（5）中进行存储；
（d）重复步骤（a）-（c），获得所需的所有图像；
（e）集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据；
（f）集成控制器（5）将该点云数据传输至PC的客户端软件；
所述二维测量过程：集成控制器（5）控制外部光源（3）照射被测物体，然后集成控制器（5）触发图像采集模块（1）拍摄被测物体的二维图像，最后集成控制器（5）将图像传输到PC（6）。
进一步地，所述三维测量过程还包括步骤（g）：当无法一次性获得被测区域的全部三维轮廓信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）沿X轴、Y轴或Z轴移动，进而带动被测物体相对于光轴移动，重复步骤（a）-（f），使PC（6）能获取所需的所有点云数据。
进一步地，所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光包括黑白条纹编码和正弦编码；
所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像的具体过程为：
（A）所述投影模块（4）向被测物体投影黑白条纹编码，移动黑白条纹编码的位置，图像采集模块（2）拍摄每一种黑白条纹编码对应的图像；
（B）所述投影模块（4）向被测物体再投影正弦编码，并移动正弦编码的位置，图像采集模块（2）再一次拍摄每一种正弦编码对应的图像。
进一步地，所述步骤（e）集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据的过程如下：
（C）将步骤（A）获得的图像进行解码，获得被测物体表面轮廓的点云数据，通过判断点云数据的法向量获得被测物体表面高度突变的坐标信息；
（D）以发生高度突变的坐标作为分界线，将步骤（B）的图像分成不同区块，利用相移法解码得到各个区块的轮廓。
进一步地，所述步骤（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上之后；当需要获取被测物体三维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（11）处于不透光模式；而当需要获取被测物体二维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（12）处于透光模式。
基于面结构光的原理，通过利用可调光玻璃的引用，使得做投影三维测量时，载物台为非透明，需要获得被测物体二维外轮廓信息时，能够使用使可调光载物台为透明；采用双侧远心光路，使得光线的平行度大大增强，二维、三维数据的融合能够显著提高三维轮廓测量精度，特别的，由于以往单纯依靠某一种三维投影编码和解码方法进行三维重构时均存在不同程度的缺陷，本发明提出一种结合黑白条纹编码和正弦的方法，通过法向信息将图像进行精准分区，因此能够结合各种方法的有点，进而对被测物体表面进行精密三维重构和测量成为可能。
综上所述，发明结构简单，测量的精确度高，适于物体二维、三维测量。
附图说明
图1为发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的图像采集模块结构示意图；
图3为本发明实施例1的投影模块结构示意图；
图4为本发明实施例1的外光源结构示意图；
图5为本发明实施例1的X-Y-Z三轴移动平台结构示意图；
图6为本发明实施例2的黑白条纹编码示意图；
图7为本发明实施例2的正弦编码示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解发明方案，下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1-5所示，一种非接触式复合测量仪，包括X-Y-Z三轴移动平台1、图像采集模块2、外部光源3、投影模块4、集成控制器5及PC6。
如图1所示，所述X-Y-Z三轴移动平台1用于安置待测物体，图像采集模块2位于X-Y-Z三轴移动平台1上方，且该图形采集模块2位于待测物体的正上方。外部光源3能为图像采集模块2和X-Y-Z三轴移动平台1提供光照，投影模块4位于图像采集模块2***，且倾斜朝向待测物体，所述集成控制器5连接X-Y-Z三轴移动平台1、图像采集模块2、外部光源3、投影模块4及PC6。
如图3所示，所述图像采集模块2包括从上向下依次设置的工业相机21、第一透镜模组22、光阑23及第二透镜模组24；其中第一透镜模组22、第二透镜模组24及光阑23共同构成双远心镜头，所述工业相机21优选为彩色相机或者黑白相机，其芯片可以是CCD芯片或者COMS芯片。
如图2所示，所述投影模块4包括两组对称设于图像采集模块2两侧的投影单元；而且两组投影单元结构相同。具体的，每一投影单元包括第一光源41和透镜模组42，第一光源41和透镜模组42构成单侧远心光路，使得投射出的光线均平行于透镜模组42的光轴。透镜模组42位于第一光源41下方，且第一光源41和透镜模组42均倾斜朝向待测物体，同时第一光源41和透镜模组42均位于同一直线上。第一光源41连接集成控制器5，由集成控制器5控制并确定投影模块4所投射出的图案，所投射的图案预先存储于集成控制器5中并且能够编辑，第一光源41与集成控制器5中的投影单元共同组成投影模块的光源控制组合，可以是基于DMD（数字微镜元件），LCD（液晶显示）或者LCoS(硅基液晶)的投影原理。
如图4所示，所述外部光源3包括表面光源31和平行背光源32，该平行背光源32和表面光源31均连接集成控制器5。所述表面光源31安装于图像采集模块2正下方，与图像采集模块2光轴重合，表面光源31为环形无影光源，可以发射白色光，也可以发射红、绿、蓝单色光，而且发光区域和发光颜色能够通过集成控制器5控制调节。平行光源32安装于X-Y-Z三轴移动平台1下方，且与图像采集模块2、表面光源31光轴重合，可以通过集成控制器5控制其发光亮度。
如图5所示，所述X-Y-Z三轴移动平台1包括可调光玻璃载物平面12和三轴移动平台本体11，可调光玻璃载物平面12用于安置待测物体，三轴移动平台本体11可带动可调光玻璃载物平面12沿X轴、Y轴或Z轴方向移动，进而带动待测物体沿X轴、Y轴或者Z轴方向移动，而且X-Y-Z三轴移动平台1可采用现有结构，此处不再赘述。该三轴移动平台本体11和可调光玻璃载物平面12均连接集成控制器5。三轴移动平台本体11由集成控制器5驱动和控制，可以通过集成控制器5控制可调光玻璃载物平面12透光或者是不透光。
实施例2
一种用于非接触式复合测量仪的测量方法，包括三维测量过程和二维测量过程。
所述三维测量过程如下：
（a）将被测物体放置于X-Y-Z三轴移动平台1上。
（b）PC6向集成控制器5发送任务，集成控制器5接收到任务后，根据需要，控制投影模块4向被测物体照射结构光。
（c）通过集成控制器5中的同步功能，集成控制器5再控制图像采集模块2拍摄被结构光照射的被测物体的图像，并将所拍摄的图像存储到集成控制器5中。
（d）重复步骤（a）-（c），获得所需的所有图像，即获得一系列图像。
（e）集成控制器5的数据处理单元利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据。
（f）集成控制器5将该点云数据传输至PC的客户端软件。
对于无法一次性获得被测区域的全部三维轮廓信息的情况，还增加了步骤（g）：集成控制器5控制X-Y-Z三轴移动平台1沿X轴、Y轴或Z轴移动，进而带动被测物体相对于光轴移动，重复步骤（a）-（f），使PC6能获取所需的所有点云数据。
对于需要获取被测物体二维图像信息的情况，其二维测量过程为：集成控制器5控制外部光源3照射被测物体，然后集成控制器5触发图像采集模块1拍摄被测物体的二维图像，最后集成控制器5将图像传输到PC6的客户端软件。
另外，如图6和图7所示，为了进一步提高测量的精确性，于是，所述步骤（b）中，所述投影模块4向被测物体照射的结构光包括黑白条纹编码和正弦编码；所述步骤（b）中，所述投影模块4向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块2拍摄被测物体的图像的具体过程为分两次进行：
（A）所述投影模块4向被测物体投影黑白条纹编码，移动黑白条纹编码的位置，图像采集模块2拍摄每一种黑白条纹编码对应的图像。此过程为所述步骤（b）中，所述投影模块4向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块2拍摄被测物体的图像的第一次操作。
（B）所述投影模块4向被测物体再投影正弦编码，并移动正弦编码的位置，图像采集模块2再一次拍摄每一种正弦编码对应的图像。此过程为所述步骤（b）中，所述投影模块4向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块2拍摄被测物体的图像的第二次操作。
步骤（B）之后，所述步骤（e）集成控制器5利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据的过程如下：
（C）将步骤（A）获得的图像进行解码，获得被测物体表面轮廓的点云数据，通过判断点云数据的法向量获得被测物体表面高度突变的坐标信息；
（D）以发生高度突变的坐标作为分界线，将步骤（B）的图像分成不同区块，利用相移法解码得到各个区块的轮廓；
此外，为了保证测量的精确性，同时方便测量，所述步骤（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台1上之后；当需要获取被测物体三维图像信息时，集成控制器5控制X-Y-Z三轴移动平台1的可调光玻璃载物平面11处于不透光模式；而当需要获取被测物体二维图像信息时，集成控制器5控制X-Y-Z三轴移动平台1的可调光玻璃载物平面12处于透光模式。
本发明通过可调光玻璃的应用，使得装置既能够保持投影三维重建过程中保持非透明状态，克服透明载物台无法反射投影光线的难题，同时利用其透光状态使用平行背光源获得精确的二维轮廓信息。同时通过结合黑白条纹和正弦条纹灵活分区进行三维重建的方法，使得三维重构能够适应复杂的表面精确测量。本非接触式复合测量仪及其测量方法既能利用丰富的二维和三维数据，进行多种复杂尺寸的精密测量，也能够适应表面结构起伏，轮廓结构多样的被测物体，极大的提高了精密制造中的复杂测量的可行性。
显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种非接触式复合测量仪，其特征在于：包括用于安置待测物体的X-Y-Z三轴移动平台（1），位于X-Y-Z三轴移动平台（1）上方的图像采集模块（2），为图像采集模块（2）和X-Y-Z三轴移动平台（1）提供光照的外部光源（3），位于图像采集模块（2）***朝向待测物体的投影模块（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）、图像采集模块（2）、外部光源（3）、投影模块（4）及CP（6）。
2.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述图像采集模块（2）包括从上向下依次设置的工业相机（21）、第一透镜模组（22）、光阑（23）及第二透镜模组（24）；所述工业相机（21）为彩色相机或者黑白相机。
3.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述投影模块（4）包括两组对称设于图像采集模块（2）两侧的投影单元；每一投影单元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透镜模组（42），第一光源（41）连接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安装于图像采集模块（2）正下方，与图像采集模块（2）光轴重合，表面光源为环形无影光源，平行背光源（32）连接X-Y-Z三轴移动平台（1）下方与图像采集模块（2）、表面光源（31）光轴重合，该平行背光源（32）和表面光源（31）均连接集成控制器（5）。
4.根据权利要求1所述的非接触式复合测量仪，其特征在于：所述X-Y-Z三轴移动平台（1）包括用于安置待测物体的可调光玻璃载物平面（12）和可带动可调光玻璃载物平面（12）沿X轴、Y轴或Z轴方向移动的三轴移动平台本体（11），该三轴移动平台本体（11）和可调光玻璃载物平面（12）均连接集成控制器（5）。
5.一种用于非接触式复合测量仪的测量方法，包括三维测量过程和二维测量过程：
所述三维测量过程如下：
将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上；
PC（6）向集成控制器（5）发送任务，集成控制器（5）接收到任务后，控制投影模块（4）向被测物体照射结构光；
集成控制器（5）再控制图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像，并在集成控制器（5）中进行存储；
重复步骤（a）-（c），获得所需的所有图像；
集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据；
集成控制器（5）将该点云数据传输至PC（6）的客户端软件；
所述二维测量过程：集成控制器（5）控制外部光源（3）照射被测物体，然后集成控制器（5）触发图像采集模块（1）拍摄被测物体的二维图像，最后集成控制器（5）将图像传输到PC（6）。
6.根据权利要求5所述的用于非接触式复合测量仪的测量方法，其特征在于：所述三维测量过程还包括步骤（g）：当无法一次性获得被测区域的全部三维轮廓信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）沿X轴、Y轴或Z轴移动，进而带动被测物体相对于光轴移动，重复步骤（a）-（f），使PC（6）能获取所需的所有点云数据。
7.根据权利要求6所述的用于非接触式复合测量仪的测量方法，其特征在于：所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光包括黑白条纹编码和正弦编码；
所述步骤（b）中，所述投影模块（4）向被测物体照射的结构光和步骤（c）中，所述图像采集模块（2）拍摄被测物体的图像的具体过程为：
（A）所述投影模块（4）向被测物体投影黑白条纹编码，移动黑白条纹编码的位置，图像采集模块（2）拍摄每一种黑白条纹编码对应的图像；
（B）所述投影模块（4）向被测物体再投影正弦编码，并移动正弦编码的位置，图像采集模块（2）再一次拍摄每一种正弦编码对应的图像。
8.根据权利要求7所述的用于非接触式复合测量仪的测量方法，其特征在于：所述步骤（e）集成控制器（5）利用解码算法对所有图像进行处理，获得被测物体表面三维轮廓点云数据的过程如下：
（C）将步骤（A）获得的图像进行解码，获得被测物体表面轮廓的点云数据，通过判断点云数据的法向量获得被测物体表面高度突变的坐标信息；
（D）以发生高度突变的坐标作为分界线，将步骤（B）的图像分成不同区块，利用相移法解码得到各个区块的轮廓。
9.根据权利要求7所述的用于非接触式复合测量仪的测量方法，其特征在于：所述步骤（a）将被测物体置于X-Y-Z三轴移动平台（1）上之后；当需要获取被测物体三维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（11）处于不透光模式；而当需要获取被测物体二维图像信息时，集成控制器（5）控制X-Y-Z三轴移动平台（1）的可调光玻璃载物平面（12）处于透光模式。
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