CN107421462A - 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量*** - Google Patents

基于线激光扫描的物体三维轮廓测量*** Download PDF

Info

Publication number
CN107421462A
CN107421462A CN201710323627.4A CN201710323627A CN107421462A CN 107421462 A CN107421462 A CN 107421462A CN 201710323627 A CN201710323627 A CN 201710323627A CN 107421462 A CN107421462 A CN 107421462A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
line
sensor
image sensor
rotating platform
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710323627.4A
Other languages
English (en)
Inventor
陈文建
张婷
李武森
肖悦
朱炳斐
张峻乾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201710323627.4A priority Critical patent/CN107421462A/zh
Publication of CN107421462A publication Critical patent/CN107421462A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***，包括线激光器(1)、左右图像传感器(2、3)、精密转台(4)、标定板(5)、L型标定辅助板(6)和计算机(7)，计算机(7)分别与左图像传感器(2)、右图像传感器(3)和精密转台(4)相连；左右图像传感器(2、3)对称置于线激光器(1)的两侧，并与线激光器(1)成一直线，激光平面与该直线垂直，正对于精密转台(4)的侧面投射，精密转台(4)的转轴与线激光重合，图像传感器(2、3)均朝向被测物体。本发明物体三维轮廓测量***，数据传输稳定、成本低、成像误差小。

Description

基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***
技术领域
本发明属于非接触式激光测量设备技术领域，特别是一种基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***。
背景技术
非接触式激光测量技术最早出现于20世纪60年代中期。随着激光技术的发展和数字处理能力的提高，特别是半导体激光器的出现以及计算机图像处理技术的进步，非接触式激光测量技术逐渐在测绘测量、工业检测、自动化控制、医学整形、武器***等领域发挥着越来越重要的作用，给人们的生产生活带来极大的方便。相对于传统的接触式测量方法测量效率低，难以测量柔软物体，且可能由于接触造成被测物体表面损坏等缺陷，非接触式激光测量技术具有测量速度快、测量精度高、功耗低、无损伤、适用范围广泛等多项优势。
激光扫描测量技术作为非接触式激光测量技术的一个重要分类，是当今几何量测量领域的重点研究对象之一。该测量技术是以获取被测物体表面的三维数据信息为目的，通过激光投射和图像采集过程，得到携带被测物体三维坐标信息的激光数字图像。对激光图像进行预处理和中心提取，再进行一系列的数据处理与分析，根据激光三角法中物体表面高度不同的点在图像中的成像位置不同这一原理，可得到物体表面三维轮廓的测量结果。该技术广泛地应用于逆向工程、虚拟现实和快速原型制造技术等领域，具有成本低、精度高等优点，具有很高的应用价值。而与早期的单点激光扫描测量技术相比，线激光扫描测量技术效率更高，一次性扫描可得到被测物体表面一条线上的二维数据，再使物体相对于激光平面移动，即可获取三维数据，因而成为激光扫描测量技术的研究和发展方向。
现有的激光扫描测量***如中国发明专利申请“基于线激光扫描的齿轮三维轮廓测量***及方法”(申请号：CN201511023749.9，公开日：2016.07.20)所述，其包括线激光器、第一图像传感器、第二图像传感器、载物台、图像采集卡、旋转编码器、步进电机、带运算功能的终端。其中图像采集卡与终端连接，用于控制第一图像传感器和第二图像传感器同时开关与采集，旋转编码器设置于载物台上，并于终端连接，用于记录待测齿轮旋转角度。
上述测量***存在的问题是：第一图像传感器和第二图像传感器通过图像采集卡与终端连接，数据传输距离受工作环境限制较大，当环境干扰因素多时，容易造成图像产生噪声；图像采集卡和角度编码器的使用增加了***的成本；物体的高度信息直接通过激光三角法原理计算得到，过程中需要测量多个参数(包括线激光方向与图像传感器镜头光轴夹角、图像传感器镜头光轴与图像传感器成像平面夹角等)，不仅测量困难，且未考虑图像传感器镜头的畸变造成的成像误差。
总之，现有技术存在的问题是：物体三维轮廓测量***数据传输不稳定、成本高、***参数测量困难且未考虑成像误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***，数据传输稳定、成本低、标定简单且成像误差影响小。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***，包括：
一字型线激光器，用于发射测量线激光；
带有千兆网接口的左图像传感器和右图像传感器，用于对被测物体进行图像采集，并与计算机进行图像传输；
带有置物台的精密转台，用于承载被测物体，并对其进行精密转动；
带棋盘格的标定板，用于对激光平面进行标定；
带有记号线的L型标定辅助板，用于线激光平面与标定板的精确对准重合；
带有显示器的计算机，用于控制精密转台和左右图像传感器，接收精密转台的角度信息和图像传感器的数字图像，对角度信息和数字图像进行处理和显示；
所述计算机分别与左图像传感器、右图像传感器和精密转台相连；所述左图像传感器和右图像传感器对称置于线激光器的两侧，并与线激光器成一直线，线激光器发出的激光平面与该直线垂直，正对于精密转台的侧面投射，精密转台的转轴与线激光重合，图像传感器均朝向被测物体。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、数据传输稳定：使用带有千兆网接口的图像传感器，无需使用图像采集卡，直接通过网线连接到计算机上的千兆网口，图像数据传输稳定快速，且可实现较远距离传输，连接成功后可在计算机上对图像传感器进行打开、关闭，以及图像实时处理等操作；
2、成本低：无需角度编码器，通过计算机对精密转台进行控制并记录旋转的角度信息，用于被测物体的第三维信息恢复；
3、标定简单且成像误差影响小：使用棋盘格标定板配以标定辅助板，对扫描用的线激光平面进行一次性标定，而非直接通过激光三角法的原理公式计算物体轮廓，过程简单快速，无需对有关参数进行复杂的测量，且标定结果中一定程度上包含了图像传感器镜头畸变引起的像差；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***的结构示意图；
图2是使用标定板进行激光平面标定的原理图；
图3是激光三角法的原理图。
图中，线激光器1，左图像传感器2，右图像传感器3，精密转台4，标定板5，标定辅助板6，计算机7。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***，包括：
一字型线激光器1，用于发射测量线激光；
带有千兆网接口的左图像传感器2和右图像传感器3，用于对被测物体进行图像采集，并与计算机7进行图像传输；
带有置物台的精密转台4，用于承载被测物体，并对其进行精密转动；
带棋盘格的标定板5，用于对激光平面进行标定；
带有记号线的L型标定辅助板6，用于线激光平面与标定板的精确对准重合；
带有显示器的计算机7，用于控制精密转台4和左右图像传感器2、3，接收精密转台4的角度信息和图像传感器2、3的数字图像，对角度信息和数字图像进行处理和显示；
所述计算机7分别与左图像传感器2、右图像传感器3和精密转台4相连；所述左图像传感器2和右图像传感器3对称置于线激光器1的两侧，并与线激光器1成一直线，线激光器1发出的激光平面与该直线垂直，正对于精密转台4的侧面投射，精密转台4的转轴与线激光重合，图像传感器2、3均朝向被测物体。
所述标定板5在标定前与激光平面严格重合，标定过程中分别对左图像传感器2、右图像传感器3进行标定，使左右图像传感器2、3位于各自的位置上，左右图像传感器2、3各自采集一幅标定板5的图像。
所述标定板5标定时置于与线激光平面重合的位置，标定辅助板6标定时相互垂直的两个面与激光平面的交线正好与标定辅助板6上的记号线重合。
测量时，被测物体放置在精密转台4上，精密转台承载物体进行精密转动，并将角度数据传输给与之相连的计算机7；
测量时，线激光器1发出的线激光与精密转台转轴方向重合，线激光投射到被测物体表面，激光平面与被测物体表面相交于一条曲线形成激光条纹，该曲线反映物体表面三维轮廓信息，左图像传感器2从线激光器1左侧接收物体表面上的激光条纹，右图像传感器3从线激光器1右侧接收物体表面上的激光条纹，两者为同一时刻物体上同一位置的条纹，共同反映物体该时刻该位置的表面轮廓信息；
通过网口将图像传感器采集的条纹图像传至计算机7，在计算机7中对图像进行处理，得到与物体三维轮廓相关的信息，依据标定的结果和图像处理所得信息进行计算，得到当前激光条纹覆盖位置的物体表面轮廓数据；
计算机7将当前时刻精密转台4的旋转角度信息与图像传感器2和图像传感器3分别采集到的图像反映的表面轮廓数据进行综合处理，得到当前激光条纹覆盖位置的物体表面在现实世界中的坐标数据。
结合图2标定示意图，标定过程可描述为：
将线激光投射到L型的标定辅助板上，使得线激光与辅助工具垂直的两个面的交线正好与辅助板上的记号线L1和L2重合；
将标定板放置在辅助板上，使得标定板相邻的两条边l1和l2分别与辅助板上的L1和L2重合，根据两条相交直线确定一个平面的定理，线激光平面与标定板平面已重合，此刻标定板上的每一点均对应激光平面上的点；
图像传感器采集到标定图案，通过标定板图案上的角点和采集到的图像中的角点之间一一对应关系，即可计算出标定板的现实坐标(亦即线激光平面上的现实坐标)与图像坐标的映射关系。
结合图3激光三角法示意图，可将本发明的原理描述为：
本文所采用的线激光扫描测量方法是非接触式激光测量的一种，其基于的原理是激光三角法。最简单的激光三角法是点激光三角法，由光源投射一个单点激光到被测物体的表面，在另一个方向通过成像***拍摄激光点，根据激光点成像的位置，可以计算得到物点到参考面的距离。按照入射光线和参考面法线之间的夹角，可将激光三角法分为直射式(夹角为0)和斜射式(夹角不为0)，本发明采用的为直射式激光三角法。
如图3所示，OO1为入射光线，经被测面反射后经过成像透镜中心成像在光电探测器平面上，入射光OO1与反射光O1P1的夹角为α，反射光O1P1与光电探测器平面的夹角为β，O点成像在P点，O1点成像在P1点，可知不同高度的点在光电探测器平面上的成像位置是不同的。假设O1点所在平面为参考平面，其在光电探测器平面上的成像点P1为成像参考点，由图3可知，光线OO1上的点与其在成像平面上的投影点是一一对应的。
如图3，根据O点O1点在成像平面上的投影关系和三角相似原理，可得：
由公式(1)可得：
由公式(2)可知，通过某一点在光电探测器平面上的成像位置相对于成像参考点的偏移量，就可以根据三角关系得出该点与参考平面的高度差，即该点的轮廓信息。
在测量过程中若使用单点激光，则测量速度较慢，因此本发明采用线激光扫描，结合图像处理技术对图像传感器采集到的激光条纹进行中心提取，可一次性获取一条激光线上的物体高度信息。
可选地，在本发明基于线激光扫描的物体三维轮廓测量方法的另一实施中，所述图像传感器与线激光器的夹角可为20°、30°、45°等适当角度；
可选地，在本发明的另一实施中，线激光的波长可为635mm、650mm等其他参数；
可选地，在本发明的另一实施中，图像传感器可为CCD相机和CMOS相机任意；
可选地，在本发明的另一实施中，棋盘格的尺寸可根据测量物体大小，选择20mm、30mm等适当大小，棋盘格的数目亦然。

Claims (3)

1.一种基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***，其特征在于，包括：
一字型线激光器(1)，用于发射测量线激光；
带有千兆网接口的左图像传感器(2)和右图像传感器(3)，用于对被测物体进行图像采集，并与计算机(7)进行图像传输；
带有置物台的精密转台(4)，用于承载被测物体，并对其进行精密转动；
带棋盘格的标定板(5)，用于对激光平面进行标定；
带有记号线的L型标定辅助板(6)，用于线激光平面与标定板的精确对准重合；
带有显示器的计算机(7)，用于控制精密转台(4)和左右图像传感器(2、3)，接收精密转台(4)的角度信息和图像传感器(2、3)的数字图像，对角度信息和数字图像进行处理和显示；
所述计算机(7)分别与左图像传感器(2)、右图像传感器(3)和精密转台(4)相连；所述左图像传感器(2)和右图像传感器(3)对称置于线激光器(1)的两侧，并与线激光器(1)成一直线，线激光器(1)发出的激光平面与该直线垂直，正对于精密转台(4)的侧面投射，精密转台(4)的转轴与线激光重合，图像传感器(2、3)均朝向被测物体。
2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于：
所述标定板(5)在标定前与激光平面严格重合，标定过程中分别对左图像传感器(2)、右图像传感器(3)进行标定，使左右图像传感器(2、3)位于各自的位置上，左右图像传感器(2、3)各自采集一幅标定板(5)的图像。
3.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于：
所述标定板(5)标定时置于与线激光平面重合的位置，标定辅助板(6)标定时相互垂直的两个面与激光平面的交线正好与标定辅助板(6)上的记号线重合。
CN201710323627.4A 2017-05-10 2017-05-10 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量*** Pending CN107421462A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710323627.4A CN107421462A (zh) 2017-05-10 2017-05-10 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710323627.4A CN107421462A (zh) 2017-05-10 2017-05-10 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107421462A true CN107421462A (zh) 2017-12-01

Family

ID=60425810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710323627.4A Pending CN107421462A (zh) 2017-05-10 2017-05-10 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107421462A (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108225218A (zh) * 2018-02-07 2018-06-29 苏州镭图光电科技有限公司 基于光学微机电***的三维扫描成像方法及成像装置
CN108981607A (zh) * 2018-05-25 2018-12-11 北京理工大学深圳研究院 一种基于双线激光器的物体彩色三维轮廓扫描装置
CN109387160A (zh) * 2018-11-26 2019-02-26 中国科学院光电技术研究所 一种核辐射环境下的物体表面轮廓测量装置和方法
CN110132162A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 长沙青波光电科技有限公司 一种目标物体轮廓检测***及检测方法
CN110966953A (zh) * 2018-09-29 2020-04-07 中国航发商用航空发动机有限责任公司 物体表面轮廓的检测方法
CN111006706A (zh) * 2019-11-12 2020-04-14 长沙长泰机器人有限公司 一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法
CN111238399A (zh) * 2020-03-02 2020-06-05 南京理工大学 多视角三维测量装置
CN111830667A (zh) * 2020-07-30 2020-10-27 广东博智林机器人有限公司 一种镜头对焦装置
CN112958958A (zh) * 2021-02-08 2021-06-15 西安知象光电科技有限公司 一种mems微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置及扫描方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256099B1 (en) * 1998-11-06 2001-07-03 Frederick Kaufman Methods and system for measuring three dimensional spatial coordinates and for external camera calibration necessary for that measurement
CN204329892U (zh) * 2014-12-11 2015-05-13 天津大学 一种基于线激光三角法测量不规则物体体积的装置
CN105091782A (zh) * 2015-05-29 2015-11-25 南京邮电大学 一种基于双目视觉的多线激光器光平面标定方法
CN105783769A (zh) * 2015-12-30 2016-07-20 南京理工大学 基于线激光扫描的齿轮三维轮廓测量***及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256099B1 (en) * 1998-11-06 2001-07-03 Frederick Kaufman Methods and system for measuring three dimensional spatial coordinates and for external camera calibration necessary for that measurement
CN204329892U (zh) * 2014-12-11 2015-05-13 天津大学 一种基于线激光三角法测量不规则物体体积的装置
CN105091782A (zh) * 2015-05-29 2015-11-25 南京邮电大学 一种基于双目视觉的多线激光器光平面标定方法
CN105783769A (zh) * 2015-12-30 2016-07-20 南京理工大学 基于线激光扫描的齿轮三维轮廓测量***及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
康高强: "《基于结构光视觉的钢轨轮廓高速测量***研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
袁聪聪: "《线结构光扫描装置的设计与实现》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108225218A (zh) * 2018-02-07 2018-06-29 苏州镭图光电科技有限公司 基于光学微机电***的三维扫描成像方法及成像装置
CN110132162A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 长沙青波光电科技有限公司 一种目标物体轮廓检测***及检测方法
CN108981607A (zh) * 2018-05-25 2018-12-11 北京理工大学深圳研究院 一种基于双线激光器的物体彩色三维轮廓扫描装置
CN110966953A (zh) * 2018-09-29 2020-04-07 中国航发商用航空发动机有限责任公司 物体表面轮廓的检测方法
CN109387160A (zh) * 2018-11-26 2019-02-26 中国科学院光电技术研究所 一种核辐射环境下的物体表面轮廓测量装置和方法
CN111006706A (zh) * 2019-11-12 2020-04-14 长沙长泰机器人有限公司 一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法
CN111238399A (zh) * 2020-03-02 2020-06-05 南京理工大学 多视角三维测量装置
CN111830667A (zh) * 2020-07-30 2020-10-27 广东博智林机器人有限公司 一种镜头对焦装置
CN112958958A (zh) * 2021-02-08 2021-06-15 西安知象光电科技有限公司 一种mems微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置及扫描方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107421462A (zh) 基于线激光扫描的物体三维轮廓测量***
CN106959078B (zh) 一种用于三维轮廓测量的轮廓测量方法
CN105066909B (zh) 一种手持式多激光条纹快速三维测量方法
CN106595519B (zh) 一种基于激光mems投影的柔性三维轮廓测量方法及装置
CN110230998B (zh) 基于线激光和双目相机的快速精密三维测量方法和装置
CN104034263B (zh) 一种锻件尺寸的非接触测量方法
CN203231736U (zh) 一种基于双目视觉的镜面物体测量装置
CN108177143A (zh) 一种基于激光视觉引导的机器人定位抓取方法及***
CN105157602A (zh) 基于机器视觉的远程三维扫描***及方法
CN104408762A (zh) 利用单目和二维平台获取物体图像信息及三维模型的方法
CN110940295B (zh) 基于激光散斑极限约束投影的高反射物体测量方法及***
Fernandez et al. Planar-based camera-projector calibration
CN107941168A (zh) 基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置
CN104331924A (zh) 基于单摄像机sfs算法的三维重建方法
CN103196393A (zh) 一种几何形状及表面色彩实时成像装置
CN112556580A (zh) 测量三维尺寸的方法、装置、***、电子设备和存储介质
CN114279325B (zh) 视觉测量模块测量坐标系空间位置关系标定***及方法
Bai et al. Scanning-based 3D reconstruction of large-scale objects
TWI480507B (zh) 三維模型重建方法及其系統
CN202853566U (zh) 一种基于投影标靶的光学测量***
CN105091797A (zh) 一种单ccd的强度关联自准直仪
CN111947598B (zh) 基于平面反射镜的360°三维人头测量方法
CN106871783A (zh) 一种基于fpga的关节臂激光扫描测头激光光条图像采集***
RU153982U1 (ru) Устройство контроля линейных размеров трехмерных объектов
CN102889855A (zh) 型钢在线精密检测***

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20171201

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication