CN115112049A - 一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置 - Google Patents

一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置 Download PDF

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张贺永
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Abstract

本发明提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置，其涉及三维测量技术领域，所述方案包括：获取待测物体线结构光扫描图像序列；基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。

Description

一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置
技术领域
本发明属于三维测量技术领域，尤其涉及一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
零件的表面形貌影响机械***的摩擦磨损、疲劳强度、抗腐蚀性等，正确的设计和控制表面形貌，其作用不亚于采用新结构和新材料，因而必须对该指标进行精密的测量。光学无损检测基于光的特性进行检测，具有非接触、大面积、高精度和灵敏度、简便高效等优点，在表面形貌测量中得到了广泛的应用。其中，结构光测量基于光学三角法原理，将不同模式的光投射到被测物体表面，用相机拍摄畸变图像实现三维形貌重构。
现有技术中主要采用以下方法：刘盼、刘劲涛等人以提高点激光在位测量的精度为出发点，研究了点激光传感器的坐标系转化与中心度矫正，但是其仍然存在测量效率低、数据处理难度大等问题；詹坤烽、陈文建等人针对点激光测量存在的问题，提出了基于单相机和线激光***的扫描测量方法，在同等精度下，显著提高了测量效率和点云密集度。张宗华、刘小红等人提出一种基于线结构光投影和反射的方法，实现了对漫反射和镜面反射表面同时存在的复合表面形貌的高精度快速测量；线结构光相比点结构光更加高效，相比面结构光结构更加紧凑，具有高精度、高稳定性等优点，是形貌测量中使用最多的方式之一；线激光轮廓仪与精密运动平台组合，按照规划轨迹进行运动，可实现目标区域的高效高精度三维形貌测量。Moreno等人将整形后的线激光投射到涡轮叶片表面，利用直线运动装置带动轮廓仪运动完成整个叶片的测量，测量分辨率为0.1mm；张鹏程等人提出一种激光交叠式三维重建方法，利用CNC运动平台带动线激光轮廓仪直线运动完成对航空发动机叶片的测量，精度可达10μm；丁红和徐永安将回转体工件放在转台上，将线激光轮廓仪按照激光光条与回转轴线平行的方向安装在水平运动机构上，利用数据拼接完成了样件的三维扫描，实现了雕刻艺术品的数字化生产；Huang等人利用步进电机驱动线激光轮廓仪旋转，激光光条与转轴平行，摄像机拍摄物体表面的激光条纹图像，进行图像处理和坐标变换，得到激光条纹上各点的空间三维坐标，但是该方式需要较为繁琐的标定，拍摄角度有限且设备占据了较大的空间。
综上所述，很多学者开展了基于线结构光的三维形貌测量技术研究，但是，发明人发现，现有方法均存在以下问题：采用直线运动测量时，对线性运动平台的精度要求较高；采用旋转运动测量时，设备占据空间大且测量范围有限。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置，所述方案通过精密转台带动线激光轮廓仪做旋转运动进行测量，使用图像识别提取激光光条中心，校正线结构光测量起始端点与转台旋转轴线的偏心误差，实现旋转覆盖区域的完整测量，并对倾斜误差进行了补偿，有效保证了测量精度及效率。
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，包括：
获取待测物体线结构光扫描图像序列；
基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
进一步的，所述基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取，具体为：采用适应激光波长的高分辨率CMOS相机获取扫描图像，采用极值法从所述扫描图像中进行激光光条中心提取。
进一步的，所述对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，具体为：基于激光光条中心提取获得的数据点，采用最小二乘法进行数据拟合，获得拟合后的直线，其中，直线拟合满足拟合残差平方和最小。
进一步的，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，包括：在获取激光光条上各采集点的坐标值时，采用如下公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，X，Y为计算所得被测工件表面的二维坐标值，e为偏心误差；θ为起始测量激光光条位置与激光光条的端点和拟合椭圆中心连线的夹角；m v 为激光点与端点之间的距离；α为两条激光光条之间的夹角；u为激光光条相对初始位置转动的次数；v为当前激光光条上第v个测量点。
进一步的，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，还包括：对于被测工件表面采样点的高度值，其计算公式如下：
Figure 931875DEST_PATH_IMAGE002
其中，Z(u,v)为补偿后的被测工件表面高度值；data(u,v)为线激光轮廓仪测量得到的第i行第j列的数据值，γ为倾斜表面与基准面之间的夹角。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量***，包括：
数据获取单元，其用于获取待测物体线结构光扫描图像序列；
光条中心提取单元，其用于基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
起始端点获取单元，其用于基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
旋转偏心误差获取单元，其用于基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
倾斜误差获取单元，其用于基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
补偿单元，其用于基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置，其利用了上述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，所述装置包括：旋转平台、支架以及线激光轮廓仪，所述线激光轮廓仪与所述旋转平台通过双向直线位移平台连接，所述线激光轮廓仪位于所述支架下方，所述支架上设置有载物台和图像采集设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置，所述方案通过精密转台带动线激光轮廓仪做旋转运动进行测量，使用图像识别提取激光光条中心，校正线结构光测量起始端点与转台旋转轴线的偏心误差，实现旋转覆盖区域的完整测量，并对倾斜误差进行了补偿，有效保证了测量精度及效率。
（2）本发明研究了线结构光旋转测量方法，提出利用高精度旋转平台带动线激光轮廓仪旋转运动进行三维表面形貌测量的在位检测方式，适用于运动机构精度不高或无法进行精密直线运动的情况；同时采用极值法对不同位置的激光图像进行处理，基于最小二乘法拟合求解旋转测量过程中线结构光的测量起始端点与转台的旋转中心存在的偏心误差.
（3）本发明对激光轮廓仪获取的测量数据进行三维合成、极坐标化以及误差补偿处理，得到的重构表面可完整准确的反映被测工件的尺寸、形状、表面形貌等信息。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中所述的线激光轮廓仪旋转测量装置结构示意图；其中，1、线激光轮廓仪；2、双向直线位移平台；3、旋转平台；4、支架；5、图像采集设备；6、载物台；
图2（a）和图2（b）为本发明实施例中所述的线结构光与转台旋转中心相对位置和测量区域完整性关系图，其中，图2（a）为不完整测量区域示意图；图2（b）为完整测量区域其意图；
图3为本发明实施例中所述的偏心误差计算程序流程图；
图4为本发明实施例中所述的线结构光旋转测量数据的坐标计算原理示意图；
图5（a）为本发明实施例中所述的激光轮廓仪与旋转平台间倾斜误差的误差原理示意图；
图5（b）为本发明实施例中所述的激光轮廓仪与旋转平台间倾斜误差的补偿原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法。
一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，包括：
获取待测物体线结构光扫描图像序列；
基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
进一步的，所述基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取，具体为：采用适应激光波长的高分辨率CMOS相机获取扫描图像，采用极值法从所述扫描图像中进行激光光条中心提取。
进一步的，所述对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，具体为：基于激光光条中心提取获得的数据点，采用最小二乘法进行数据拟合，获得拟合后的直线，其中，直线拟合满足拟合残差平方和最小。
进一步的，所述基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点，具体方式如下：
由于线结构光图像是一条线段，通过极值法对该线段的中心进行提取，来确定该线段所在直线的拟合方程；已知拟合直线方程，给定一个坐标(该坐标由极值法提取的坐标确定，数值最大或最小的处于端点，再判断，距离拟合圆心最近的为起始点，最远的为结束点)，带入拟合直线方程即可得另一个坐标，起始端点二维坐标值便可确定。
进一步的，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，包括：在获取激光光条上各采集点的坐标值时，采用如下公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中，X，Y为计算所得被测工件表面的二维坐标值，e为偏心误差；θ为起始测量激光光条位置与激光光条的端点和拟合椭圆中心连线的夹角；m v 为激光点与端点之间的距离；α为两条激光光条之间的夹角；u为激光光条相对初始位置转动的次数；v为当前激光光条上第v个测量点。
进一步的，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，还包括：对于被测工件表面采样点的高度值，其计算公式如下：
Figure 530346DEST_PATH_IMAGE004
其中，Z(u,v)为补偿后的被测工件表面高度值；data(u,v)为线激光轮廓仪测量得到的第i行第j列的数据值，γ为倾斜表面与基准面之间的夹角。
具体的，为了便于理解，以下结合附图对本发明所述方案进行详细说明：
如图3所示，提供了一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，本发明使用MATLAB软件实现光条中心提取、运动轨迹拟合和误差计算等，具体步骤包括：
步骤1：获取待测物体线结构光扫描图像序列；
其中，所述步骤1具体为：采用如图1所述的装置，使用CMOS相机拍摄线结构光在不同旋转角度时投射至标准平面的图像。
步骤2：基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
其中，所述步骤2具体为：传统的光条中心提取算法有极值法、灰度重心法、曲线拟合法、阈值法、边缘法、中心法、二值形态学细化法、Steger算法、深度约束法等。其中极值法对于灰度分布满足理想高斯分布的光条中心提取具有非常好的效果，该方法识别灰度的局部极大值，并将此极大值定义为条纹中心线，提取速度快，操作简便，可实现亚像素精度的提取。本发明基于极值法提取光条中心，测量时保证稳定、无杂光干扰的外部环境，同时采用适应激光轮廓仪激光波长的高分辨率CMOS相机，确保足够小的噪声干扰，以获取高信噪比的激光图像。
其中，利用极值法进行光条中心提取的步骤，具体为：极值法从光条局部横截面上寻找亮度分布的极大值作为中心点。
（1）利用激光条纹图像中每一列的最大点作为这一列的中心；
（2）列遍历整幅图像，将所有的最大值点最为光条的能量中心；
（3）拟合中心作为激光条纹的中心线。
步骤3：基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
其中，所述步骤3具体为：
为确定线结构光测量起始端点，需对提取的光条中心进行直线拟合，根据直线拟合方程确定该端点坐标。本发明采用最小二乘直线拟合，其基本原理为：
a)要求的直线方程为式(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(1)
b）假设残差为e i
Figure 813560DEST_PATH_IMAGE006
(2)
c）只要求使
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(残差平方和)最小的k、d的值；
d）设
Figure 573706DEST_PATH_IMAGE008
，要使Q最小，只需要分别对k、d求导使得求导后的两方程为0，联立求出k、d。
式中：x和y为拟合直线方程变量；k和d分别为拟合直线方程斜率和截距；e i为拟合残差；i表示数据点序号；Q为残差平方和。
步骤4：基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
其中，所述步骤4具体包括:
（1）拟合椭圆
由于无法保证相机光轴与线结构光投射平面垂直，测量起始端点圆形运动轨迹会畸变为椭圆，该椭圆的中心与轨迹圆的圆心重合，半长轴与轨迹圆半径相等，利用最小二乘法拟合椭圆方程如公式(3):
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(3)
要求解椭圆方程(3)中的各参数，根据最小二乘原理拟合目标函数F如式(4)，要使F取最小，需如式(5)使F对各参数的偏导为0，可得式(6)，求解可得到各参数，如公式(7)-(11)所示。
Figure 44001DEST_PATH_IMAGE010
(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(5)
Figure 711743DEST_PATH_IMAGE012
(6)
Figure DEST_PATH_IMAGE013
(7)
Figure 583884DEST_PATH_IMAGE014
(8)
Figure DEST_PATH_IMAGE015
(9)
Figure 514931DEST_PATH_IMAGE016
(10)
Figure DEST_PATH_IMAGE017
(11)
式中：(x 0 ，y 0 )为拟合椭圆的中心坐标；a为半长轴；b为半短轴；β为长轴偏角；A、B、 C、D、E为椭圆参数；F(A,B,C,D,E)为目标函数。
（2）偏心误差补偿
线激光轮廓仪测量工件表面时，仅可获取其基准面与被测工件表面之间沿激光光条发射方向的距离信息（Z坐标），若要实现被测工件表面三维形貌的重构，必须对测量数据进行三维合成处理，即对所有测距信息赋予空间位置坐标，因测量路径为线结构光绕转台旋转轴做360°旋转运动，所以需要在极坐标系下计算数据坐标。
如图2（a）和图2（b）所示，为确保在旋转中心处没有数据缺失，实现线结构光有效测量区域覆盖其最远端测量点与转台旋转中心连线的整个圆形区域，需保证线激光轮廓仪发射的线结构光的测量起始端点位于旋转平台的旋转轴线上。然而，一方面激光光条与激光轮廓仪外壳之间的准确位置关系难以确定，另一方面相应工装夹具无法保证足够的精度，无法实现线激光轮廓仪与转台的精准对齐，因此需要在后续的数据处理过程中对该偏心误差进行测量和补偿。
如图1所示，本发明使用CMOS相机拍摄线结构光在不同旋转角度时投射至标准平面的图像，由于拍摄时相机固定，可认为所有图像均处在同一相机坐标系中，因而可通过多幅图像拟合线结构光的测量起始端点做旋转运动的轨迹圆，该圆的半径即为所求的偏心误差。
根据拟合计算得到的椭圆参数，推导实际旋转偏心误差e，即椭圆的半长轴a。如图4所示，连接旋转中心（拟合椭圆的中心）与第一条线结构光的测量起始端点构成一直线段，以此直线段所在的直线为X轴，以旋转中心为原点建立平面直角坐标系，则第一条激光光条的端点坐标可完全确定，为(e，0)。
通过计算直线段与第一条激光光条拟合直线的夹角θ，可确定第一条直线段上所有点的坐标值。线结构光做旋转运动采集数据，采集时间间隔可计算，配合旋转速度则可推导出下一采集位置的激光光条上各采集点的坐标值，以此类推可计算出所有激光光条上各采集点的坐标值如式(12)、(13)。
Figure 738102DEST_PATH_IMAGE018
(12)
Figure DEST_PATH_IMAGE019
(13)
其中，X和Y为计算所得被测工件表面的二维坐标值；e为激光光条端点与拟合椭圆中心的距离，通过在相同焦距下拍摄标准物体确定相机像素距离与实际距离之间的关系，将偏心误差的实际距离计算出来；θ为起始测量激光光条位置与激光光条的端点和拟合椭圆中心连线的夹角；m v 为激光点与端点之间的距离；α为两条激光光条之间的夹角；u为激光光条相对初始位置转动的次数（测量数据行数）；v为本条激光光条上第v个测量点（测量数据列数）。
步骤5：基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
其中，所述步骤5具体为：
如图5(a)所示，线激光轮廓仪与转台之间存在倾斜，导致测量所得的数据存在倾斜误差，该误差会叠加至测量数据的Z值中，最终影响测量精度，因而需要对该倾斜误差进行补偿。
如图5(b)所示，在同一激光光条上的不同位置，倾斜导致的测量误差不同，会在中间位置出现极值且左右对称，通过测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，按式(15)所示进行倾斜误差补偿，可校正由于倾斜导致的测量误差。
Figure 412797DEST_PATH_IMAGE020
(15)
式中：Z(u,v)为补偿后的被测工件表面高度值；data(u,v)为线激光轮廓仪测量得到的第i行第j列的数据值；γ为倾斜表面与基准面之间的夹角。
步骤6：基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种三维形貌的线结构光精密旋转测量***。
一种三维形貌的线结构光精密旋转测量***，包括：
数据获取单元，其用于获取待测物体线结构光扫描图像序列；
光条中心提取单元，其用于基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
起始端点获取单元，其用于基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
旋转偏心误差获取单元，其用于基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
倾斜误差获取单元，其用于基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
补偿单元，其用于基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置。
一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置，其利用了上述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法（此处不再赘述），所述装置包括：旋转平台、支架以及线激光轮廓仪，所述线激光轮廓仪与所述旋转平台通过双向直线位移平台连接，所述线激光轮廓仪位于所述支架下方，所述支架上设置有载物台和图像采集设备。
进一步的，所述双向位移平台实现线结构光端点与其旋转运动中心的偏心误差调整。
进一步的，所述图像采集设备采用适应激光波长的高分辨率CMOS相机。
具体的，本发明搭建了如图1所示的测量平台，将线激光轮廓仪和双向直线位移平台安装至旋转平台上，由转台带动轮廓仪对目标区域进行旋转扫描，获取被测工件的形貌信息，其中双向位移平台实现线结构光端点与其旋转运动中心的偏心误差调整，相机拍摄线结构光位置以计算其旋转运动偏心误差。该检测方法可实现测量设备与多轴精密加工装备的集成，通过该方法的在位旋转测量实现被测工件表面形貌的高精度检测，测量的精度不受设备运动精度的影响。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例一中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一中所述的方法。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
上述实施例提供的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法、***及装置可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，其特征在于，包括：
获取待测物体线结构光扫描图像序列；
基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
2.如权利要求1所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，其特征在于，所述基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取，具体为：采用适应激光波长的高分辨率CMOS相机获取扫描图像，采用极值法从所述扫描图像中进行激光光条中心提取。
3.如权利要求1所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，其特征在于，所述对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，具体为：基于激光光条中心提取获得的数据点，采用最小二乘法进行数据拟合，获得拟合后的直线，其中，直线拟合满足拟合残差平方和最小。
4.如权利要求1所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，其特征在于，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，包括：在获取激光光条上各采集点的坐标值时，采用如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 33230DEST_PATH_IMAGE002
其中，X，Y为计算所得被测工件表面的二维坐标值，e为偏心误差；θ为起始测量激光光条位置与激光光条的端点和拟合椭圆中心连线的夹角；m v 为激光点与端点之间的距离；α为两条激光光条之间的夹角；u为激光光条相对初始位置转动的次数；v为当前激光光条上第v个测量点。
5.如权利要求1所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，其特征在于，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，还包括：对于被测工件表面采样点的高度值，其计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，Z(u,v)为补偿后的被测工件表面高度值；data(u,v)为线激光轮廓仪测量得到的第i行第j列的数据值，γ为倾斜表面与基准面之间的夹角。
6.一种三维形貌的线结构光精密旋转测量***，其特征在于，包括：
数据获取单元，其用于获取待测物体线结构光扫描图像序列；
光条中心提取单元，其用于基于图像处理算法，从每个扫描图像中进行激光光条中心的提取；
起始端点获取单元，其用于基于最小二乘法，对提取的激光光条中心进行直线拟合，获得拟合直线，并基于获得的拟合直线确定线结构光起始端点；
旋转偏心误差获取单元，其用于基于最小二乘法及获得的线结构光起始端点，获得拟合椭圆，并基于获得的拟合椭圆半长轴，获得旋转偏心误差；
倾斜误差获取单元，其用于基于测量倾斜表面与基准平面之间的夹角，获得倾斜误差；
补偿单元，其用于基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，获得待测物体的测量结果。
7.如权利要求6所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量***，其特征在于，所述基于获得的旋转偏心误差及倾斜误差对获得的测距信息进行补偿，包括：在获取激光光条上各采集点的坐标值时，采用如下公式：
Figure 153633DEST_PATH_IMAGE004
其中，X，Y为计算所得被测工件表面的二维坐标值，e为偏心误差；θ为起始测量激光光条位置与激光光条的端点和拟合椭圆中心连线的夹角；m v 为激光点与端点之间的距离；α为两条激光光条之间的夹角；u为激光光条相对初始位置转动的次数；v为当前激光光条上第v个测量点。
8.一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置，其利用了如权利要求1-5任一项所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量方法，所述装置包括：旋转平台、支架以及线激光轮廓仪，所述线激光轮廓仪与所述旋转平台通过双向直线位移平台连接，所述线激光轮廓仪位于所述支架下方，所述支架上设置有载物台和图像采集设备。
9.如权利要求8所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置，其特征在于，所述双向位移平台实现线结构光端点与其旋转运动中心的偏心误差调整。
10.如权利要求8所述的一种三维形貌的线结构光精密旋转测量装置，其特征在于，所述图像采集设备采用适应激光波长的高分辨率CMOS相机。
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