二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法
【专利摘要】本发明涉及二维、三维测量技术领域，尤其是公开了一种二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法，包括载物台，可采集待测物体轮廓信息的主动式图像采集模组，连接主动式图像采集模组的控制与数据处理器；主动式图像采集模组包括位于载物台正上方的图像采集模块，位于载物台正下方的平行背光源，以及4个或者4个以上偶数个均匀倾斜分布于图像采集模块外围的结构光投射器；平行背光源能发出垂直于载物台的平行光，结构光投射器能发出与图像采集模块光轴呈一定夹角的结构光。本发明能够全方位、无死角测量被测物体表面二维、三维信息，测量的速度快，精确度高，尤其是能对有深孔、深槽类的表面特征进行准确测量。
【专利说明】
二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法
技术领域
[0001]本发明涉及二维、三维测量技术领域，尤其是涉及一种二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法。
【背景技术】
[0002]三维测量技术应用于工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、虚拟现实等众多领域。巨大的应用市场需求，促使了各种三维测量方法和技术的快速发展，涌现出的商业测量仪器包括接触式的三坐标测量机和关节坐标测量机，以及基于声学、光学和电磁学的非接触式测量设备。随着计算机视觉、数字图像采集技术和精密光学器件的发展，越来越多的三维光学测量技术快速进入商业应用阶段。而基于结构光的三维轮廓测量由于具有无接触、精度高，速度快和自动化程度高的特点，在机器人导航、模具制造、3D打印和在线质量检查等领域得到了广泛的关注和发展。
[0003]目前基于结构光的三维测量仪器或者传感器采用工业相机垂直于载物台安装，光源与工业相机镜头的垂直光轴呈一定的夹角安装，这样会造成被测物体的部分表面无法被光源照射，进而该部分的表面轮廓信息无法获取。虽然通过旋转被测物体的方式能够部分克服该类缺陷，但是使得整体结构复杂化，特征点的匹配和数据拼接计算耗费时间并会不可避免的带来较大误差，并且由于旋转平台代替了平面移动平台，无法测量尺寸较大的物体。更为重要的是，现有的三维轮廓仪对于深孔，深槽等常见的结构形态无法测量。
【发明内容】
[0004]本发明为了克服现有技术的不足，提供一种测量准确性高，速度快，尤其能对深孔、深槽进行测量的二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种二维三维复合式测量仪，包括载物台，可采集待测物体轮廓信息的主动式图像采集模组，连接所述主动式图像采集模组的控制与数据处理器以及支架;所述主动式图像采集模组、载物台以及控制与数据处理器均设于支架上，所述载物台具有用于安置待测物体的透光载物平面，所述主动式图像采集模组包括位于载物台正上方的图像采集模块，位于载物台正下方的平行背光源，以及4个或者4个以上偶数个均匀倾斜分布于图像采集模块外围的结构光投射器;平行背光源能发出垂直于载物台的平行光，所述结构光投射器能发出与图像采集模块光轴呈一定夹角的结构光。本发明若干个结构光投射器设于图像采集模块外围，照射面积大、范围广，能对被测物体表面三维轮廓的进行无死角、全方位的测量；同时平行背光源从载物台下方向上投射平行光照射被测物体，被测物体精确的二维轮廓图像信息被图像采集模块采集，相比于三维测量，通过二维测量更容易精确得到深孔，深槽等常见的结构形态的二维轮廓信息。由于结构光投射器发出的结构光相对于图像采集模块的投射位置和方位固定不变，同时被测物体在X轴、Y轴和Z轴移动距离在图像采集时已精确读取，二维三维数据的融合以及三维数据的拼接计算十分方便。本发明结构紧凑，测量速度快，对表面轮廓非连续变化的被测物体具有良好的适应性，对有深孔、深槽类的表面特征均能够测量。
[0006]进一步地，所述图像采集模块的倾斜角度为30-45°。这样既可以保证整体结构的紧凑，也可以保证结构光能完全照射到待测物体表面时能产生起伏较大的曲面，便于获取检测待测物体表面轮廓信息。
[0007]进一步地，所述结构光投射器包括从上向下依次倾斜分布的第一光源、液晶光栅以及平行光路透镜组。结构光投射器通过第一光源依次发光，并且利用液晶光栅调整结构光的形态从多个角度依次投射到被测物体表面，进一步扩大了照射面积。
[0008]进一步地，所述图像采集模块包括从上向下依次设置的工业相机、双远心光路透镜。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。
[0009]进一步地，所述载物台为可分别调整待测物体在X轴、Y轴及Z轴方向位置的X-Y-Z三轴运动载物台。载物台可在X轴、Y轴和Z轴移动，以提高测量仪的测量范围。
[0010]进一步地，所述X-Y-Z三轴运动载物台包括:X轴平台以及驱动所述X轴平台运动的第一动力装置;Y轴平台以及驱动所述Y轴平台运动的第二动力装置;Z轴平台以及驱动所述Z轴平台运动的第三动力装置;X轴平台与第一动力装置共同设置于Y轴平台上，Y轴平台及第二动力装置共同设置Z轴平台上，Z轴平台通过一固定板安装于支架上，并使得所述图像采集模块的光轴与X轴平台的透光载物平面垂直;Z轴平台与固定板之间通过滑轨与滑块的配合滑动连接。该设置结构简单，控制方便、精确，容易实现。
[0011]进一步地，还包括一可测量X轴平台、Y轴平台及Z轴平台移动距离的光栅尺，所述光栅尺、第一动力装置、第二动力装置、第三动力装置均连接所述控制与数据处理器。X轴平台、Y轴平台及Z轴平台的实际移动距离通过光栅尺精确读取，并反馈至控制与数据处理器实现平移距离的精确控制。
[0012]进一步地，还包括一标定块，所述标定块包括棱锥形的主体，设于主体底部外围的边框，沿边框均匀分布、竖直的方形通孔，沿周向设于主体侧面的波浪形台阶以及设于主体顶端的台面，位于台面中心的圆形通孔;所述主体的侧面数量与结构光投射器的数量相等；每一波浪形台阶由若干单体依次连接而成，每一单体均包括依次连接的一左侧立面、高水平面、右侧立面及低水平面。台面有助于对标定块精确测量时坐标系的建立，圆形通孔可以辅助观察载物台与光轴是否垂直。竖直的方形孔用于采集二维影像数据，波浪形台阶既可以产生诸多的由小平面交汇的点，从而提高标定的精度，又因为波浪形的设计而不至于对光线产生阻挡，波浪形台阶的作用增加三维标定在Z轴方向上的数据点，从而保障测量仪器在其全量程范围内的标定的精度。
[0013]另外，本发明还公开了一种上述二维三维复合式测量仪的数据融合标定方法，包括下述步骤:
(a)建立标定块的三维坐标系，确定坐标原点，利用校准仪器测得标定块所有方形通孔的四个顶点平面坐标，所有方形通孔的四个顶点坐标值集合记为Rxy;测量所有单体的左侧立面、高水平面、右侧立面及低水平面连接处的XYZ坐标，并记录其集合为Rxy;
(b)将标定块放置于所述二维三维复合式测量仪的载物台上，使得标定块外轮廓位于所述主动式图像处理模块的视野范围之内，标定块的每个侧面分别正对一个结构光投射器； (C)通过控制与数据处理器控制所述平行背光源和图像采集模块采集标定块所有方形通孔顶点坐标，记为Mxy;然后再通过控制与数据处理器控制结构光投射器和图像采集模块采集标定块所有单体的左侧立面、高水平面、右侧立面及低水平面连接处的坐标集合，记为Mxy；
(d)解方程组:MXy*U=RXy;MXyZ*V=RXyZ，解方程即可得到标定块测量数据与真实数据之间的变换矩阵U、V、W，完成标定。
[0014]上述标定方法是纯数据驱动的，避免了由于硬件之间的差异造成的模型结构带来的误差，且标定过程简单，容易实现，精确度高。
[0015]综上所述，本发明能够全方位，无死角测量被测物体表面二维、三维信息，测量的速度快，精确度高，尤其是能对有深孔、深槽类的表面特征进行准确测量。
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的主动式图像处理模块结构示意图；
图3为本发明实施例1的主动式图像处理模块与其中一个结构光源结构示意图；
图4为本发明实施例1的X-Y-Z三轴运动载物台结构示意图；
图5为本发明实施例1的标定块结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0018]实施例1
如图1-5所示，一种二维三维复合式测量仪，包括载物台、主动式图像采集模组1、控制与数据处理器3以及支架。所述载物台具有用于安置待测物体的透光载物平面，进而保证光线能穿过该透光载物平面。主动式图像采集模组I可采集待测物体轮廓信息，控制与数据处理器3连接所述主动式图像采集模组I和载物台2。所述主动式图像采集模组1、载物台以及控制与数据处理器3均设于支架上。所述支架包括支撑结构4和连接于支撑结构4上的底座5 ο支架可对整个测量仪起到支撑作用。
[0019]具体的，所述主动式图像采集模组I包括图像采集模块13、平行背光源12以及结构光源模组11，
所述结构光源模组11包括4个结构光投射器111，当然在其他实施例中所述结构光投射器111也可以为4个以上的偶数个。所述图像采集模块13位于载物台正上方，平行背光源12位于载物台正下方，结构光投射器111均匀倾斜分布于图像采集模块13外围，且该结构光投射器111与的倾斜角度为30-45°，且所述结构光投射器111绕工业相机131光轴外围360°均匀布置。平行背光源12能发出垂直于载物台的平行光，所述结构光投射器111能发出结构光，结构光与图像采集模块13光轴呈一定夹角，而图像采集模块13的光轴与平行光平行设置。因结构光投射器111的倾斜角度为30-45°。即结构光投射器111与图像采集模块13之间的角度为30-45°，因而所述结构光与光轴之间的夹角也为30-45°。
[0020]再者，所述结构光投射器111包括从上向下依次倾斜分布的第一光源1111、液晶光栅1112以及平行光路透镜组1113。而所述图像采集模块13包括从上向下依次设置的工业相机131、双远心光路透镜132，所述双远心光路透镜132靠近所述载物台。结构光投射器111投射的结构光线与工业相机131光轴呈现一定夹角以保证被测物体各方向上都能被照射。而平行背光源12从下向上投射的平行光与工业相机131光轴平行。所述第一光源111为LED光源，也可是其他现有的光源。
[0021]如图4所示，所述载物台为X-Y-Z三轴运动载物台2，Χ-Υ_Ζ三轴运动载物台2可分别调整待测物体在X轴、Y轴及Z轴方向位置。即所述X-Y-Z三轴运动载物台2包括:Χ轴平台21以及驱动所述X轴平台运动21的第一动力装置211 ;Υ轴平台22以及驱动所述Y轴平台22运动的第二动力装置221 ;Ζ轴平台23以及驱动所述Z轴平台23运动的第三动力装置231 ;Χ轴平台21与第一动力装置211共同设置于Y轴平台22上，Y轴平台22及第二动力装置221共同设置Z轴平台23上，Z轴平台23通过一固定板24安装于支架上，并使得所述图像采集模块13的光轴与X轴平台21的透光载物平面垂直;Z轴平台23与固定板24之间通过滑轨241与滑块的配合滑动连接。在本实施例中，所述第一动力装置211、第二动力装置221及第三动力装置231为电机，在其他实施例中，还可以气缸等其他动力部件。
[0022]再者，所述X-Y-Z三轴载物台2的被测物体放置区域为玻璃载物面25，即所述透明区域为玻璃载物面25。玻璃载物面25具有良好的透光性，X-Y-Z三轴载物台2下方平行背光源12向上投射的平行光可无遮挡地通过双远心光路透镜组132进入工业相机131。
[0023]优选地，本发明还包括一光栅尺，光栅尺可测量X轴平台21、Υ轴平台22及Z轴平台23移动距离，所述光栅尺、第一动力装置211、第二动力装置221、第三动力装置231均连接所述控制与数据处理器3。
[0024]X轴平台21、Υ轴平台22和Z轴平台23的平移量由控制与数据处理器3分别控制X轴驱动电机211、Υ轴驱动电机221和Z轴驱动电机231实现，各轴的实际平移距离通过光栅尺精确读取，并反馈至控制与数据处理器3实现平移距离的精确控制。
[0025]使用时，将被测物体放置于X-Y-Z三轴运动载物台2上，控制与数据处理器3根据操作员的指令控制载物台的移动，结构光源模组11的四个不同结构光投射器111依次发出结构光，图像采集模块13采集经过结构光调制的被测物体表面信息，平行背光源12发出与载物台垂直的平行光束，图像采集模块13采集到被测物体的二维外轮廓信息，图像采集模块13所收集到的信息通过控制与数据处理器3的处理，得到被测物体的不同位置的表面二维三维轮廓信息。
[0026]所述主动式图像采集模组I根据控制与数据处理器3的指令发光并采集图像，根据图像通过预先设定的方法获取被测物体表面二维三维轮廓信息，控制与数据处理器3根据操作员的设定测量任务计算出测量结果，输出到显示设备。
[0027]绕工业相机131光轴360°均匀布置的多只结构光投射器11通过第一光源1111发光，并由液晶光栅1112控制所用结构光的形态，通过平行光路透镜组1113以一定夹角依次照射到被测物体，被测物体表面图像信息通过双远心光路透镜组132被工业相机131逐一采集。控制与数据处理器3控制载物台的精确移动，可获取不同位置多个视角的表面图像信息并完成二维三维数据的计算和处理。本发明能够获取被测物体的底面投射的二维高精度轮廓信息，并可实现对被测物体表面三维轮廓的几乎无死角全方位测量。融合的二维三维测量数据对表面轮廓非连续变化的被测物体具有良好的适应性，测量仪具备结构紧凑，测量速度快，精度高等特点。
[0028]如图5所示，本发明还设置了一标定块6，所述标定块6包括棱锥形的主体61、边框、竖直的方形通孔62、波浪形台阶、台面64以及圆形通孔65。所述台面64设于主体61的顶端正中间，台面64的边长数量与主体61侧面数量相等，且一一对应设置。所述圆形通孔65设于台面64正中间，且贯穿整个主体61。所述边框设于主体61底部外围，方形通孔62沿边框长度方向均匀分布，波浪形台阶沿周向设于主体61侧面上，且该波浪形台阶竖直凸起于主体61的侧面。所述主体61的侧面数量与结构光投射器111的数量相等；即在本实施例中，结构光投射器111的数量为4个，所述主体61就为四棱锥形，该主体61具有4个侧面。而每一波浪形台阶由若干单体依次连接而成，每一单体均包括依次连接的一左侧立面631、高水平面634、右侧立面632及低水平面633。在本实施例中，所述主体61上的波浪形台阶为3个，而在其他实施例中还可是1-2个或者是3个以上。所述浪形台阶数越多，精确度也越高，但成本越高；相反，而台阶书越少，成本越低，但精度越低。
[0029]实施例2
本实施例是一种利用实施例1所述二维三维复合式测量仪的数据融合标定方法，包括下述步骤:
(a)建立标定块的三维坐标系，确定坐标原点，利用校准仪器测得标定块6所有方形通孔62的四个顶点平面坐标，所有方形通孔62的四个顶点坐标值集合记为Rxy;测量标定块6所有单体的左侧立面631、高水平面634、右侧立面632及低水平面633连接处的XYZ坐标，并记录其集合为Rxy。
[0030](b)将标定块6放置于所述二维三维复合式测量仪的载物台上，使得标定块6的外轮廓完全位于所述主动式图像处理模块I的视野范围之内，标定块6的每个侧面分别正对一个结构光投射器111，在本实施例中所述标定块为四棱锥形，所述结构光投射器111为4个，进而可将标定块6的四个侧面分别正对所述4个结构光投射器111。
[0031](C)通过控制与数据处理器3控制所述平行背光源12和图像采集模块13采集标定块6上所有方形通孔62顶点坐标，记为Mxy;然后再通过控制与数据处理器3控制结构光投射器111和图像采集模块13采集标定块6所有单体的左侧立面631、高水平面634、右侧立面632及低水平面633连接处的坐标集合，记为Mxy;
(d)解方程组:Mxy*U=Rxy;Mxyz*V=Rxyz，解方程即可得到标定块6测量数据与真实数据之间的变换矩阵U、V、W，完成标定。
[0032]显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种二维三维复合式测量仪，包括载物台，可采集待测物体轮廓信息的主动式图像采集模组(1)，连接所述主动式图像采集模组(I)的控制与数据处理器(3)以及支架;所述主动式图像采集模组(I)、载物台以及控制与数据处理器(3)均设于支架上，所述载物台具有用于安置待测物体的透光载物平面，其特征在于:所述主动式图像采集模组(I)包括位于载物台正上方的图像采集模块(13)，位于载物台正下方的平行背光源(12)，以及4个或者4个以上偶数个均匀倾斜分布于图像采集模块(13)外围的结构光投射器(111);平行背光源(12)能发出垂直于载物台的平行光，所述结构光投射器(111)能发出与图像采集模块(13)光轴呈一定夹角的结构光。2.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:所述图像采集模块(13)的倾斜角度为30-45°。3.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:所述结构光投射器(111)包括从上向下依次倾斜分布的第一光源(1111)、液晶光栅(1112)以及平行光路透镜组(1113)。4.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:所述图像采集模块(13)包括从上向下依次设置的工业相机(131 )、双远心光路透镜(132)。5.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于:所述载物台为可分别调整待测物体在X轴、Y轴及Z轴方向位置的X-Y-Z三轴运动载物台(2)。6.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:所述X-Y-Z三轴运动载物台(2)包括:X轴平台(21)以及驱动所述X轴平台(21)运动的第一动力装置(211) ;Y轴平台(22)以及驱动所述Y轴平台(22)运动的第二动力装置(221) ;Ζ轴平台(23)以及驱动所述Z轴平台(23)运动的第三动力装置(231) ;Χ轴平台(21)与第一动力装置(211)共同设置于Y轴平台(22)上，Y轴平台(22)及第二动力装置(221)共同设置Z轴平台(23)上，Z轴平台(23)通过一固定板(24)安装于支架上，并使得所述图像采集模块(13)的光轴与X轴平台(21)的透光载物平面垂直;Z轴平台(23)与固定板(24)之间通过滑轨(241)与滑块的配合滑动连接。7.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:还包括一可测量X轴平台(21)、Υ轴平台(22)及Z轴平台(23)移动距离的光栅尺，所述光栅尺、第一动力装置(211)、第二动力装置(221)、第三动力装置(231)均连接所述控制与数据处理器(3)。8.根据权利要求1所述的二维三维复合式测量仪，其特征在于:还包括一标定块(6)，所述标定块(6)包括棱锥形的主体(61)，设于主体(61)底部外围的边框，沿边框均匀分布、竖直的方形通孔(62)，沿周向设于主体(61)侧面的波浪形台阶以及设于主体(61)顶端的台面(64)，位于台面(64)中心的圆形通孔(65);所述主体(61)的侧面数量与结构光投射器(111)的数量相等;每一波浪形台阶由若干单体依次连接而成，每一单体均包括依次连接的一左侧立面(631)、高水平面(634)、右侧立面(632)及低水平面(633)。9.一种利用权利要求8所述二维三维复合式测量仪的数据融合标定方法，包括下述步骤: (a)建立标定块(6)的三维坐标系，确定坐标原点，利用校准仪器测得标定块(6)所有方形通孔(62)的四个顶点平面坐标，所有方形通孔(62)的四个顶点坐标值集合记为Rxy;测量所有单体的左侧立面(631)、高水平面(634)、右侧立面(632)及低水平面(633)连接处的XYZ坐标，并记录其集合为Rxy ； (b)将标定块(6)放置于所述二维三维复合式测量仪的载物台上，使得标定块(6)的外轮廓位于所述主动式图像处理模块(I)的视野范围之内，标定块(6)的每个侧面分别正对一个结构光投射器(111); (C)通过控制与数据处理器(3)控制所述平行背光源(12)和图像采集模块(13)采集标定块(6)所有方形通孔(62)顶点坐标，记为Mxy;然后再通过控制与数据处理器(3)控制结构光投射器(111)和图像采集模块(13)采集标定块(6)所有单体的左侧立面(631)、高水平面(634),右侧立面(632 )及低水平面(633 )连接处的坐标集合，记为Mxy ； (d)解方程组:Mxy*U=Rxy;Mxyz*V=Rxyz，解方程即可得到标定块(6)测量数据与真实数据之间的变换矩阵U、V、W，完成标定。
【文档编号】G01B11/00GK105841618SQ201610404854
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】文双全, 费正顺, 刘彧鹏, 陈贵
【申请人】杭州汉振科技有限公司