专利名称：便携式无导轨结构光三维扫描测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种逆向工程的测量仪器，更具体的说，本发明涉及一种用于逆向工程的三维扫描测量系统及其测量方法。
背景技术：
逆向工程的执行，需对产品的特性与制作流程有充分的了解，而现实中许多产品是由自由曲面组成的(如摩托车外形设计，模具制造等)，要完成这样的模型的建构，必须对模型上的凹槽、开孔或其他特征做精确的辨识，以完成模型的建构。如何将各点的数据正确无误的处理以建构出有用的曲线、曲面？对此，单纯靠有经验的工程师是不够的，那样可能耗时太长或误差较大，如果配上相宜的仪器，则可达到事半功倍的效果。
目前，用于逆向工程的传统测量仪器在使用中有诸多局限。例如接触式测量，存在速度慢、易造成工件磨损及探头操作局限等问题，而传统的非接触式测量，又存在精度差(10-100um)、测量速度慢(1000-12000点/秒)、误差大等重大缺陷。现有的较成熟的三维测量仪器主要有三坐标测量机，激光扫描仪和光栅测量仪，它们在一定程度上可以进行曲面测量，但还分别存在以下不足所述的三坐标测量机是高精度的接触式测量仪器，每次只能测量一个点，测量速度慢，难于进行曲面的造型设计，而且无法测量软质物体，操作起来非常繁琐；所述的激光扫描仪属于非接触式光学测量仪器，该仪器体积庞大，需要导轨(通常是平移平台和旋转平台)，从而使其精度、速度均受导轨限制，难于实现高精度、高速度的测量，同时由于其有效平台尺寸的限制，又使其测量范围很窄，如果被测产品尺寸变化很多，则需要多台设备才能测量，因此会增加财政负担。另外，激光对工作人员的眼睛也有一定危害；
所述的光栅式三维测量仪采用光栅作为光源，该仪器可以实现对物体外形的非接触三维面测量，大大提高了测量速度(例如德国的ATOS)。但是光栅式测量方法受物体表面颜色的限制，不能测量黑色物体和反光物体，而且在测量时通常需要喷上一层显影剂。
由此可见，开发一种测量精度高、速度快、误差小的扫描测量系统，以适应外形设计中的全方面曲面测量，已成为各个行业对几何量检测与设计的最迫切需求。
发明内容
本发明的目的就是克服以上现有技术的不足，提供一种可靠、实用、操作便捷的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统，以弥补现有技术存在的缺陷。
本发明的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统的组成包括用于建立高精度坐标基准的标定平台；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于提供光源及扩展投射结构光条的商用投影仪；用于采集图像的两个彩色或黑白摄像机；用于放置所述的商用投影仪和所述的两个摄像机的扫描平台；所述的标定平台相对独立设置，其上设置有连接手动螺杆的移动滑块，所述的移动滑块上设置有的标定靶标，所述的标定靶标上设置有用于编写标定程序的标定圆，所述的标定圆为2～50个，最好为20～30个；所述的扫描平台的中间部位设置所述的商用投影仪，所述商用投影仪的两边各固定一个所述的摄像机，并尽量保证所述的摄像机镜头到投影仪的镜头距离相等；所述的计算机设置有双头显卡，其中一个显卡连接显示器，另一个显卡连接商用投影仪，所述的两个摄像机通过USB口连接所述的计算机。
本发明便携式无导轨结构光三维扫描测量系统的工作步骤分为三步(1)标定前准备将设置有所述商用投影仪和所述摄像机的扫描平台移到所述标定平台的前面，打开用于标定的控制程序，确定在控制程序中所述2台摄像机所看到的所述标定靶标的图像清晰之后，进行标定参数的设定。
(2)确定测量基准按5mm～20mm之间的一定步长，对所述的标定圆进行4次步移以上的标定，并计算标定数据的平均误差值，如果其值在0.01-0.04mm之间，则完成标定，开始测量；如果其值超出范围，则重新标定；所述的步长最好为10mm，所述的步移最好为10次。
(3)扫描测量按控制程序中的扫描测量操作流程，对已放置好的被测物体进行三维扫描，其过程是第一步由所述的商用投影仪对被测物体投射中心结构光条；第二步计算机通过所述的摄影机2和3自动采集图像；第三步计算机自动对图像进行平滑、消噪处理；第四步更换角度拍摄被测物体，重复前三步操作，采集至少3幅图像；第五步计算机将所得到的被测物体的三维空间点云数据，输出到surfacer或geomagic等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。
本发明的有益效果是采用无导轨结构，解决了现有的同类仪器易造成工件磨损及探头操作局限等问题；采用面结构光作为测量光源，解决了黑色物体和反光物体的三维测量难题，对被测物的材质和颜色没有限制，扩展了三维测量系统的应用领域，并可满足特殊材料三维检测和重建物体三维形貌的需求。
图1是本发明扫描测量系统各部件的布置、连接示意图；图2是本发明的控制流程图；图3是本发明扫描测量系统中标定平台的结构示意图；图4是图3的左视图；图5是本发明的三维测量界面示意图；图6、图7和图8、图9分别是被测实物与本发明测量效果的比较图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图3、图4所示，本发明便携式无导轨结构光三维扫描测量系统，包括用于建立高精度的坐标基准并提供高精度标定圆的标定平台6、用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机4、通过双头显卡与所述的计算机4相连接的商用投影仪1以及通过USB口与所述的计算机4相连接的两个彩色或黑白摄像机2和3。所述的标定平台6相对独立，其上设置有带手动螺杆10的移动滑块7，所述的移动滑块7上固定安装标定靶标8。该系统各部件的连接方式是所述的商用投影仪1设置在扫描平台的中间部位，两个摄像机2和3分别固定在所述商用投影仪1的两边，并尽量保证两个摄像机2和3的镜头到所述商用投影仪1镜头的距离相等。在此技术方案中，所述的商用投影仪1代替了以往三维扫描仪器的光栅发生器，它的主要作用是为扫描提供光源并利用扩展屏幕投射结构光条。所述的标定平台6用铸铁所造，其材料与重量决定了标定平台6的稳定程度，稳定程度越好，标定的精度也越高，为了方便编写标定程序，在所述的标定靶标8上设置了若干相同直径的标定圆9，并保证同一行任意两个标定圆9之间以及同一列任意两个标定圆9之间的圆心距离相等。为了有效地保证精度，在所述的标定靶标8上可设置若干个标定圆9，最好设置20～30个，30个以上效果更好。这种设置方法，比现有的扫描设备中只设置2个或者3个标定圆的标定平台精度要高。
本发明便携式无导轨结构光三维扫描测量系统的工作步骤是(1)标定前准备将设置有所述商用投影仪1和所述摄像机2、3的扫描平台移到所述标定平台6的前面，打开如图2所示的控制程序，进入如图5所示的三维测量界面，点击“标定”，进入标定界面，调整所述2台摄像机2、3的焦距，并确定在控制程序中所述2台摄像机所看到的所述标定靶标8的图像清晰之后，进行标定圆9的个数以及各标定圆9之间中心间距的设定，并保存设定值。
(2)确定测量基准操作连接移动滑块7的手动螺杆10，按5mm～20mm之间的一定步长，对所述的标定圆9进行4次以上的标定，并计算其平均误差值，如果其平均误差在0.01-0.04mm之间，则完成标定，开始测量；如果标定误差超出范围，则重新进行标定。本应用实施例以10mm为一个步长，对所述的标定圆9进行了10次标定，并计算所标定的10组数据，效果很好。
(3)扫描测量在面对扫描系统的任意位置稳定放置被测物体5，使其没有明显晃动，然后按图2所示控制程序中的扫描测量流程，点击图5所示界面上的“测量”按钮，开始对被测物体5进行三维扫描，所述的扫描过程是第一步由商用投影仪1对被测物体5投射中心结构光条；第二步计算机4通过所述的摄影机2和3自动采集图像；第三步计算机4自动对图像进行平滑、消噪处理；第四步更换角度拍摄被测物体，重复前三步操作，采集至少3幅图像；第五步计算机得到被测物体5的三维空间点云数据，点击图5所示界面的“文件”-“另存为”-将所测得的三维点云数据输出到surfacer或geomagic等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。
本发明与现有技术的便携式光栅三维测量系统的最大区别，是采用面结构光作为测量光源，从而解决了黑色物体和反光物体的三维测量的难题，从图6、图7和图8、图9中可以看出，本发明对普通实物以及黑色物体和反光物体的测量效果图6是石膏像的实物照片，图7是本发明对图6所示石膏像的测量效果图；图8是黑色、反光物体的实物照片，图9是本发明对图8所示黑色、反光物体的测量效果图。
本发明与现有的该类仪器的区别还在于无需任何专门的控制硬件设备，并且不需要专门定做的光栅投影仪；软件则是针对本仪器自主编写的测量程序；标定平台是相对独立的，主要作用是提供高精度的系列圆，以建立高精度的坐标基准；所选用的计算机配置双头显卡，其中一个显卡接显示器，另外一个显卡用于商用投影仪；商用投影仪通过计算机的双头显卡与计算机相连后，可以利用扩展屏幕投射结构光条；彩色或黑白摄像机通过USB口(USB为Intel公司开发的通用串行总线架构，目前普通的商用电脑通常都配置至少四个USB口)与计算机相连；计算机的作用是在本发明中控制投影仪、采集摄像机图像和数据处理。
综上所述，本发明便携式无导轨结构光三维扫描测量系统的优点是(1)体积小(500mm×50mm×100mm)，重量轻(10公斤)，方便携带，可随意搬至被测物所在位置做现场测量；(2)采用无导轨结构，工作方式自由，可调节任意角度作全方位测量，同时解决了现有的同类仪器易造成工件磨损及探头操作的局限等问题；(3)单面测量范围为400mm×500mm，若物体尺寸大，可通过拼接进行无限次的测量，有效地解决对大型工件的分块测量，同时测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体的测量，测量适用范围广；(4)采用面结构光作为测量光源，使其对被测物的材质和颜色没有限制，改变了以往三维光学扫描系统不能对黑色及反光物体扫描测量的现状；(5)采用软件控制程序对摄像机和商业投影仪进行控制；提高扫描测量的准确度；(6)采用双头显卡控制光源，省去了图像控制卡，降低了设备成本；(7)采用单光条定位，多光条扫描的方式，保证了三维测量的可靠性与真实性；(8)采用差分法对图像进行处理，提高了图像处理的准确度，使测量更接近实测量；(9)测量精度高，可达到0.01～0.02mm。
本发明采用结构光非接触照相测量原理和光源投影方式，使其测量精度很高，且应用广泛，适于对任何材料的物体表面(如工件、模型、模具、雕塑、人体等)进行数字化测量。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种便携式无导轨结构光三维扫描测量系统，其特征是，它包括用于建立高精度坐标基准的标定平台；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于提供光源及扩展投射结构光条的商用投影仪；用于采集图像的两个彩色或黑白摄像机；用于放置所述的商用投影仪和所述两个摄像机的扫描平台；所述的标定平台相对独立设置，其上设置有连接手动螺杆的移动滑块，所述的移动滑块上设置有的标定靶标，所述的标定靶标上设置有用于编写标定程序的标定圆，所述的标定圆为2～50个；所述的商用投影仪设置在所述扫描平台的中间部位，所述的2个摄像机设置在所述商用投影仪的两边，所述2个摄像机的镜头到投影仪镜头的距离相等；所述的计算机设置有双头显卡，其中一个显卡连接显示器，另一个显卡连接商用投影仪，所述的两个摄像机通过USB口连接所述的计算机。
2.根据权利要求1所述的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统，其特征是，所述标定靶标上的标定圆为20～30个。
3.一种使用权利要求1所述的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统进行扫描测量的方法，其特征是，它包括如下步骤(1)标定前准备将设置有所述商用投影仪和所述摄像机的扫描平台移到所述标定平台的前面，打开用于标定的控制程序，确定在控制程序中所述2台摄像机所看到的所述标定靶标的图像清晰之后，进行标定参数的设定。(2)确定测量基准按5mm～20mm之间的步长，对所述的标定圆进行4次步移以上的标定，并计算标定数据的平均误差值，如果其值在0.01-0.04mm之间，则完成标定，开始测量；如果其值超出范围，则重新标定。(3)扫描测量按控制程序中的扫描测量操作流程，对已放置好的被测物体进行三维扫描，其过程是第一步由所述的商用投影仪对被测物体投射中心结构光条；第二步计算机通过所述的2台摄影机自动采集图像；第三步计算机自动对图像进行平滑、消噪处理；第四步更换角度拍摄被测物体，重复前三步操作，采集至少3幅图像；第五步计算机将所得到的被测物体的三维空间点云数据，输出到surfacer或geomagic等特定的三维处理软件进行进一步处理，从而建立起物体的三维形貌。
4.根据权利要求3所述的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统进行扫描测量的方法，其特征是，确定测量基准步骤中的所述步长为10mm。
5.根据权利要求3所述的便携式无导轨结构光三维扫描测量系统进行扫描测量的方法，其特征是，确定测量基准步骤中的所述步移为10次。
全文摘要
本发明公开了一种便携式无导轨结构光三维扫描测量系统及其使用方法。该测量系统包括标定平台、计算机、与所述的计算机双头显卡相连接的商用投影仪以及通过USB口与计算机相连接的两个彩色或黑自摄像机；其使用方法包括标定前准备、确定测量基准、扫描测量等步骤。本发明采用无导轨结构，解决了现有的同类仪器测量速度慢、易造成工件磨损及探头操作局限等问题；采用面结构光作为测量光源，解决了黑色物体和反光物体的三维测量难题，对被测物的材质和颜色没有限制，扩展了三维测量系统的应用领域，并可满足特殊材料三维检测和重建物体三维形貌的需求。
文档编号G01B21/00GK1865844SQ200610014189
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者宋丽梅 申请人:天津世纪动力光电科学仪器有限公司, 宋丽梅