专利名称：一种基于多传感器的三维轮廓测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓的光学检测方法，特
别是一种基于多传感器的复杂曲面360度三维轮廓测量装置及其测量方 法。
背景技术：
近年来，物体三维轮廓检测技术的应用日益普及，广泛地应用于产 品设计、质量控制、逆工程仿真、机器视觉以及生物医疗等领域。在工 业生产中，对诸如航空发动机叶片、汽轮机叶片、伞形齿轮、螺旋齿轮 等复杂精密零件的轮廓进行测量对于控制产品质量有着重要意义。
现有的物体三维轮廓测量方法有许多种，大体分为三种，分别是三
坐标测量机测量、立体视觉测量法和结构光测量法，其中
1) 三坐标测量机测量效率低，不适合零件的批量检测；
2) 立体视觉测量法精度有限，不适合精密零件的检测；
3) 结构光测量法又可分为点结构光测量、面结构光测量和线结构光 测量三类。其中，点结构光测量速度慢效率低；面结构光测量易受零件 表面反射率的干扰，精度较低；所以点结构光测量和面结构光测量方法 均不适合工业现场对精密复杂零件的批量轮廓测量。
线结构光测量法，又称光切法，是以一条或多条光线(光刀)图像 来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三 角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该方法由于采用的是线光源投影，每次可测一个剖面的数据，测量速度较逐点测 量法快，并且，只需要一维的辅助扫描运动装置就可以实现完全形面测 量。信号的处理简单可靠，无须复杂条纹分析就能唯一确定各个测量点 的高度信息，自动分辨物体凹凸，即使物体上有断点使图样不能连续， 也不会影响测量。在诸多测量方法中，线结构光三维测量以其大量程、 大视场、较高精度、光刀图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特 点，近年来在工业环境中得到了广泛的应用。但传统的线结构光测量方 法是基于单传感器的，每次只能测量一个方向上的物体轮廓，对于叶片、 齿轮这样具有360度轮廓的零件测量则无法胜任。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于多传感 器的三维轮廓测量装置及其测量方法，该装置配合其测量方法可以快速
实现零件复杂曲面的360度三维轮廓测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的-
这种基于多传感器的三维轮廓测量装置，包括底板，固定于底板上 的垂直移动平台，经支撑杆水平向固定于底板上的工作台面以及设于工
作台面上的光测量传感器组件，其特征在于，所述垂直移动平台上设有 步进电机和丝杠，所述丝杠上安装有载物台，载物台设于工作台面的下 方，所述载物台上设有夹具，所述工作台面的中心开设有测量孔，所述 工作台面上设有四个或四个以上光测量传感器组件，所述光测量传感器 组件均匀分布于测量孔的周围，所述光测量传感器组件包括激光器、摄 像机和摄像机支架，所述摄像机支架下端扣设于组件导轨上，所述组件导轨固定于工作台面上，摄像机安装于摄像机支架上，所述激光器固定 设于工作台面上。
上述光测量传感器组件由一个摄像机支架、 一个激光器和一个摄像
机组成，所述摄像机为100万像素以上，其镜头焦距在8 100mm之内， 所述四个或四个以上的光测量传感器组件呈对称分布，相邻光测量传感 器组件间的夹角为0 90度。
上述摄像机支架包括滑块、摄像机轨道、手动位移台和摄像机套筒， 所述滑块安装于组件导轨上，滑块上还设有定位螺钉，滑块经连接肋与 倾斜布置的摄像机轨道固定连接，摄像机轨道上安装有可滑动的手动位 移台，手动位移台上固定设有摄像机套筒，所述摄像机安装于摄像机套 筒内，且在摄像机套筒内还设有摄像机定位螺杆。
上述摄像机的图像输出端经图像卡与计算机连接。 一种上述装置的三维轮廓测量方法，具体包括以下步骤-
1) 首先将被测物装夹在载物台的夹具上，调节载物台在垂直移动平 台上的高度，使被测物由测量孔穿过并处于工作台面上；
2) 打开激光器，各激光器同时从不同角度照射被测物截面，各摄像 机从不同角度拍摄光刀图像；
3) 载物台在步进电机和丝杠的带动下在垂直方向作一维运动，使被 测物的整个表面都被激光器照射到；
4) 当摄像机拍摄到被测物整个表面的图像数据后，将各摄像机得到 的图像经图像卡分别送入计算机，由数据处理软件依次进行光刀中心提取和坐标转换，经坐标转换后进行轮廓拼接，最终获得被 测物整个表面的三维信息。
上述光刀中心提取的方法为首先提取光刀的骨架，然后求取骨架 上每一像素点的法线方向，具体为沿着骨架上的像素点进行曲线拟合， 曲线拟合的方法为取10个象素点利用j^W+6;c+c进行二阶拟合，设(x。， j;。) 为像素点的坐标，则0c。，凡)点的斜率为 2^+6，如果1=0，则加权平均方 向为y方向，如果t^0，则(x。，凡)点的法线斜率为n=_l/t，加权平均方 向为法线方向；计算出图像的骨架上各点的法线方向后，求取光刀在其法 线方向上的灰度分布；最后利用灰度重心法求出该光刀的重心位置，即为 被测物体在该处的轮廓点位置，将这些轮廓点连接起来就形成了截面的 轮廓线。
上述坐标转换是指将光刀中心图像平面坐标转换为光刀中心图像物 理实际平面坐标，具体如下
设(",v)是光刀中心图像平面坐标，(z,;r)是光刀中心图像物理实际平
面坐标，它们之间的坐标转换关系如下 f(碼+}%2+ /23)_ M(碼+ }728 + 1)= 0
1(為+ J7 5 + & )- V(為+ 7/28 + 1) = 0
其中，/^[4&& /25&^/^为摄像机参数向量，经过摄像
机参数向量标定确定。所述摄像机参数向量//的标定方法如下
制作一个物理实际平面坐标已知的标定靶面，设靶面上的7V个实际
景物点的物理实际平面坐标为(、,凡)，"=l,2...iV，通过摄像机采集对应像素点的图像坐标("",O， n^,2…7V，由下面的联立方程(iV = 4):
力1000一，V
000乃1vl
x2少21000
000y21一 V2X2—v2y2v2
x3力1000—"3^3"3
000x31U3V3
x4少41000一 W4乂4"4
000x41—v4x4A.—V4 —
依次求出各个摄像机的标定矩阵/^^ & & ^ A5 & & ;g、 完成摄像机参数向量标定。
本发明的基于多传感器的三维轮廓测量装置及其测量方法采用多个 光测量传感器组件同时对被测物进行线结构测量，然后通过计算机进行 图像拼接，可以准确测出具有360度轮廓的零件，本发明具体具有以下 几点优越性
1) 通过多个光测量传感器组件的配置提高了测量速度，为工业现场
零件的批量检测提供了有效的技术手段；
2) 可以根据被测零件的表面形状特点调节视场和放大率，适用于如 叶片、伞齿轮等传统方法无法有效测量的复杂曲面的测量；
3) 本发明的基于多传感器的三维轮廓测量装置只有一维的升降运 动，有效减少了误差来源，提高了测量精度；
4) 本发明操作简便、易用性好。利用计算机协同处理图像，实现了 测量的自动化。
图1为本发明的基于多传感器的三维轮廓测量装置结构示意图；图2为本发明的光测量传感器组件结构示意其中l为组件导轨；2、 3、 4和5均为光测量传感器组件；6为工 作台面；7为激光器；8为夹具；9为载物台；10为底板；11为垂直移动 平台；12为定位螺钉；13为摄像机支架；14为手动位移台；15为摄像 机套筒；16为摄像机定位螺杆；17为摄像机；18为镜头；19为支撑杆; 20为测量孔；21为摄像机轨道；22为滑块；23为步进电机。
图3为本发明的轮廓拼接示意图4为航空发动机叶片的测量结果图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述
图1为本发明的基于多传感器的三维轮廓测量装置结构示意图，这 种基于多传感器的三维轮廓测量装置，包括底板io，固定于底板10上的 垂直移动平台11,经支撑杆19水平向固定于底板10上的工作台面6以 及设于工作台面6上的四个或四个以上光测量传感器组件，图1为本发 明的一种实施例，其在工作台面6上设置了四个光测量传感器组件2、 3、 4和5，工作台面6的中心开设有测量孔20，所述垂直移动平台11为一 下大上小的楔形块，其上设有步进电机23和丝杠，步进电机23安装在 垂直移动平台11的上端，其输出轴与丝杠轴连接，丝杠垂直安装在垂直 移动平台11内侧的垂直面上并且丝杠上安装有载物台9，载物台9是通 过移动块套装在丝杠上，步进电机23驱动丝杠转动从而带动载物台9进 行一维垂直移动。载物台9设于工作台面6的下方，载物台9上设有夹 具8，所述夹具8处于测量孔20的正下方，光测量传感器组件2~5分布于所述测量孔20的周围。
图2为光测量传感器组件结构示意图，所述光测量传感器组件2~5 包括激光器7、摄像机17和摄像机支架13，所述摄像机支架13下端扣 设于组件导轨1上，'所述组件导轨1固定于工作台面6上。摄像机支架 13包括滑块22、摄像机轨道21、手动位移台14和摄像机套筒15，摄像 机支架13经其下端的滑块22安装于组件导轨1上，可在组件导轨1上 轴向自由滑动，组件导轨l固定设于工作台面6上，滑块22上还设有定 位螺钉12，用于将滑块22固定于组件导轨1上，滑块22经连接肋与倾 斜布置的摄像机轨道21固定连接，摄像机轨道21上安装有可沿摄像机 轨道21斜向滑动的手动位移台14，手动位移台14上固定设有摄像机套 筒15，摄像机17安装于摄像机套筒15内，且在摄像机套筒15内还设有 用于定位摄像机17的摄像机定位螺杆16,镜头18安装于摄像机套筒15 的外侧下部，镜头18朝向工作台面6上的测量孔方向。摄像机17的图 像输出端经图像卡与计算机连接。激光器7固定设于组件导轨1旁边的 工作台面6上，每个光测量组件配有一个激光器7，激光器7发出的光是 射向工作台面6的测量孔20方向。
所述的光测量传感器组件由一个摄像机支架13、 一个激光器7和一 个摄像机17组成，摄像机17为100万像素以上，其镜头焦距在8 100mm 之内，长焦镜头(焦距〉30mm)的摄像机17负责测量小尺寸轮廓(半径 <3mm)，短焦镜头(焦距〈30mm)摄像机17负责测量大尺寸轮廓(半 径〉3mm)，所述四个或四个以上的光测量传感器组件呈对称分布，相邻 光测量传感器组件间的夹角为0 90度。图1中的四个光测量传感器组件2 5间夹角为90度。
利用图1所示的基于多传感器的三维轮廓测量装置的具体测量方法
如下
1) 首先将被测物装夹在载物台9的夹具8上，通过步进电机23 调节载物台9在垂直移动平台11上的高度，使被测物由测量孔20穿过 并处于工作台面6上；通过手动位移台14调节摄像机17的镜头18的位 置，使其能够拍摄到最佳的图像；
2) 打开激光器7，各激光器7同时从不同角度照射被测物截面， 各摄像机17从不同角度拍摄光刀图像；
3) 载物台9在步进电机23和丝杠的带动下在垂直方向作一维运 动，使被测物的整个表面都被激光器7照射到；
4) 当摄像机17拍摄到被测物整个表面的图像数据后，将各摄像 机17得到的图像经图像卡分别送入计算机，由数据处理软件依次进行光 刀中心提取和坐标转换，经坐标转换后进行轮廓拼接，所述的轮廓拼接 就是将各摄像机17转换得到的图像点的物理实际平面坐标整合到一起， 最终获得被测物整个表面的三维信息。
光刀中心提取的方法为首先提取光刀的骨架，然后求取骨架上每 一像素点的法线方向，具体为沿着骨架上的像素点进行曲线拟合，曲线 拟合的方法为取10个象素点利用7=0^+^化进行二阶拟合，设(x。，凡)为像 素点的坐标，则 >0点的斜率为/=2^+6，如果ti，则加权平均方向为 y方向，如果t^0，则(x。，凡)点的法线斜率为n=-1/t，加权平均方向为法线方向；计算出图像的骨架上各点的法线方向后，求取光刀在其法线方 向上的灰度分布；最后利用灰度重心法求出该光刀的重心位置，即为被测 物体在该处的轮廓点位置，将这些轮廓点连接起来就形成了截面的轮廓 线。
灰度重心法是直接依据光条在某一区间内灰度值的排列，沿横坐标取灰 度重心来代表光刀中心位置，这种方法能够精确地定位光条的高斯分布中 心。重心法就是对图像中的每一行，按下述公式提取灰度重心作为光刀的中 心位置。设在图像的一行上，光刀像素的"坐标为"m U = 0，1,2,…A)，其 灰度值为g附(m-0，l,2,…W)，其中W为光刀像素的个数。
利用重心公式可得到光刀的中心位置""
重心法的运算速度较快，尤其在对图像进行滤波去噪和确定边缘像 素后，再采用重心法求取光刀中心可以得到亚象素的精度。
以上如何得到光刀的骨架是非常重要的一步，通过对其分析可知图像 的骨架应该位于光刀图像的中心，能够充分的表现出光刀的走向，并且 具有单一连通性。通常情况下，对光刀图像进行细化得到的线条基本可 以满足这些要求。得到骨架的细化过程就是重复地剥掉二值图像的边界像 素，直到获得一条单像素宽的连通线(骨架)的过程。但是剥离边界像素时 必须保持目标的连通性，即不能改变原图像的拓扑性质。可以用多种方法对 二值图像进行细化。其中，采用模板进行细化的方法较为常用。
以上所述坐标转换是指将光刀中心图像平面坐标转换为光刀中心图像物理实际平面坐标，光刀中心图像平面坐标是摄像机采集图像后经过 光刀中心提取处理得到的截面轮廓线上的各点在本摄像机下的坐标值， 物理实际平面坐标是指在各摄像机外选取一个共同的原点，以此原点为 基准的各像素点的坐标值，坐标转换的方法具体如下
设(","是光刀中心图像平面坐标，(x，:r)是物理实际平面坐标，它们
之间的坐标转换关系如下
'(马+ 7/z2 + /z3)- w(碼+ a +1)= 0 < (^24 +1725 + /z6)- v(， + 77z8 +1) = 0
其中，&&/Z4/Z5&&/2^为摄像机参数向量，经过摄像
机参数向量标定确定。摄像机参数向量^的标定方法如下
制作一个物理实际平面坐标己知的标定靶面，设靶面上的w个实际 景物点的物理实际平面坐标为(、,凡)，"",2…iV，通过摄像机采集对应像 素点的图像坐标("n,vj， "d,2…7V，由下面的联立方程(7V = 4):
"I1000一罕,-"1乂_
000乂1—"l乂vl
x21000
000x21—v2x2
x3y31000&w3
000x3 V31u3v3
x41000一 W4X4一
000x4^41—v4x4—v4x4 ——V4 —
依次求出各个摄像机的标定矩阵/^[A & & & & w、 完成摄像机参数向量标定。 实施例下面以航空发动机叶片轮廓测量为例对本发明的可行性进行分析。 本实施例中所使用的基于多传感器的三维轮廓测量装置是如图1所示的 具有四个光测量组件的装置。
1. 测量开始前，需要做下面一系列的准备工作
(1) 首先调整四个激光器7在同一平面内，具体的实施方法是用垂 直屏接受任意两个激光器7发出的光刀，当接受屏由远到近和由近及远 的移动过程中，两把光刀始终显示为在一条直线上，这时我们认为这两 把光刀已经在同一水平面内，即激光器7也在同一水平面内；
(2) 将航空发动机叶片装夹于夹具8上；
(3) 粗测被测叶型的范围，叶背和叶盆的最大宽度约为50mm，而 前缘和后缘只是很小的圆弧形曲面，只能大概看出其曲面特性。调节摄 像机支架13在组件导轨1上的位置，并调整摄像机17的焦距，驱动步 进电机使载物台9运动，保证在航空发动机叶片升降的过程中，各个光 测量传感器组件的摄像机17的视场都足够的大，且拍摄到的光刀图像不 出现断线情况。
2. 采集图像
摄像机支架13和摄像机17的位置确定好之后，放上标定模版，微 调摄像机定位螺杆14使摄像机采集图像的中心十字与标定模版的中心十 字重合，采集标定图像。之后放上航空发动机叶片，根据光刀的宽度及 步进电机的步长，确定每200步即0.05mm采集一次被测物图像。
3. 多传感器数据拼接
将各摄像机得到的图像经图像卡分别送入计算机，由数据处理软件依次进行光刀中心提取和坐标转换，当将得到的图像数据经过坐标转换 后，进行轮廓拼接处理，所述的轮廓拼接就是将各摄像机转换得到的图 像点的物理实际平面坐标整合到一起，如图3所示，最终获得航空发动 机叶片整个表面的三维信息，拼接后的航空发动机叶片轮廓如图4所示。 综上所述，本发明的基于多传感器的三维轮廓测量装置及其测量方 法的一个优点是通过多传感器的配置提高了测量速度，为工业现场零件 的批量检测提供了快速有效的技术手段，另外本发明可以根据被测零件 的表面形状特点调节视场和放大率，适用于如叶片、伞齿轮等传统方法 无法有效测量的复杂曲面的测量，除此外，本发明的测量装置在测量时 只有一维的升降运动，减少了误差来源，提高了系统的测量精度，并且 这种装置操作简便、易用。
权利要求
1. 一种基于多传感器的三维轮廓测量装置，包括底板(10)，固定于底板(10)上的垂直移动平台(11)，经支撑杆(19)水平向固定于底板(10)上的工作台面(6)以及设于工作台面(6)上的光测量传感器组件，其特征在于，所述垂直移动平台(11)上设有步进电机(23)和丝杠，所述丝杠上安装有载物台(9)，载物台(9)设于工作台面(6)的下方，所述载物台(9)上设有夹具(8)，所述工作台面(6)的中心开设有测量孔(20)，所述工作台面(6)上设有四个或四个以上光测量传感器组件，所述光测量传感器组件均匀分布于测量孔(20)的周围，所述光测量传感器组件包括激光器(7)、摄像机(17)和摄像机支架(13)，所述摄像机支架(13)下端扣设于组件导轨(1)上，所述组件导轨(1)固定于工作台面(6)上，摄像机(17)安装于摄像机支架(13)上，所述激光器(7)固定设于工作台面(6)上。
2. 根据权利要求1所述的基于多传感器的三维轮廓测量装置，其特征在于， 所述光测量传感器组件由一个摄像机支架(13)、 一个激光器(7)和一个 摄像机(17)组成，所述摄像机(17)为100万像素以上，其镜头焦距在 8 100mm之内，所述四个或四个以上的光测量传感器组件呈对称分布， 相邻光测量传感器组件间的夹角为0 90度。
3. 根据权利要求1所述的基于多传感器的三维轮廓测量装置，其特征在于， 所述摄像机支架(13)包括滑块(22)、摄像机轨道(21)、手动位移台(14) 和摄像机套筒(15)，所述滑块(22)安装于组件导轨(1)上，滑块(22) 上还设有定位螺钉(12)，滑块(22)经连接肋与倾斜布置的摄像机轨道(21) 固定连接，摄像机轨道(21)上安装有可滑动的手动位移台(14)，手动位 移台(14)上固定设有摄像机套筒(15)，所述摄像机(17)安装于摄像机套筒(15)内，且在摄像机套筒(15)内还设有摄像机定位螺杆(16)。
4. 根据权利要求1所述的基于多传感器的三维轮廓测量装置，其特征在于， 所述摄像机(17)的图像输出端经图像卡与计算机连接。
5. —种基于权利要求1所述装置的三维轮廓测量方法，其特征在于，具体包 括以下步骤1) 首先将被测物装夹在载物台(9)的夹具(8)上，调节载物台(9)在 垂直移动平台(11)上的高度，使被测物由测量孔(20)穿过并处于工 作台面(6)上；2) 打开激光器(7)，各激光器(7)同时从不同角度照射被测物截面，各 摄像机(17)从不同角度拍摄光刀图像；3) 载物台(9)在步进电机(23)和丝杠的带动下在垂直方向作一维运动， 使被测物的整个表面都被激光器(7)照射到；4) 当摄像机(17)拍摄到被测物整个表面的图像数据后，将各摄像机(n) 得到的图像经图像卡分别送入计算机，由数据处理软件依次进行光刀中 心提取和坐标转换，经坐标转换后进行轮廓拼接，最终获得被测物整个 表面的三维信息。
6. 根据权利要求5所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，所述光刀中心提 取的方法为首先提取光刀的骨架，然后求取骨架上每一像素点的法线方 向，具体为沿着骨架上的像素点进行曲线拟合，曲线拟合的方法为取10 个象素点利用y^^+te+c进行二阶拟合，设0c。， j。)为像素点的坐标，则"，J。) 点的斜率为/=2^+6,如果{=0，则加权平均方向为y方向，如果t^0，则 (x。，凡)点的法线斜率为n=-1/t，加权平均方向为法线方向；计算出图像的骨架上各点的法线方向后，求取光刀在其法线方向上的灰度分布；最后利用 灰度重心法求出该光刀的重心位置，即为被测物体在该处的轮廓点位置，将 这些轮廓点连接起来就形成了截面的轮廓线。
7. 根据权利要求5所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，所述坐标转换是 指将光刀中心图像平面坐标转换为光刀中心图像物理实际平面坐标，具体 方法如下设(","是光刀中心图像平面坐标，(U)是光刀中心图像物理实际平面 坐标，它们之间的坐标转换关系如下<formula>formula see original document page 4</formula>其中，；^[a & & & & & ^ /^r为摄像机参数向量，经过摄像机参 数向量标定确定。
8. 根据权利要求7所述的三维轮廓测量方法，其特征在于，所述摄像机参数向量A的标定方法如下制作一个物理实际平面坐标己知的标定靶面，设靶面上的iV个实际景物点的物理实际平面坐标为0c",;o，通过摄像机采集对应像素点的图像坐标为("",O，其中"d,2…iV，且iV-4，根据下面的联立方程<formula>formula see original document page 4</formula>依次求出各个摄像机的标定矩阵/^K & ^ //4 & & w、完成 摄像机参数向量标定。
全文摘要
本发明涉及一种基于多传感器的三维轮廓测量装置及其测量方法，包括底板，垂直移动平台，工作台面以及光测量传感器组件，所述工作台面上设有四个或四个以上光测量传感器组件，所述光测量传感器组件均匀分布于测量孔的周围，光测量传感器组件包括激光器、摄像机和摄像机支架，摄像机支架下端扣设于组件导轨上，组件导轨固定于工作台面上，摄像机安装于摄像机支架上，激光器固定设于工作台面上。本发明通过多光测量传感器组件提高了测量速度，为工业现场零件的批量检测提供了有效的技术手段；本发明根据被测零件的表面形状特点调节视场和放大率，适用于如叶片、伞齿轮等传统方法无法有效测量的复杂曲面的测量。
文档编号G01B11/24GK101458072SQ20091002083
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者乐开端, 翔 周, 张维光, 宏 赵 申请人:西安交通大学