专利名称：一种大型薄壳物体表面的三维检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明属于三维传感技术领域，尤其涉及一种大型薄壳物体表面的三维检测系统 及其检测方法。
背景技术：
随着工业的发展，对大型三维物体(特别是具有特殊形状)的表面三维自动检测 要求越来越苛刻，不仅需要快速、高精度的测量物体表面三维深度数据，还要求在较少的时 间内完成与CAD模型的比较并自动生成检测报告。目前，对大型物体的三维测量方法可分 为摄影测量、三座标测量机、线激光及结构光等方法。其中摄影测量方法精度较高，但需要 在被测物体表面粘贴标记点，仅能获取这些标记点的尺寸，数据过于稀疏，难以应用于物体 表面的高密度测量。而三座标测量机采用逐点测量方法，测量速度太慢，而且针对大物体测 量需设计更大尺寸的三座标测量机，加工制造困难。线激光测量采用线扫描原理获取三维 深度数据，测量速度较慢，对于大尺寸、薄壳、箱状物体的表面尺寸测量，需要测量物体的所 有内、外表面，一方面，被测物体的特殊形状会造成其传感器设计较困难；另一方面，由于待 测量区域过大，测量时间存在问题。此外，三维在线检测是在三维测量基础上，提出了更高 的要求第一，系统受到生产线环境的限制；第二，系统受到测量时间的限制；第三，需要对 长、宽、高、壁厚、底厚等几何尺寸进行检测；第四，需要将测量数据与CAD模型进行比对，检 测出差距较大区域。故目前现有的针对大尺寸、薄壳、箱状物体的检测装置少之甚少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对大尺寸、薄壳、箱状物体，提供一种速度快、精度 高、数据密度高、多传感器协同测量的物体表面三维测量及模型比对检测方法，以完成物体 的在线表面检测。本发明是这样实现的，一种大型薄壳物体表面的三维检测方法，包括以下步骤步骤a，控制被测物体以每次90度的方式旋转4个角度，并在每次旋转之后，通过 第一组传感器采集被测物体内侧面及内底面的三维深度数据，通过第二组传感器采集被测 物体外底面的三维深度数据，通过第三组传感器采集被测物体外侧面的三维深度数据；步骤b，将所述第二组传感器和所述第三组传感器采集的三维深度数据均统一到 所述第一组传感器所在的坐标系；步骤c，由被测物体的旋转轴位置与旋转角度获取每次旋转产生的刚体变换；步骤d，以所述刚体变换作为初始值，将四个角度拍摄的三维深度数据匹配到同一 坐标系，并将测量的三维深度数据与CAD模型进行匹配，并比对得到被测物体的相关尺寸。本发明还提供了一种大型薄壳物体表面的三维检测系统，包括可旋转的支架平台，用于放置被测物体；三组传感器，其中第一组传感器用于采集被测物体内侧面及内底面的三维深度数 据，第二组传感器用于采集被测物体外底面的三维深度数据，第三组传感器用于采集被测物体外侧面的三维深度数据；测试用计算机，用于控制所述可旋转的支架平台以每次90度的方式旋转4个角 度，并在每次旋转之后，将所述第二组传感器和所述第三组传感器采集的三维深度数据均 统一到所述第一组传感器所在的坐标系；还用于由被测物体的旋转轴位置与旋转角度获取 每次旋转产生的刚体变换，并以该刚体变换作为初始值，将四个角度拍摄的三维深度数据 匹配到同一坐标系，并将测量的三维深度数据与CAD模型进行匹配，并比对得到被测物体 的相关尺寸。本发明中，首先通过三组传感器从被测物体上、中、下的角度向被测物体表面投射 条纹，并采集变形条纹图，获取相位分布信息，结合相位与深度映射原理获取各个视场的三 维深度数据；由多传感器标定信息匹配三个传感器获取的深度数据，并将多角度数据匹配 到同一坐标系；尺寸获取与模型比对，将测量的三维数据与CAD模型匹配起来，计算所有测 量点到CAD模型的距离，获取物体的内侧面、外侧面、内底面、外底面误差分布伪彩图，由射 线跟踪等方法计算物体的长、宽、高、壁厚等相关尺寸。测量方法结构简单、灵活、无接触、 成本低、精度高、测量范围大、数据密度高，可以完成对大尺寸、薄壳物体的高密度测量与检 测。
图1是本发明实施例提供的检测系统场景布置示意图；图2是本发明实施例提供的传感器测量原理示意图；图3是本发明实施例提供的传感器标定原理示意图；图4是本发明实施例提供的标靶实物图；图5是本发明实施例提供的标定三个传感器相对位姿示意图；图6是本发明实施例提供的物体表面采样示意7是本发明实施例提供的大型薄壳物体表面的三维检测方法的实现流程图,
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。本发明实施例中，将相位映射技术、计算机视觉技术及计算机图形学技术相结 合，使用三组传感器实现大尺寸、薄壳、箱状物体表面尺寸测量及在线检测。本发明实施例提供的检测过程可分为4个阶段，即检测现场布置规划、传感器系 统标定、多传感器控制及测量、多视场测量数据匹配、物体尺寸(长、宽、高、壁厚、表面平整 度等)计算及与标准CAD模型比对。主要原理如下1.检测现场布置规划阶段1. 1在生产线上，搭建可旋转的支架平台，用于放置被检测的箱状物体，为了无遮 挡的获取物体底面数据，采用四支细柱，焊接与旋转台之上，四根支柱用于支撑被测物体， 其中一根支柱可作为基准，标识出物体放置的位置。1. 2在测量现场安装三套相位结构光测量传感器，为尽可能扩大数据的采集范围，采用上、中、下合理布置传感器位姿。2传感器测量系统的标定阶段2. 1标靶的制作，即在物体内外表面粘贴大量编码标记点，结合摄影测量方法计算 标记点的空间三维坐标，作为传感器标定的标靶，标靶定位精度在0. 02mm以内。2. 2在三个传感器的拍摄视场范围之内，旋转、平行移动标靶4到8个位置，每移动 一个位置，拍摄一幅标靶图像；2. 3自动识别并提取图像上，标靶的圆形标记点坐标，使用编码信息唯一识别标志 点，使用亚像素边缘提取算法，提取标记点边缘，并拟合椭圆，获取椭圆圆心坐标。2. 4利用提取的标记点图像坐标与其相应的空间三维坐标，标定每个传感器的内 外参数，以及三个传感器之间的结构参数。3多传感器控制及测量阶段3. 1利用一台计算机控制3套传感器(共3个投影装置与6个(XD摄像机)，采取 模块化程序设计，包括一个程序控制模块、采集模块、一个标定模块、一个匹配模块、一个比 对模块及显示模块；3. 2由传送机构将被测物体运输到测量支架平台上，物体四个角分别对应四个支 架；3. 3控制转台旋转4个角度(每次90度)，在每个角度，三套传感系统各拍摄一组 深度数据；4多视场测量数据匹配阶段4. 1利用已标定的三个传感系统的结构参数，将一个角度获取的3个深度数据进 行同一坐标系转换；4. 2由旋转台转轴位置与标定信息，计算每次旋转产生的刚体变换；4. 3以该刚体变换作为初始值，利用最近点迭代算法将四个角度拍摄的深度数据 匹配在统一坐标系。5物体尺寸计算及与标准CAD模型比对5. 1利用最近点迭代方法，将测量的三维数据与CAD模型匹配起来，计算所有测量 点到CAD模型的距离；5. 2统计计算的距离数值，用各种颜色的地形图标识出模型的比对误差，包括物体 的内侧面、外侧面、内底面、外底面等；5. 3由射线跟踪等方法计算物体的长、宽、高、壁厚等相关尺寸。基于以上各阶段的规划原理即可进行现场布置检测了。与上文相对应描述如下在线检测现场布置图1是检测系统场景布置示意图。图1中，101是(XD摄像机1，102是(XD摄像机 2，103是(XD摄像机3，104是(XD摄像机4，105是(XD摄像机5，106是(XD摄像机6，107 是投影机1，108是投影机2，109是投影机3，110是被测物体，111是支柱，112是转台。其 中，101、102与107组成第一组传感器1，103、104与108组成第二组传感器2，105、106与
109组成第三组传感器3。三个传感器及被测物体相对位置如图1所示，传感器1置于靠上位置，距地面约 2200mm,向下俯视，与水平面夹角约45度，用以获取物体内侧面与内底面数据；传感器2置于靠下位置，距地面约200mm，向上仰视，与水平面夹角约45度，用以获取物体外底面数据； 传感器3置于另一侧靠中位置，距地面约1100mm，基本水平视角，用以获取物体外侧面数 据。旋转台4基于地面上，旋转台直径1000mm，4根支柱置于旋转台4上，支柱长800mm，被 测物体置于支柱之上。单传感器标定模型传感器采用基于相位映射的光学三角测量法。如图2所示，投影机107投射出正 弦条纹图，条纹图被物体113表面形貌调制变形，利用(XD摄像机101、102获取这些变形的 条纹图像，结合数字图像处理及相位解调方法(相移与时间相位展开)处理得到条纹图的 相位分布，结合标定好的(XD摄像机101、102及投影机107的内、外参数及相对位置关系便 可以获得物体表面的三维深度信息。由投影机与CCD摄像机组成的结构光视觉传感器的数学模型如图2所示。其中， 建立三个坐标系，世界坐标系0wXwYwZw，(XD摄像机1坐标系(^^、，(XD摄像机2坐标系 oc2xc2Yc2zc2各个坐标系之间存在一个刚体变换关系，即每两个坐标系之间，存在一个旋转变 换与平移变换，其中旋转变换可由一个3阶正交矩阵R来表示，平移变换由一个平移向量t 来表示。此处，需确定由世界坐标系OwXwYwZw到(XD摄像机1坐标系(^^式工的I和U ； 由世界坐标系OwXwYwZw到(XD摄像机2坐标系0。2X。2Y。2Z。2的R。2和t。2 ；以及由(XD摄像机1 坐标系C^miCXD摄像机2坐标系0。2X。2Y。2Z。2的R和t。此处，这些参数的获取，通过同 时拍摄标定参照物图像，并逐一建立各摄像机标定模型，对CCD摄像机进行标定。其CCD摄 像机标定的数学模型如图3所示图3中0。点为成像透视点，XAA为像平面。过0。点做0。Z。轴垂直于像平面且交 像平面于Oi点，在像平面上以Oi点为原点建立像平面直角坐标系XiOJi，同时以Oc为原点 建立摄像机坐标系0。X。Y。Z。，且保证0。X。轴平行于OA轴，方向一致，0。Y。轴平行于0乂轴， 方向一致。世界坐标系下一点X用4维齐次坐标(X，Y，Z，1)T表示；图像点x被表示成3维齐 次坐标形式(u，v, 1)T ；则成像过程可表示为
称为摄像机标定矩阵，a和3是跟焦距有关的两个尺度因
子，uQ和vQ是主点，、为扭曲因子；R。和t。分别表示从世界坐标到摄像机坐标的旋转和平 移。考虑镜头的径向畸变和离心畸变，则畸变后点的坐标
权利要求
一种大型薄壳物体表面的三维检测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤a，控制被测物体以每次90度的方式旋转4个角度，并在每次旋转之后，通过第一组传感器采集被测物体内侧面及内底面的三维深度数据，通过第二组传感器采集被测物体外底面的三维深度数据，通过第三组传感器采集被测物体外侧面的三维深度数据；步骤b，将所述第二组传感器和所述第三组传感器采集的三维深度数据均统一到所述第一组传感器所在的坐标系；步骤c，由被测物体的旋转轴位置与旋转角度获取每次旋转产生的刚体变换；步骤d，以所述刚体变换作为初始值，将四个角度拍摄的三维深度数据匹配到同一坐标系，并将测量的三维深度数据与CAD模型进行匹配，并比对得到被测物体的相关尺寸。
2.如权利要求1所述的大型薄壳物体表面的三维检测方法，其特征在于，每一组传感 器均包括一个投影机和分别位于所述投影机左右两边的两个C⑶摄像机；在步骤a之前，所 述方法还包括下述步骤步骤al，在被测物体表面粘贴大量编码标记点，结合摄影测量方法计算标记点的空间 三维坐标，作为传感器标定的标靶；步骤a2，在每套传感器上建立各自局部坐标系，坐标系原点在传感器的左CXD摄像机 上，xyz坐标轴与CXD成像模型坐标轴相同，另加世界坐标系OwXwYwZw，共建立4个坐标系； 步骤a3，在特定测量空间内，多角度旋转并平移标靶，三组传感器同时拍摄不同角度的 标靶图像，自动提取图像上圆形特征点的亚像素图像坐标，并结合对应的特征点的世界坐 标系三维空间坐标来标定每个CCD摄像机的内部参数与外部参数，以及三组传感器各自的 结构参数；步骤a4，对世界坐标系OwXwYwZw下的一点X，经标定可获得该点在第一组传感器坐标系 O1X1Y1Z1下的坐标为X1 = R1Xit1，在第二组传感器坐标系O2X2Y2Z2下的坐标为X2 = R2X+t2, 在第三组传感器坐标系O3X3Y3Z3下的坐标为X3 = R3X+t3，其中，队、R2、R3、、、t2、t3均由标定 信息获取，Ri、R2、R3分别表示从世界坐标系到三组传感器坐标系的旋转，、、t2、t3分别为从 世界坐标系到三组传感器坐标系的平移；所述步骤b具体根据以下旋转参数R21和平移参数t21将所述第二组传感器采集的三维 深度数据统一到所述第一组传感器所在的坐标系:R2i = R1R2T, t21 =R1R2Tt2-；所述步骤b具体根据以下旋转参数R31和平移参数t31将所述第二组传感器采集的三维 深度数据统一到所述第一组传感器所在的坐标系:R3i=R1R3T,t3i=t1-R1R3Tt3.
3.如权利要求1所述的大型薄壳物体表面的三维检测方法，其特征在于，所述步骤d具 体通过以下步骤将测量的三维深度数据与CAD模型进行比对得到被测物体的相关尺寸步骤dl，利用最近点迭代方法，将测量的三维数据与CAD模型匹配起来； 步骤d2，对CAD模型进行采样，计算所有采样点到CAD模型的距离，根据每个距离值构 造一副伪彩色表面误差分布图像；步骤d3，统计计算的距离数值，用各种颜色的地形图标识出模型的比对误差，包括被测 物体的内侧面、外侧面、内底面、外底面； 步骤d4，计算被测物体的相关尺寸。
4.如权利要求1所述的大型薄壳物体表面的三维检测方法，其特征在于，所述步骤d2通过以下步骤对CAD模型进行采样步骤d21，规定CAD模型的底面与ζ轴垂直，侧面分别与χ轴、y轴垂直； 步骤d22，仅对CAD模型的平面采样，不对连接侧面的圆弧面采样，采样时取间距相等、 均勻分布的采样点。
5.一种大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，包括 可旋转的支架平台，用于放置被测物体；三组传感器，其中第一组传感器用于采集被测物体内侧面及内底面的三维深度数据， 第二组传感器用于采集被测物体外底面的三维深度数据，第三组传感器用于采集被测物体 外侧面的三维深度数据；测试用计算机，用于控制所述可旋转的支架平台以每次90度的方式旋转4个角度，并 在每次旋转之后，将所述第二组传感器和所述第三组传感器采集的三维深度数据均统一到 所述第一组传感器所在的坐标系；还用于由被测物体的旋转轴位置与旋转角度获取每次旋 转产生的刚体变换，并以该刚体变换作为初始值，将四个角度拍摄的三维深度数据匹配到 同一坐标系，并将测量的三维深度数据与CAD模型进行匹配，并比对得到被测物体的相关 尺寸。
6.如权利要求5所述的大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，所述可旋转 的支架平台上焊接有四支用于支撑被测物体的细柱。
7.如权利要求5所述的大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，每一组传感 器均包括一个投影机和分别位于所述投影机左右两边的两个CXD摄像机。
8.如权利要求5所述的大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，所述测试用 计算机包括程序控制模块，用于控制所述可旋转的支架平台进行旋转；标定模块，用于将被测物体表面粘贴的大量编码标记点结合摄影测量方法计算标记点 的空间三维坐标，作为传感器标定的标靶；还用于在每套传感器上建立各自局部坐标系，坐 标系原点在传感器的左CXD摄像机上，xyz坐标轴与CXD成像模型坐标轴相同，另加世界坐 标系OwXwYwZw，共建立4个坐标系；同时在特定测量空间内，当所述程序控制模块控制所述 可旋转的支架平台多角度旋转并平移标靶时，根据三组传感器同时拍摄不同角度的标靶图 像，自动提取图像上圆形特征点的亚像素图像坐标，并结合对应的特征点的世界坐标系三 维空间坐标来标定每个CCD摄像机的内部参数与外部参数，以及三组传感器各自的结构参 数；对世界坐标系OwXwYwZw下的一点X，经标定可获得该点在第一组传感器坐标系O1X1Y1Z1下 的坐标为X1 = R1Xit1，在第二组传感器坐标系O2X2Y2Z2下的坐标为X2 = R2X+t2，在第三组传 感器坐标系O3X3Y3Z3下的坐标为X3 = R3X+t3，其中，R1, R2, R3> t” t2、t3均由标定信息获取， 礼、R2, R3分别表示从世界坐标系到三组传感器坐标系的旋转，、、t2、t3分别为从世界坐标 系到三组传感器坐标系的平移；第一匹配模块，用于根据以下旋转参数R21和平移参数t21将所述第二组传感器采集的 三维深度数据统一到所述第一组传感器所在的坐标系 =&<、=^ -代根据以 下旋转参数R31和平移参数t31将所述第二组传感器采集的三维深度数据统一到所述第一组 传感器所在的坐标系= R、R;知=“- RiRl^。
9.如权利要求5所述的大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，所述测试用计算机还包括第二匹配模块，用于利用最近点迭代方法，将测量的三维数据与CAD模型匹配起来； 采样模块，用于对CAD模型进行采样；比对模块，用于计算所有采样点到CAD模型的距离，根据每个距离值构造一副伪彩色 表面误差分布图像；统计计算的距离数值，用各种颜色的地形图标识出模型的比对误差，包 括被测物体的内侧面、外侧面、内底面、外底面； 计算模块，用于计算被测物体的相关尺寸。
10.如权利要求9所述的大型薄壳物体表面的三维检测系统，其特征在于，所述采样模 块仅对CAD模型的平面采样，不对连接侧面的圆弧面采样，采样时取间距相等、均勻分布的 采样点。
全文摘要
本发明适用于三维传感技术领域，提供了一种大型薄壳物体表面的三维检测系统及其检测方法。本发明首先通过三组传感器从被测物体上、中、下的角度向被测物体表面投射条纹，并采集变形条纹图，获取相位分布信息，结合相位与深度映射原理获取各个视场的三维深度数据；由多传感器标定信息匹配三个传感器获取的深度数据，并将多角度数据匹配到同一坐标系；尺寸获取与模型比对，将测量的三维数据与CAD模型匹配起来，计算所有测量点到CAD模型的距离，获取物体的内侧面、外侧面、内底面、外底面误差分布伪彩图，由射线跟踪等方法计算物体的长、宽、高、壁厚等相关尺寸。测量方法结构简单、灵活、无接触、成本低、精度高、测量范围大、数据密度高。
文档编号G01B11/25GK101995231SQ20101028815
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者刘晓利, 彭翔, 李阿蒙, 殷永凯 申请人:深圳大学