一种高反光物体表面轮廓测量装置及方法与流程

本发明涉及三维轮廓测量技术领域，特别是涉及一种基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置及方法。

背景技术：

线扫描三维轮廓测量技术，由于其测量精度适中、环境适应性好、对被测对象表面纹理适应性强等优点，在工业测量领域有着广泛的应用。线激光光源有着良好的准直性及较高的亮度，是线扫描测量中的首选扫描线产生器件。

目前，在激光线扫描三维轮廓测量系统中，测量设备通常包括一体式线扫描相机和分体式线扫描相机。其中，一体式线扫描相机内设激光模组和成像芯片，分体式线扫描相机包含独立的激光模组和独立的线扫描相机。通常在上述测量系统中，所采用的测量原理为三角测量法，即通过出射点、投影点和成像点三者之间的三角几何关系来确定被测物体轮廓各点的三维信息。测量系统一般采用激光垂直入射及CCD垂直成像的方式，在激光垂直入射中激光形成的线形光源垂直入射到放置被测工件的基平面上。CCD垂直成像是CCD靶面垂直于CCD摄像头的成像光轴，成像光轴与入射光形成一夹角。

例如，图1示出了现有技术中分体式线扫描相机在测量物体的三维轮廓时的三种光路配置方案。激光模组投射出的线型激光垂直或以一定角度入射到被测物体的表面处，并在该被测物体的表面形成一条高亮度的轮廓线。线扫描相机与该激光模组成一定角度布置，以观察该轮廓线，根据三角成像的关系可以将观察到的轮廓信息恢复为实际的三维空间位置信息。利用该种方法测量物体的三维信息的关键在于在激光的照射下在被测物体的表面处形成的高亮度的轮廓线。该轮廓线可以被线扫描相机的图像处理芯片捕捉并进行轮廓的细化抽取处理。

然而，当被测物体为高反光物体如3D玻璃面板时，由于玻璃的透明属性，在激光具体的照射位置难以形成一条明显高亮度的轮廓线，因此，采用例如图1所示的激光线扫描三维轮廓测量系统无法测量出3D玻璃面板的轮廓，进而无法得出玻璃面板的三维空间位置信息。为了解决该问题，实践中的处理方式是在玻璃面板的表面喷涂一层非透明的薄层，利用该薄层产生高亮度的轮廓线。然而，该种方式自动化程度低，并且测量完后还要对该薄层进行处理，耗时耗力。

技术实现要素：

本发明的一个目的是要提供一种基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置，以解决现有技术难以测量高反光物体的轮廓的技术问题。

本发明提供的一种基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置，包括：

线激光发射器，用于发射线型激光，并使得所述线型激光以第一入射角入射至所述高反光物体的表面；

反射投影幕，用于接收由所述高反光物体的表面反射的所述线型激光，以在所述反射投影幕形成一与所述高反光物体的轮廓相关的第一图案；

线扫描相机，用于拍摄所述反射投影幕处的所述第一图案；

其中，所述高反光物体的表面轮廓是基于所述第一图案获取的。

进一步地，所述表面轮廓测量装置还包括：

计算处理器，用于根据所述第一图案获取所述高反光物体的表面轮廓。

进一步地，所述线激光发射器和所述线扫描相机位于所述反射投影幕同一侧。

进一步地，所述线激光发射器和所述线扫描相机分别位于所述反射投影幕的相反的两侧；

其中，所述反射投影幕具有预定透光度，以使得所述线扫描相机能够拍摄到所述第一图案。

进一步地，所述线激光发射器与所述高反光物体的表面之间的距离为30-1000mm；

所述线激光发射器与所述高反光物体的表面之间的夹角为5-80°。

进一步地，所述线扫描相机与所述反射投影幕之间的距离为30-1000mm；

所述线扫描相机与所述反射投影幕之间的夹角为0-80°。

特别地，本发明提供了一种基于激光线扫描的高反光物体轮廓测量方法，其利用上述的装置，包括如下步骤：

利用线激光发射器发射线型激光，并使得所述线型激光以第一入射角入射至所述高反光物体的表面；

利用反射投影幕接收由所述高反光物体的表面反射的所述线型激光，以在所述反射投影幕形成一与所述高反光物体的轮廓相关的第一图案；

利用线扫描相机拍摄所述反射投影幕处的所述第一图案，以获取所述高反光物体的实际轮廓。

进一步地，获取所述高反光物体的实际轮廓的方法包括如下步骤：

提取所述线扫描相机经多次扫描所拍摄到的多个所述第一图案分别对应的多个点云数据；

根据已建立的成像与标准物体的对应关系对每一所述点云数据进行校正；

将多个校正后的所述点云进行拼接，以获取所述高反光物体的完整点云；

根据所述完整点云获取所述高反光物体的实际轮廓。

进一步地，所述成像与标准物体的对应关系的建立包括如下步骤：

选取一标准物体，所述标准物体具有多个已知角度的坡面；

利用所述线激光发射器发射线型激光，并使得所述线型激光以第二入射角入射至所述标准物体的所述坡面；

利用所述反射投影幕接收由所述标准物体的坡面反射的所述线型激光，以在所述反射投影幕形成一与所述标准物体的轮廓相关的第二图案；

利用所述线扫描相机拍摄所述反射投影幕处的所述第二图案，将所述第二图案与所述标准物体的实际轮廓进行比对，以建立所述成像与所述标准物体的对应关系。

进一步地，所述高反光物体的至少部分表面具有相同或不同的预设弧度。

与现有技术中利用照射在高反光物体表面的图案来获取物体的轮廓信息相比，本发明的高反光物体表面轮廓测量装置开创性地利用反射后的图案来获取高反光物体的轮廓信息。本发明的装置避免了在高反光物体的表面喷涂薄层，因而，不需要在测量前后对高反光物体进行额外处理，提高了测量效率和自动化程度。此外，增加反射投影幕使得接收到的图案更加清晰明亮，提高了后续测量精度。本发明的装置，可以通过调整线激光发射器与高反光物体的表面之间的距离和角度来分别调整可覆盖的高反光物体表面的区域，以及第一图案在反射投影幕处的位置。并且，可以通过调整线扫描相机与反射投影幕之间的距离和夹角来分别调整相机的视野和精度。

根据本发明的方案，利用反射后的图案来获取高反光物体的轮廓信息时，该反射后的图案会发生畸变，尤其是在高反光物体的至少部分表面具有一定弧度时，其畸变更大，因而，在进行测量时，其与现有技术中直接照射在物体表面的图案获取物体轮廓信息的方法存在巨大区别，本发明的装置及方法需要对第一图案进行校正，以获取高反光物体的实际轮廓。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是现有技术中分体式线扫描相机在测量物体的三维轮廓时的三种光路配置示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置的光路配置示意图，其中示出了线激光发射器所发射的线型激光和线扫描相机的扫描区域；

图3是根据本发明另一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置的光路配置示意图；

图4是根据本发明一个实施例的线激光发射器向高反光物体发射线型激光的示意性结构图，其中示出了线型激光所覆盖的区域；

图5是根据本发明一个实施例的线激光发射器和高反光物体的示意性位置布置图；

图6是根据本发明一个实施例的线扫描相机拍摄反射式投影幕布处的图案的示意性结构图，其中示出了拍摄区域；

图7是根据本发明一个实施例的线扫描相机和反射式投影幕布的示意性位置布置图；

图8是根据本发明一个实施例的计算处理器的结构框图；

图9是根据本发明一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体轮廓测量方法的流程示意图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体表面轮廓测量装置100的光路配置示意图。该轮廓测量装置100一般性可以包括线激光发射器102和线扫描相机103。其中，该线激光发射器102用于发射线型激光，该线扫描相机103可以包括CMOS芯片和镜头，用于进行实时拍摄。该轮廓测量装置100还可以包括反射投影幕。在一个实施例中，该反射投影幕可以是反射式投影幕布101。该轮廓测量装置100测量高反光物体104的轮廓的原理是利用入射到高反光物体104表面的线型激光，并由该高反光物体104表面反射到反射投影幕处的线型激光所反映的与高反光物体104的轮廓相关的第一图案来测量该高反光物体104的轮廓。其中，高反光物体104可以为透明物体或其它具有高反光性能的物体。

为了实现对高反光物体104的轮廓检测，该轮廓测量装置100中各个器件的布置方式可以是，该高反光物体104放置在与水平面相平行的操作台处，该线激光发射器102位于该高反光物体104的上部且与该水平面具有第一预设夹角，用于将线型激光以第一入射角入射至高反光物体104的表面。该反射投影幕位于该高反光物体104的上部，用于接收由高反光物体104的表面反射的线型激光，以在反射投影幕形成一与高反光物体104的轮廓相关的第一图案。可以理解的是，该线激光发射器102和该反射投影幕位于垂直于高反光物体104表面的法线的相反两侧。在图2示出的实施例中，该线扫描相机103位于该高反光物体104的上部且与该水平面具有第二预设夹角，并且其与线激光发射器102位于反射投影幕的同一侧，用于拍摄该反射投影幕处的该第一图案，以获取高反光物体104的实际轮廓。图3示出了根据本发明另一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体104轮廓测量装置100的光路配置示意图。在图3所示的实施例中，该线扫描相机103位于该高反光物体104的上部且与该水平面具有第三预设夹角，并且其与线激光发射器102位于反射投影幕的相反的两侧，用于拍摄该反射投影幕处的该第一图案，以获取高反光物体104的实际轮廓。此时，为了使得线扫描相机103能够清楚地拍摄到反射投影幕处的线型激光，该反射投影幕需要具有一定的透光性。其中，第一预设夹角、第二预设夹角和第三预设夹角根据高反光物体104的尺寸、获取图像的精度等进行设定。

与现有技术中利用照射在高反光物体104表面的图案来获取物体的轮廓信息相比，本发明的高反光物体104轮廓测量装置100开创性地利用反射后的图案来获取高反光物体104的轮廓信息。本发明的装置避免了在高反光物体104的表面喷涂薄层，因而，不需要在测量前后对高反光物体104进行额外处理，提高了测量效率和自动化程度。此外，增加反射投影幕使得接收到的图案更加清晰明亮，提高了后续测量精度。

在图2所示的实施例中，由于线扫描相机103和线激光发射器102位于反射投影幕的同一侧，因而缩小了整个轮廓测量装置100的安装空间，使得器件更加小型化，但是这同时也使得该线扫描相机103和线激光发射器102的安装位置容易发生干涉，导致两者互相干扰。因此，这种方式比较适合测量尺寸较大的高反光物体104的轮廓，这是由于物距比较远，线扫描相机103和线激光发射器102的安装位置不容易发生干涉。在图3所示的实施例中，由于线扫描相机103和线激光发射器102位于反射投影幕的相反的两侧，因而增加了整个轮廓测量装置100的安装空间，但是这同时也使得该线扫描相机103和线激光发射器102的安装位置不容易发生干涉。因此，这种方式比较适合测量尺寸较小的高反光物体104的轮廓，这是由于物距比较近，线扫描相机103和线激光发射器102的安装位置容易发生干涉。因此，图2和图3所示的实施例属于互补型的，两者结合使用能够实现具有任何尺寸的高反光物体104的轮廓的测量。

为了精确测量高反光物体104的轮廓，合理设置线激光发射器102和高反光物体104之间的距离和角度，以及线扫描相机103和反射式投影幕布101之间的距离和角度也是非常重要的。图4示出了根据本发明一个实施例的线激光发射器102发射的线型激光所覆盖的区域的示意图。经过大量试验以及计算，可以根据高反光物体104的尺寸大小来确定线激光发射器102和高反光物体104之间的距离，该距离范围为30-1000mm。在多个实施例中，该距离可以是从30-1000mm中的任一数值。如图4所示，可以理解的是，当线激光发射器102和高反光物体104之间的距离越远时，线激光发射器102所发射的线型激光的长度越长，可覆盖的区域就越大。图5示出了根据本发明一个实施例的线激光发射器102和高反光物体104的示意性位置布置图。如图5所示，当线激光发射器102与法线之间的夹角为α₁时，其中，α₁＝80°，反射到反射式投影幕布101处的线型激光的位置在a处，当线激光发射器102与法线之间的夹角为α₂时，其中，α₂＝45°，反射到反射式投影幕布101处的线型激光的位置在b处，线激光发射器102与法线之间的夹角为α₃时，其中，α₃＝10°，反射到反射式投影幕布101处的线型激光的位置在c处。由此可见，通过调节激光发射器和高反光物体104之间的角度，可以改变线型激光在反射式投影幕布101处的位置。其中，激光发射器和高反光物体104之间的角度为5-80°。

图6示出了根据本发明一个实施例的线扫描相机103在反射式投影幕布101处所覆盖的区域的示意图。如图6所示，可以根据检测精度要求调节线扫描相机103和反射式投影幕布101之间的距离，该距离范围是30-1000mm。在多个实施例中，该距离可以是从30-1000mm中的任一数值。可以理解的是，线扫描相机103和反射式投影幕布101之间的距离越远时，线扫描相机103的视野就越大，可以覆盖的区域就越大。可以通过调节线扫描相机103和反射式投影幕布101之间的距离来调节水平方向上的精度。图7示出了根据本发明一个实施例的线扫描相机103和反射式投影幕布101的示意性位置布置图。如图7所示，以与水平面平行的水平方向作为x方向，以反射式投影幕布101作为y方向，线扫描相机103与反射式投影幕布101之间的夹角分别为β₁、β₂和β₃时，其中，β₁＝80°，β₂＝45°，β₃＝10°。通过调节线扫描相机103与反射式投影幕布101之间的夹角，可以调节分别垂直于x方向和y方向的z方向的精度。其中，激光发射器和高反光物体104之间的角度为5-80°。

本发明的装置，可以通过调整线激光发射器102与高反光物体104的表面之间的距离和角度来分别调整可覆盖的高反光物体104表面的区域，以及第一图案在反射投影幕处的位置。并且，可以通过调整线扫描相机103与反射投影幕之间的距离和夹角来分别调整相机的视野和精度。该高反光物体104轮廓测量中线扫描相机103包括一计算处理器105，用以对拍摄到的反射投影幕处的第一图案进行处理，以获取高反光物体104的实际轮廓。在另一实施例中，该计算处理器105还可以是另外的计算机处理设备，不包含在线扫描相机103内。该高反光物体104在一个实施例中可以是3D玻璃面板。在其他实施例中，该高反光物体104可以是其至少部分表面具有相同或不同的预设弧度。图8示出了根据本发明一个实施例的计算处理器105的结构框图。该计算处理器105一般性可以包括提取模块1051、校正模块1052、拼接模块1053和获取模块1054。其中，该提取模块1051用于提取该线扫描相机经多次扫描所拍摄到的多个该第一图案分别对应的多个点云数据。该校正模块1052用于根据已建立的成像与标准物体的对应关系对每一该点云数据进行校正。该拼接模块1053用于将多个校正后的该点云进行拼接，以获得该高反光物体的完整点云。该获取模块1054用于根据该完整点云获取该高反光物体的实际轮廓。此外，该计算处理器105的处理过程在下述基于激光线扫描的高反光物体轮廓测量方法中详细介绍，此处不再赘述。

特别地，图9示出了根据本发明一个实施例的基于激光线扫描的高反光物体轮廓测量方法的流程示意图。如图9所示，本发明还提供了一种基于激光线扫描的高反光物体轮廓测量方法，该方法利用上述装置。其包括如下步骤：

S100、利用线激光发射器发射线型激光，并使得该线型激光以第一入射角入射至该高反光物体的表面；

S200、利用反射投影幕接收由该高反光物体的表面反射的该线型激光，以在该反射投影幕形成一与该高反光物体的轮廓相关的第一图案；

S300、利用线扫描相机拍摄该反射投影幕处的该第一图案；

S400、基于该第一图案获取高反光物体的实际轮廓。

由于本发明的线扫描相机要处理的的是反射至反射投影幕处的图案，不是直接照射到高反光物体表面处的图案，传统的校正方法并不适用于本发明方案，因此，需要设计对反射至反射投影幕处的图案进行校正的校正方法。在高反光物体的至少部分表面具有相同或不同的弧度时，校正面临着更大的挑战。这是由于平面与曲面的反射光路区别很大，曲面由于其曲面发现的连续变化，使得曲面反射光学的方向发生较大的变化，平面在曲面的反射光线投射到幕布时会发生较大的畸变。经过巧妙构思与反复试验，建立了成像与标准物体的对应关系，包括如下步骤：

S110、选取一标准物体，该标准物体具有至少一个已知角度的坡面；

S210、利用该线激光发射器发射线型激光，并使得该线型激光以第二入射角入射至该标准物体的该坡面；

S310、利用该反射投影幕接收由该标准物体的坡面反射的该线型激光，以在该反射投影幕形成一与该标准物体的轮廓相关的第二图案；

S410、利用该线扫描相机拍摄该反射投影幕处的该第二图案，将该第二图案与该标准物体的实际轮廓进行比对，以建立该成像与该标准物体的对应关系。

在步骤S300中，获取该高反光物体的实际轮廓的方法包括如下步骤：

S301、提取该线扫描相机经多次扫描所拍摄到的多个该第一图案分别对应的多个点云数据；

S302、根据已建立的成像与标准物体的对应关系对每一该点云数据进行校正；

S303、将多个校正后的该点云进行拼接，以获取该高反光物体的完整点云；

S304、根据该完整点云获取该高反光物体的实际轮廓。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。