二维三维复合式测量仪及其数据融合标定方法技术

本发明专利技术涉及二维、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。本发明专利技术能够全方位、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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及二维、三维测量
，尤其是公开了一种，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。本专利技术能够全方位、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】
本专利技术涉及二维、三维测量
，尤其是涉及一种。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术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。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案: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。本专利技术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。本专利技术结构紧凑，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。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。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。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。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。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。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。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。另外，本专利技术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。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。综上所述，本专利技术能够全方位，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，尤其是能对本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（1）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（1）、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（1）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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：文双全，费正顺，刘彧鹏，陈贵，
申请(专利权)人：杭州汉振科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33