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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术采用无导轨结构，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种逆向工程的测量仪器，更具体的说，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1是本专利技术扫描测量系统各部件的布置、连接示意图；图2是本专利技术的控制流程图；图3是本专利技术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是本专利技术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专利技术测量效果的比较图。具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。如图1、图3、图4所示，本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋丽梅，
申请(专利权)人：天津世纪动力光电科学仪器有限公司，宋丽梅，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]