光学三角法全视场自扫描测头的设计与研究

本文基于光学三角法测量原理,设计了一种通过改变光平面与成像光轴夹角来实现对视场内被测零件表面扫描的视觉测头。通过紧凑的旋转镜片反射机构驱动光平面在物空间做扫描运动,将全视场自动扫描功能封装在在线结构光视觉测头内部,使扫描成为线结构光视觉测头的一项内置功能。光定位精度实验以及尺寸测量的重复性精度实验均表面这种设计方法的可行性。这种自扫描测头对中、小尺寸零件三维尺寸的快速检测有重大的实用价值。     

采用双相机结构光三维测量技术解决遮挡问题

针对单目结构光投影三维视觉测量系统固有的相机遮挡问题,给出了基于相机—投影仪—相机系统模型的结构光三维测量方案,并阐述了测量系统的测量原理和实现方法。系统建模时将相机—投影—相机系统看作是两个独立的相机—投影仪三维视觉测量系统,在分别得到被测对象的三维数据后,通过采用全局坐标统一方法得到同一空间坐标系下的三维点坐标。该方法可以得到较高精度的全局测量结果,重复测量相对误差约0.2%。     

一种三维形貌测量系统的研究与实现

针对目前结构光和共焦显微术相结合实现的三维形貌测量系统存在的移相和调焦均需要复杂的运动机构的不足,设计了一套采用空间光调制器取代传统压电陶瓷驱动光栅移动实现结构光投影及移相,采用电控液态透镜调焦取代传统精密电机驱动被测物体或投影系统移动实现纵向扫描,并以调制度测量轮廓术实现的三维形貌测量系统。该系统有效简化了结构,易于实现,综合性能优异。     

货车承载鞍磨耗视觉自动检测研究

研究基于视觉检测原理的承载鞍磨耗尺寸自动检测系统，采用立体视觉结合结构光投射技术设计了测量传感器，由传感器组成测量组件，每个测量组件可以测得承载鞍一个磨耗面的三维形貌，多个测量组件构成完整的检测系统，同时测量承载鞍各个复杂磨耗面实际三维形貌，由此计算得到相关磨耗尺寸。为实现测量自动化，设计了自动传送机构和分选机构。系统工作稳定、测值准确、速度快，解决了承载鞍磨耗长期依赖手工模板测量的难题，为保证铁路运行安全提供了有效的检测手段。     

微型牙齿三维测量技术与系统

为方便扫描牙齿等微小物体的三维形貌,设计了一套专门用于口腔内部直接测量的牙齿三维扫描系统,该系统利用数字光栅投影仪投射结构光,通过远心成像镜头将光栅图像缩小,经光纤传像束传输投射到待测微小物体上,同时采用电子内窥镜获取图像,最后重构出物体的三维形貌。实验证明,该系统切实可行,满足牙齿扫描的微型化、直接化、灵活性的需求,拓展了结构光微测量三维形貌的适用范围。     

基于十字线结构光的亚象素三维视觉测量

本文使用十字线激光器,配置CCD相机组成十字线结构光视觉测量系统。根据视觉测量系统的标定与测量原理,建立了两个光平面相应的数学模型;采用最小外接矩形法分割光条,在每个矩形区域内采用高斯曲线拟合法提取光条中心,再用最小二乘法拟合光条直线。最后用该系统实现了零件的非接触三维轮廓测量,验证了模型的正确性和光条提取方法的精度。     

双振镜点扫描三维形貌测量系统

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求,设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理,并对系统进行建模,推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统,利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70mm,球面直径测量误差均值为0.51mm;测量距离10m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。     

基于多线结构光的弱纹理物体形貌测量方法

大多数现有的主流结构光测量装置在被测物体的表面上投射单条激光,通过移动装置实现物体表面的扫描重建。为了实现物体表面的在线快速重建,将多线结构光和双目立体视觉理论相结合,设计了一种新的三维测量方法。提出了一种结合形态滤波和Zhang-Suen细化算法的光条骨架提取方法和基于光条序列关系的光条匹配算法,并通过极线约束实现光条上特征点的精确匹配。通过实验验证了方法的有效性,相对误差在3%以内。     

平面式大型微结构表面的螺旋扫描测量

为实现平面式大型微结构表面的快速测量,提出了一种螺旋式扫描测量方法。基于该方法的测量系统由x、y、z向直线运动平台、绕z轴旋转的直接驱动(DD)马达以及激光位移传感器组成,当移动x、y向平台使激光位移传感器的激光束与DD马达的旋转中心重合,并通过z向平台使激光位移传感器位于其测量范围内时,使x向平台与DD马达同步运动而形成螺旋线来获得被测表面形貌的平面位置信息,同时由激光位移传感器获得被测表面的高度信息,据此实现对被测表面形貌的测量;这种螺旋式扫描方法避免了栅格式扫描方法所存在的频繁加减速及反向运动间隙不足的问题,可提高系统的测量速度和精度。基于所搭建的测量系统,对表面形貌为凸凹扇形的圆形试件的表面进行了测量,结果表明:所提出的螺旋式扫描方法能够实现表面三维形貌的快速测量,测量试件表面上直径为Φ20 mm的区域时,所用时间仅为800 s,测量结果能较好地反映被测试件表面形貌的三维形貌。     

酸蚀岩板三维激光扫描仪

针对酸蚀岩板表面形貌复杂的特点和测量精度高的要求,设计了一款用于酸蚀岩板形貌测量的三维激光扫描仪。重点研究了三维激光扫描仪的结构,三维激光扫描原理、应用软件结构和功能。此三维激光扫描仪可以对酸蚀岩板表面形貌进行快速、精确地扫描,扫描软件可以对扫描所得点云数据进行导入、导出、缩放和旋转等操作。实验结果表明:该扫描装置所得的数据可定量分析岩石裂缝的酸化效果,为岩石裂缝渗透率测量和酸化作业工程设计提供实验数据。     

一种基于双目立体视觉的激光线扫描技术

针对线结构激光扫描系统标定成本高,而双目立体视觉测量中立体匹配难的问题,提出了在双目立体视觉的原理上,结合线结构激光扫描的方法实现对被测物体的三维测量。该方法采用张正友相机标定方法对系统进行立体标定;采用BOUGUET’S法对左右相机图像进行立体校正;运用重心法进行激光中心线的精确提取。在图像校正的基础上,可快速实现激光中心线位置的立体匹配;再结合线扫描原理可完成对物体的扫描工作。最后,使用该系统对具有复杂自由曲面的鞋楦进行测量,结果表明:该方法能快速准确地测量出符合要求的三维数据。     

基于激光扫描的密集泡状流三维重建与优化

为测量密集气液泡状流的流动形态及参数,建立了基于激光扫描的三维可视化测量系统。采用片状激光结合旋转正多边形棱镜实现对流场的光学扫描,高速摄像机采集扫描切片图像,首先对图像进行预处理。针对扫描成像中产生的切片重复曝光问题,提出二阶微分平均卷积优化算法,该方法不仅可以有效提取多切片图像中重复曝光的特征点,而且可以去除冗余及噪声信息。实验结果表明,针对分散相遮挡的密集泡状流,基于激光扫描可完整重建其三维结构,二阶微分优化算法可以有效降低重建畸变影响,重建后体积含气率的相对误差优于6%。激光扫描方法非侵入、重建精度高,具有传统方法不可比拟的优势。     

A laser-based machine vision measurement system for laser forming

Laser forming continues to be a promising technology in manufacturing due to its fast speed, flexibility, and low-cost. Measurement of deformation after laser forming is widely needed to verify its convergence to the intended shape in academic research. With the development of laser forming, high requirements on the measurement of the deformed work-piece have been sought such as a 3D profile of the deformed surface, a large measuring range, and measuring convenience. In this paper, a laser-based machine vision measurement system was developed to measure the 3D profile of deformed surface by a one-off scanning process. Based on the 3D profile data, the vertical displacement of the deformed plate was calculated for bending analysis. In addition, as one of the important feature parameters, transverse shrinkage was automatically determined through a novel image-based method during the scanning process. A measuring accuracy of 0.03 mm for vertical displacement measurement and 0.0125 mm for transverse shrinkage were achieved in the developed measurement system. This measurement performance is acceptable in most of the laser forming processes currently studied.     

一种线结构光自扫描测量系统的研究

为了实现对复杂自由曲面的快速精确测量,提出了一种由CCD摄像机、振镜和激光线投射器组成的全视觉自扫描测量系统。该系统利用光学三角法确定了一种新的测量物体表面三维坐标的方式。基于该方式,此测量系统使用平面靶标实现了对摄像机内部参数的标定,借助振镜转动驱动激光平面完成了对摄像机视场内被测物体的扫描,最终根据激光平面方程和计算机二维平面图像信息获得了被测物体的三维数据。试验结果证明,该系统能以较快速度实现自由曲面的精确测量。     

大型油罐容量计量中3D空间建模方法研究与比对试验分析

油罐的容量计量是石化企业生产运行的核心工作之一.为了提高计量检定效率,提出一种基于三维激光扫描原理的油罐容量全自动测量方法.讨论了一种扫描点云数据分析方法,通过三角网格和曲面拟和的方法计算出不同液位高度对应的油罐容积值.设计了对比试验系统,选取60 m~3和37 m~3两个标准油罐为研究对象,根据OIML R71和R80的技术要求,以0.025%准确度的容量比较法测量值为参考依据,三维激光扫描方法进行油罐容量测量具有好的复现性,而测得的容量值相对偏差满液位量程处可达0.4%,验证了这种方法的有效性,而且有效提高了油罐容量检定工作效率.     

新型自由曲面三维激光扫描系统

从机械结构、控制系统及操作系统结构等几个角度介绍一种三维激光扫描系统设计方案。系统集成了先进的数据处理技术、激光扫描技术、先进控制技术及机器人技术,有效地借助于光机电一体化技术实现了表面检测及三维表面模型重构智能化及自动化。系统由具有电驱动装置的激光测头、C形滑臂、升降旋转台、电控系统及主控计算机组成。通过所设置测量参数,系统能够对不同的被测物体进行扫描路径规划,进而通过激光测头、C形滑臂及转台的全自动协调控制完成无盲点三维表面测量任务。试验结果表明,该三维激光扫描系统的扫描精度达到0.1 mm,速度为10 000点/s,能够应用于小型工件及模型、模具表面数据检测及模型重构。     

宽公差曲面快速测量及基于OpenGL的显示技术

从实际应用的角度出发,介绍了一种宽公差曲面快速测量方法,分析了系统的组成和测量的原理。该系统采用激光三角测量法,并把点扫描拉伸成线扫描,在保证同样的测量精度情况下大大地提高了测量速度。系统在采集完数据后,利用开放图形库的三维造型技术在一定的精度要求下近似描述曲面,以实现模型的立体效果展示。最后以三维人脸数据测量为例,论述、验证了该方法的有效性。     

基于图像处理的激光扫描三维尺寸测量技术的研究

发动机气缸垫精确三维尺寸的获得是气缸垫质量检验及其样品反向工程的关键。介绍了一种用于发动机气缸垫及其类似的大尺寸平面薄板状零件测量的基于图像处理的激光扫描三维尺寸测量技术 ,并对测量试验结果进行了分析。     

基于激光扫描和SFM的非同步点云三维重构方法

室外场景具有测量数据量大、扫描数据易重叠及建筑物表面信息复杂等特点,单靠激光扫描方法能够获得场景精确的深度信息,但缺乏颜色和纹理信息,利用从运动中恢复结构(SFM)方法可获得丰富的彩色信息,但重构精度不高,若将两种设备固定进行在线实时同步测量,易受到测量环境和系统制约不易实现。针对此问题,提出了一种基于激光扫描和SFM结合的非同步点云数据融合的三维重构方法。首先,提出利用手动选择控制点进行7自由度初始配准,再利用迭代最近点(ICP)算法对初始配准结果进行精确配准,最后利用最近点搜索算法将分布在经基于面片的多视图立体视觉(PMVS)算法优化后的SFM数据中的颜色信息与激光扫描的点云坐标进行融合。实验结果和数据分析显示,本文的方法能有效地将激光扫描与SFM点云数据进行融合,实现了室外大场景的三维彩色重构。     

全场视觉自扫描测量系统

为了适应对大型工件的快速精确测量,提出一种由CCD摄像机、振镜和激光线投射器组成的全场视觉扫描测量系统,通过振镜的转动改变线结构光光平面角度来实现对摄像机视场内被测物体的自扫描测量。利用平面网格靶标和基于交比不变原理的径向排列约束(RAC)两步方法实现对摄像机的标定,根据振镜的旋转角度以及光平面在靶面上的交线确定光平面的方位,从而根据摄像机模型和CCD二维图像可获得光平面上的三维数据。试验结果证明,这种方法具有较高的测量精度,能较清晰地测量大型工件上的主要特征,同时具有便携性,便于生产现场使用。