專利名稱：物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種物體輪廓誤差的測量裝置和方法，這是一種基于自適應條紋投射的測量技術，采用多視角測量及數(shù)據(jù)融合的非接觸式形貌誤差測量裝置和方法。
背景技術：
在線檢測是檢測技術的重要分支，而無損、高精度、快速完成檢測是檢測技術的目標。實際工業(yè)應用特別是生產(chǎn)流水線中，制造過程帶來的產(chǎn)品形狀缺陷是難以避免的，雖然這些缺陷通常比較微小，但對質(zhì)量監(jiān)控具有十分重要的作用，所以實現(xiàn)快速、準確地缺陷檢測也是一項不可或缺的重要內(nèi)容?，F(xiàn)有三維測量的主流技術及設備主要是針對工業(yè)產(chǎn)品的實際數(shù)據(jù)實現(xiàn)離線高精度檢測，比如可以采用接觸式三坐標測量機、非接觸式光學測量設備如激光掃描儀或數(shù)字光柵測量系統(tǒng)等。其中非接觸式測量具有精度高、全場式、自動化程度高等特點。但若每次都必須通過采集被測產(chǎn)品的實際數(shù)據(jù)，然后將其與設計數(shù)據(jù)進行比較獲得兩者之間的誤差，以判斷產(chǎn)品是否合格，這一過程必將增加檢測時間，導致檢測效率降低，成本增加。針對這一問題的解決，自適應條紋投影測量技術就彰顯出了獨特的優(yōu)越性。該技術兼具了數(shù)字條紋投射技術全場性、高精度以及易于在計算機控制下實現(xiàn)自動測量等優(yōu)點，同時對微小變形量具有高度的敏感性，非常適用于工業(yè)流水線產(chǎn)品質(zhì)量控制。不足之處是目前這種方法主要是根據(jù)實際樣本數(shù)據(jù)來生成自適應條紋，這勢必將樣本本身的加工誤差帶入到后續(xù)缺陷檢測中。本發(fā)明以被測物體的設計數(shù)據(jù)為依據(jù)生成自適應條紋，避免了待測產(chǎn)品的加工誤差，為獲取高精度的輪廓誤差數(shù)據(jù)提供了保證。采用多套自適應條紋投射系統(tǒng)同時對被測產(chǎn)品各視角進行單獨測量，最后將數(shù)據(jù)融合，可以快速獲取被測產(chǎn)品輪廓誤差，滿足在線快速檢測要求。目前基于理想設計數(shù)據(jù)生成自適應條紋來進行被測物體360°輪廓誤差檢測的方法未見相關文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有在線檢測方法不足，結合條紋投射測量技術的優(yōu)點，提供一種有效可行的物體奶0°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法，具有滿足在線檢測快速、高精度特點。同時，本發(fā)明測量裝置具有較好的重復性和穩(wěn)定性。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是一種物體奶0°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子系統(tǒng)和計算機連接組成。并采用以下步驟來完成物體奶滬輪廓誤差測量(1) 將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影儀和攝像機像平面；(2)采用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；(3)各子系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；(4)子系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；通過全局標定，確定各子系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關系；(5)將各子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標系并融合成物體360°輪廓誤差信息。 所述的四個子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周， 各子系統(tǒng)測量視角有0° ^20°重疊。每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、并通過計算機(1)控制，如圖3所示。數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)由自適應條紋根據(jù)被測物體形狀采用權利要求3所述的方法實時繪制，通過數(shù)字投影裝置DLP (4)將其投射到待測物面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應被測物體的形狀。圖像采集系統(tǒng)由 CXD (含光學鏡頭)(3)、圖像采集卡(2)，采集到的圖像以二進制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機(1)。根據(jù)發(fā)明構思，本發(fā)明采用如下技術方案
一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子測量系統(tǒng)和一臺計算機組成。其特征在于所述的子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周，相鄰子測量系統(tǒng)測量視角有20° 局部重疊，每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，用于測量物體的局部輪廓誤差。所述的計算機用于控制各子測量系統(tǒng)完成輪廓誤差測量操作，并與各測量子系統(tǒng)連接。上述的數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)是通過計算機實時繪制自適應條紋，采用數(shù)字投影裝置DLP將其投射到待測物面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應被測物體的形狀。上述的圖像采集系統(tǒng)由CXD攝像機(含光學鏡頭)和圖像采集卡組成，與計算機連接，圖像采集卡安裝在計算機上，采集到的圖像以二進制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機。 一種物體360 °輪廓誤差的自適應條紋測量方法，應用上述的裝置進行輪廓誤差測量，其特征在于測量步驟如下
(1)將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CXD攝像機像平面；
(2)采用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；
(3)各子測量系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；
(4)子測量系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；
(5)通過全局標定，確定各子測量系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關系；
(6)將各測量子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標系并融合成物體360°輪廓誤差信息。上述步驟(1)中將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CXD攝像機像平面的方法是根據(jù)公式
=R,PW+Tp 和/ =RcmPw + Tc，
(其中和U分別為世界坐標系與投影儀和CXD坐標系關系矩陣，Pf , Pc為投影
儀和攝像機映射點的二維坐標)，將物體CAD數(shù)據(jù)點Pfr(^j)分別映射到投影裝置DLP和 CCD攝像機像平面，得到二維點散亂分布在像平面上。上述步驟(2)中采用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋的方法是將散亂映射點剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機上觀測的條紋位相，根據(jù)各三角形頂點的位相采用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP整數(shù)像素點的位相，進而獲得所須投影的自適應條紋。上述步驟(3)中子測量系統(tǒng)由投影裝置DLP依次投射N幅自適應條紋圖像到被測物體表面，過CCD攝像機采集，其中采集到的第η幅條紋圖可表示為4 ￠, J) = 4 (ι M + ./) C0S[#, J) + O8]], ls(l,J)表示條紋圖上圖像點(ij)的灰度值， 4表示偏移量；^表示調(diào)制度，表示物體表面任意點對應的自適應條紋位相， ax=2miP ( ρ為條紋節(jié)距)表示條紋圖像相移量。利用公式
權利要求
1.一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，由四個子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)，一臺計算機(9)組成，其特征在于所述子系統(tǒng)(1，2，3，4)均布在被測物體(5)四周，相鄰子測量系統(tǒng)測量視角有0° ^20°局部重疊，每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，用于測量物體的局部輪廓誤差；所述的計算機(9)與各子系統(tǒng)(1，2，3，4)連接，用于控制各子系統(tǒng)(1，2，3，4)完成輪廓誤差測量操作。
2.根據(jù)權利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，其特征在于所述的數(shù)字光柵條紋投射系統(tǒng)是由計算機(9)實時繪制自適應條紋，通過一個數(shù)字投影裝置 DLP (7)將其投射到被測物體(5)表面，光柵節(jié)距和條紋頻率能夠任意改變，以適應的被測物體(5)的形狀。
3.根據(jù)權利要求1所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)是由一個CCD攝像機(含光學鏡頭)(6)連接一個圖像采集卡(8)組成，所述圖像采集卡(8)安裝在計算機(9)上并與計算機(9)連接，采集到的圖像以二進制數(shù)據(jù)文件形式存儲于計算機(9)。
4.一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，應用根據(jù)權利要求1所述的裝置進行輪廓誤差測量，其特征在于測量步驟如下1)將被測物體(5)的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP(7)和攝像機(6)像平面；2)采用散亂點插值法生成被測物體(5)的自適應條紋；3)各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)采集條紋圖像并計算條紋位相；4)子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差；5)通過全局標定，確定各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)位置轉(zhuǎn)換關系；6)將各子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標系并融合成物體360°輪廓誤差fe息。
5.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟1)中將被測物體(5 )的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP (7 )和CXD攝像機(6 )像平面的方法是根據(jù)公式p =R *PW+T 和 pc =RcmPw + Tc ,其中和民,2；分別為世界坐標系與投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)坐標系關系矩陣，Pp ,盡為投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)映射點的二維坐標，將被測物體(5)的CAD數(shù)據(jù)點分別映射到投影裝置DLP (7)和CXD攝像機(6)像素坐標系，得到二維點散亂分布在像平面上。
6.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟2)中采用散亂點插值法生成被測物體(5)的自適應條紋的方法是將散亂映射點剖分成一個三角形，定義期望在CCD攝像機(6)上觀測的條紋位相，根據(jù)各三角形頂點的位相采用分片三角插值方法計算獲取投影裝置DLP (7)整數(shù)像素點的位相，進而獲得所須投影的自適應條紋。
7.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟3)中子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)由投影裝置DLP (7)依次投射N幅自適應條紋圖像到被測物體(5)表面，過CCD攝像機(6)米集，其中米集到的第η幅條紋圖可表示為沖』cos_』+ A])，!JU)表示條紋圖上圖像點(U)的灰度值，^o表示偏移量；y表示調(diào)制度，表示物體表面任意點對應的自適應條紋位相，a=2mi!p ( ρ為條紋節(jié)距)表示條紋圖像相移量；利用公式
8.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟4)中子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)獲取三維輪廓誤差是利用位相-三維坐標映射公式Δ Φ( , J) =j)]χ = X{Z,i,j) = S1(Jj)Z-+ S0.F == ^( ,βζ +b0獲取的,其中 辦坤，J)為(U)為圖像點的函數(shù)，與條紋投射測量系統(tǒng)中投影裝置DLP和CXD攝像機之間的空間位置有關系。
9.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟5)中全局標定采用同一塊標定板，各子測量系統(tǒng)視角重疊，根據(jù)標定板平面的法向量，計算相鄰子測量系統(tǒng)中的CCD攝像機(6)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，確定一個子測量系統(tǒng)的CXD攝像機(6)坐標系為主坐標系，利用這個主坐標系為中介，將剩余的子測量系統(tǒng)坐標系全部統(tǒng)一到主坐標系下。
10.根據(jù)權利要求4所述的物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量方法，其特征在于所述步驟6)將各子測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標系并融合成物體360°輪廓誤差信息方法是通過選取相鄰子測量系統(tǒng)(1，2，3，4)重疊區(qū)域的測量結果，利用重疊區(qū)域的點來尋找相應的匹配點，采用最近點迭代方法消除重疊區(qū)域匹配點的位置誤差方法來獲得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物體360°輪廓誤差的自適應條紋測量裝置和方法。本裝置由四個子測量系統(tǒng)和一臺計算機組成，子測量系統(tǒng)均布在被測物體四周，相鄰子測量系統(tǒng)視角有0°~20°局部重疊；每個子測量系統(tǒng)包含數(shù)字光柵條紋透射系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。本測量方法的步驟是(1)將被測物體的CAD數(shù)據(jù)映射到投影裝置DLP和CCD攝像機像平面；(2)采用散亂點插值法生成被測物體的自適應條紋；(3)各子測量系統(tǒng)采集條紋圖像并計算條紋位相；(4)子測量系統(tǒng)獲取三維輪廓誤差；(5)通過全局標定，確定各子測量系統(tǒng)位置轉(zhuǎn)換關系；(6)將各子測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一于同一坐標系并融合成物體360°輪廓誤差信息。本發(fā)明具有滿足在線檢測快速、高精度特點，具有良好的重復性和穩(wěn)定性。
文檔編號G01B11/25GK102288131SQ201110121918
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權日2011年5月12日
發(fā)明者于瀛潔, 周文靜, 彭軍政, 郭路 申請人:上海大學