本發(fā)明涉及測(cè)量物體的設(shè)備和方法領(lǐng)域，尤其是涉及一種非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

基于面結(jié)構(gòu)光的三維輪廓測(cè)量裝置已經(jīng)在精密測(cè)量領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，然而當(dāng)前的基于面結(jié)構(gòu)光的三維輪廓儀的載物臺(tái)均為不透明黑色，只能獲取被測(cè)物體的表面高度信息，對(duì)于被測(cè)物體的外輪廓無法準(zhǔn)確的獲取，因此，被測(cè)物體的諸多尺寸無法進(jìn)行測(cè)量，無法滿足現(xiàn)代精密制造業(yè)中產(chǎn)品日益復(fù)雜化，測(cè)量更加精細(xì)化的需求。如果將載物臺(tái)用光學(xué)玻璃替代，則面結(jié)構(gòu)光的投影信息會(huì)部分透過玻璃載物臺(tái)，少部分鏡面反射，這對(duì)三維重構(gòu)引入了噪聲，使得三維測(cè)量精度降低。而且，現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高等缺點(diǎn)。特別的，現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x僅能夠獲得被測(cè)物體的表面三維輪廓數(shù)據(jù)，無法適應(yīng)需要二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)同時(shí)獲取而且需要將二維、三維數(shù)據(jù)融合在同一個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行分析與處理的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量精確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于物體二維、三維測(cè)量的非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x，其特征在于：包括用于安置待測(cè)物體的X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1），位于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）上方的圖像采集模塊（2），為圖像采集模塊（2）和X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）提供光照的外部光源（3），位于圖像采集模塊（2）外圍朝向待測(cè)物體的投影模塊（4），集成控制器（5）及CP（6），所述集成控制器（5）連接X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）、圖像采集模塊（2）、外部光源（3）、投影模塊（4）及CP（6）。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，能夠同時(shí)進(jìn)行三維輪廓和二維影像精密測(cè)量，易于操作和控制。尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面多樣的的精密被測(cè)物體，通過二維、三維的融合測(cè)量能夠取得復(fù)雜尺寸一站式測(cè)量結(jié)果，具備高精度、高效率等特點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述圖像采集模塊（2）包括從上向下依次設(shè)置的工業(yè)相機(jī)（21）、第一透鏡模組（22）、光闌（23）及第二透鏡模組（24）；所述工業(yè)相機(jī)（21）為彩色相機(jī)或者黑白相機(jī)。該設(shè)計(jì)同時(shí)滿足雙遠(yuǎn)心平行光路的要求，能夠進(jìn)行高精度測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述投影模塊（4）包括兩組對(duì)稱設(shè)于圖像采集模塊（2）兩側(cè)的投影單元；每一投影單元包括第一光源（41）和位于第一光源（41）下方的透鏡模組（42），第一光源（41）連接集成控制器（5）；所述外部光源（3）包括表面光源（31）和平行背光源（32），表面光源（31）安裝于圖像采集模塊（2）正下方，與圖像采集模塊（2）光軸重合，表面光源為環(huán)形無影光源，可以發(fā)射白色光，也可以發(fā)射紅、綠、藍(lán)單色光，而且發(fā)光區(qū)域和發(fā)光顏色能夠通過集成控制器（5）控制調(diào)節(jié)，平行背光源（32）連接X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）下方與圖像采集模塊（2）、表面光源（31）光軸重合，該平行背光源（32）和表面光源（31）均連接集成控制器（5）。該模塊通過投影模塊的對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠有效解決單邊投影模塊的光纖遮擋問題，獲得更為全面的數(shù)據(jù)。通過光源、投影和X-Y-Z移動(dòng)平臺(tái)的集中控制能夠提高測(cè)量效率，節(jié)省制造成本。同時(shí)、該表面光源能夠完成不同方向和不同顏色的照射控制，從而獲取被測(cè)物體表面更為豐富的圖像特征，完成高精度的測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）包括用于安置待測(cè)物體的可調(diào)光玻璃載物平面（12）和可帶動(dòng)可調(diào)光玻璃載物平面（12）沿X軸、Y軸或Z軸方向移動(dòng)的三軸移動(dòng)平臺(tái)本體（11），該三軸移動(dòng)平臺(tái)本體（11）和可調(diào)光玻璃載物平面（12）均連接集成控制器（5）。

另外，本發(fā)明還公開了一種用于非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，包括三維測(cè)量過程和二維測(cè)量過程：

所述三維測(cè)量過程如下：

（a）將被測(cè)物體置于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）上；

（b）PC（6）向集成控制器（5）發(fā)送任務(wù)，集成控制器（5）接收到任務(wù)后，控制投影模塊（4）向被測(cè)物體照射結(jié)構(gòu)光；

（c）集成控制器（5）再控制圖像采集模塊（2）拍攝被測(cè)物體的圖像，并在集成控制器（5）中進(jìn)行存儲(chǔ)；

（d）重復(fù)步驟（a）-（c），獲得所需的所有圖像；

（e）集成控制器（5）利用解碼算法對(duì)所有圖像進(jìn)行處理，獲得被測(cè)物體表面三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

（f）集成控制器（5）將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至PC的客戶端軟件；

所述二維測(cè)量過程：集成控制器（5）控制外部光源（3）照射被測(cè)物體，然后集成控制器（5）觸發(fā)圖像采集模塊（1）拍攝被測(cè)物體的二維圖像，最后集成控制器（5）將圖像傳輸?shù)絇C（6）。

進(jìn)一步地，所述三維測(cè)量過程還包括步驟（g）：當(dāng)無法一次性獲得被測(cè)區(qū)域的全部三維輪廓信息時(shí)，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）沿X軸、Y軸或Z軸移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)被測(cè)物體相對(duì)于光軸移動(dòng)，重復(fù)步驟（a）-（f），使PC（6）能獲取所需的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述步驟（b）中，所述投影模塊（4）向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光包括黑白條紋編碼和正弦編碼；

所述步驟（b）中，所述投影模塊（4）向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊（2）拍攝被測(cè)物體的圖像的具體過程為：

（A）所述投影模塊（4）向被測(cè)物體投影黑白條紋編碼，移動(dòng)黑白條紋編碼的位置，圖像采集模塊（2）拍攝每一種黑白條紋編碼對(duì)應(yīng)的圖像；

（B）所述投影模塊（4）向被測(cè)物體再投影正弦編碼，并移動(dòng)正弦編碼的位置，圖像采集模塊（2）再一次拍攝每一種正弦編碼對(duì)應(yīng)的圖像。

進(jìn)一步地，所述步驟（e）集成控制器（5）利用解碼算法對(duì)所有圖像進(jìn)行處理，獲得被測(cè)物體表面三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程如下：

（C）將步驟（A）獲得的圖像進(jìn)行解碼，獲得被測(cè)物體表面輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過判斷點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向量獲得被測(cè)物體表面高度突變的坐標(biāo)信息；

（D）以發(fā)生高度突變的坐標(biāo)作為分界線，將步驟（B）的圖像分成不同區(qū)塊，利用相移法解碼得到各個(gè)區(qū)塊的輪廓。

進(jìn)一步地，所述步驟（a）將被測(cè)物體置于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）上之后；當(dāng)需要獲取被測(cè)物體三維圖像信息時(shí)，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）的可調(diào)光玻璃載物平面（11）處于不透光模式；而當(dāng)需要獲取被測(cè)物體二維圖像信息時(shí)，集成控制器（5）控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)（1）的可調(diào)光玻璃載物平面（12）處于透光模式。

基于面結(jié)構(gòu)光的原理，通過利用可調(diào)光玻璃的引用，使得做投影三維測(cè)量時(shí)，載物臺(tái)為非透明，需要獲得被測(cè)物體二維外輪廓信息時(shí)，能夠使用使可調(diào)光載物臺(tái)為透明；采用雙側(cè)遠(yuǎn)心光路，使得光線的平行度大大增強(qiáng)，二維、三維數(shù)據(jù)的融合能夠顯著提高三維輪廓測(cè)量精度，特別的，由于以往單純依靠某一種三維投影編碼和解碼方法進(jìn)行三維重構(gòu)時(shí)均存在不同程度的缺陷，本發(fā)明提出一種結(jié)合黑白條紋編碼和正弦的方法，通過法向信息將圖像進(jìn)行精準(zhǔn)分區(qū)，因此能夠結(jié)合各種方法的有點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)被測(cè)物體表面進(jìn)行精密三維重構(gòu)和測(cè)量成為可能。

綜上所述，發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量的精確度高，適于物體二維、三維測(cè)量。

附圖說明

圖1為發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的圖像采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的投影模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的外光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2的黑白條紋編碼示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2的正弦編碼示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解發(fā)明方案，下面將結(jié)合發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

實(shí)施例1

如圖1-5所示，一種非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x，包括X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1、圖像采集模塊2、外部光源3、投影模塊4、集成控制器5及PC6。

如圖1所示，所述X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1用于安置待測(cè)物體，圖像采集模塊2位于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1上方，且該圖形采集模塊2位于待測(cè)物體的正上方。外部光源3能為圖像采集模塊2和X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1提供光照，投影模塊4位于圖像采集模塊2外圍，且傾斜朝向待測(cè)物體，所述集成控制器5連接X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1、圖像采集模塊2、外部光源3、投影模塊4及PC6。

如圖3所示，所述圖像采集模塊2包括從上向下依次設(shè)置的工業(yè)相機(jī)21、第一透鏡模組22、光闌23及第二透鏡模組24；其中第一透鏡模組22、第二透鏡模組24及光闌23共同構(gòu)成雙遠(yuǎn)心鏡頭，所述工業(yè)相機(jī)21優(yōu)選為彩色相機(jī)或者黑白相機(jī)，其芯片可以是CCD芯片或者COMS芯片。

如圖2所示，所述投影模塊4包括兩組對(duì)稱設(shè)于圖像采集模塊2兩側(cè)的投影單元；而且兩組投影單元結(jié)構(gòu)相同。具體的，每一投影單元包括第一光源41和透鏡模組42，第一光源41和透鏡模組42構(gòu)成單側(cè)遠(yuǎn)心光路，使得投射出的光線均平行于透鏡模組42的光軸。透鏡模組42位于第一光源41下方，且第一光源41和透鏡模組42均傾斜朝向待測(cè)物體，同時(shí)第一光源41和透鏡模組42均位于同一直線上。第一光源41連接集成控制器5，由集成控制器5控制并確定投影模塊4所投射出的圖案，所投射的圖案預(yù)先存儲(chǔ)于集成控制器5中并且能夠編輯，第一光源41與集成控制器5中的投影單元共同組成投影模塊的光源控制組合，可以是基于DMD（數(shù)字微鏡元件），LCD（液晶顯示）或者LCoS(硅基液晶)的投影原理。

如圖4所示，所述外部光源3包括表面光源31和平行背光源32，該平行背光源32和表面光源31均連接集成控制器5。所述表面光源31安裝于圖像采集模塊2正下方，與圖像采集模塊2光軸重合，表面光源31為環(huán)形無影光源，可以發(fā)射白色光，也可以發(fā)射紅、綠、藍(lán)單色光，而且發(fā)光區(qū)域和發(fā)光顏色能夠通過集成控制器5控制調(diào)節(jié)。平行光源32安裝于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1下方，且與圖像采集模塊2、表面光源31光軸重合，可以通過集成控制器5控制其發(fā)光亮度。

如圖5所示，所述X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1包括可調(diào)光玻璃載物平面12和三軸移動(dòng)平臺(tái)本體11，可調(diào)光玻璃載物平面12用于安置待測(cè)物體，三軸移動(dòng)平臺(tái)本體11可帶動(dòng)可調(diào)光玻璃載物平面12沿X軸、Y軸或Z軸方向移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)待測(cè)物體沿X軸、Y軸或者Z軸方向移動(dòng)，而且X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1可采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，此處不再贅述。該三軸移動(dòng)平臺(tái)本體11和可調(diào)光玻璃載物平面12均連接集成控制器5。三軸移動(dòng)平臺(tái)本體11由集成控制器5驅(qū)動(dòng)和控制，可以通過集成控制器5控制可調(diào)光玻璃載物平面12透光或者是不透光。

實(shí)施例2

一種用于非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，包括三維測(cè)量過程和二維測(cè)量過程。

所述三維測(cè)量過程如下：

（a）將被測(cè)物體放置于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1上。

（b）PC6向集成控制器5發(fā)送任務(wù)，集成控制器5接收到任務(wù)后，根據(jù)需要，控制投影模塊4向被測(cè)物體照射結(jié)構(gòu)光。

（c）通過集成控制器5中的同步功能，集成控制器5再控制圖像采集模塊2拍攝被結(jié)構(gòu)光照射的被測(cè)物體的圖像，并將所拍攝的圖像存儲(chǔ)到集成控制器5中。

（d）重復(fù)步驟（a）-（c），獲得所需的所有圖像，即獲得一系列圖像。

（e）集成控制器5的數(shù)據(jù)處理單元利用解碼算法對(duì)所有圖像進(jìn)行處理，獲得被測(cè)物體表面三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（f）集成控制器5將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至PC的客戶端軟件。

對(duì)于無法一次性獲得被測(cè)區(qū)域的全部三維輪廓信息的情況，還增加了步驟（g）：集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1沿X軸、Y軸或Z軸移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)被測(cè)物體相對(duì)于光軸移動(dòng)，重復(fù)步驟（a）-（f），使PC6能獲取所需的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

對(duì)于需要獲取被測(cè)物體二維圖像信息的情況，其二維測(cè)量過程為：集成控制器5控制外部光源3照射被測(cè)物體，然后集成控制器5觸發(fā)圖像采集模塊1拍攝被測(cè)物體的二維圖像，最后集成控制器5將圖像傳輸?shù)絇C6的客戶端軟件。

另外，如圖6和圖7所示，為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精確性，于是，所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光包括黑白條紋編碼和正弦編碼；所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測(cè)物體的圖像的具體過程為分兩次進(jìn)行：

（A）所述投影模塊4向被測(cè)物體投影黑白條紋編碼，移動(dòng)黑白條紋編碼的位置，圖像采集模塊2拍攝每一種黑白條紋編碼對(duì)應(yīng)的圖像。此過程為所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測(cè)物體的圖像的第一次操作。

（B）所述投影模塊4向被測(cè)物體再投影正弦編碼，并移動(dòng)正弦編碼的位置，圖像采集模塊2再一次拍攝每一種正弦編碼對(duì)應(yīng)的圖像。此過程為所述步驟（b）中，所述投影模塊4向被測(cè)物體照射的結(jié)構(gòu)光和步驟（c）中，所述圖像采集模塊2拍攝被測(cè)物體的圖像的第二次操作。

步驟（B）之后，所述步驟（e）集成控制器5利用解碼算法對(duì)所有圖像進(jìn)行處理，獲得被測(cè)物體表面三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程如下：

（C）將步驟（A）獲得的圖像進(jìn)行解碼，獲得被測(cè)物體表面輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過判斷點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向量獲得被測(cè)物體表面高度突變的坐標(biāo)信息；

（D）以發(fā)生高度突變的坐標(biāo)作為分界線，將步驟（B）的圖像分成不同區(qū)塊，利用相移法解碼得到各個(gè)區(qū)塊的輪廓；

此外，為了保證測(cè)量的精確性，同時(shí)方便測(cè)量，所述步驟（a）將被測(cè)物體置于X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1上之后；當(dāng)需要獲取被測(cè)物體三維圖像信息時(shí)，集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1的可調(diào)光玻璃載物平面11處于不透光模式；而當(dāng)需要獲取被測(cè)物體二維圖像信息時(shí)，集成控制器5控制X-Y-Z三軸移動(dòng)平臺(tái)1的可調(diào)光玻璃載物平面12處于透光模式。

本發(fā)明通過可調(diào)光玻璃的應(yīng)用，使得裝置既能夠保持投影三維重建過程中保持非透明狀態(tài)，克服透明載物臺(tái)無法反射投影光線的難題，同時(shí)利用其透光狀態(tài)使用平行背光源獲得精確的二維輪廓信息。同時(shí)通過結(jié)合黑白條紋和正弦條紋靈活分區(qū)進(jìn)行三維重建的方法，使得三維重構(gòu)能夠適應(yīng)復(fù)雜的表面精確測(cè)量。本非接觸式復(fù)合測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法既能利用豐富的二維和三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行多種復(fù)雜尺寸的精密測(cè)量，也能夠適應(yīng)表面結(jié)構(gòu)起伏，輪廓結(jié)構(gòu)多樣的被測(cè)物體，極大的提高了精密制造中的復(fù)雜測(cè)量的可行性。

顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于發(fā)明保護(hù)的范圍。