三维测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种三维测量系统，包括测长机以及立体视觉测量子系统，测长机包括计算机主机、一维平移测量子系统和图像局部瞄准子系统，所述一维平移测量子系统包括基体平台和气浮滑块，气浮滑块安装在基体平台上，并可沿基体平台的纵向滑动，所述图像局部瞄准子系统安装在所述气浮滑块上，所述立体视觉测量子系统安装在图像局部瞄准子系统上，该立体视觉测量子系统包括双目视觉测量装置，在该双目视觉测量装置下方形成有测量区域，且测量区域位于所述基体平台上，所述双目视觉测量装置与所述计算机主机实现电气连接。该三维测量系统能够高效、简便、精准地测出复杂形貌大尺寸工件的三维数据，并提升了测量的灵活性。
【专利说明】三维测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种三维测量系统。
【背景技术】
[0002]三维测量技术已广泛应用于航天航空、汽车、船舶、模具、家电等产品的设计制造及质量检测、生物医学、虚拟现实、数字博物馆、影视游戏等领域。双目立体视觉采用双摄像机模仿人眼功能，从不同视角获取物体表面信息，利用视差实现物体表面三维重构，具备非接触、高效率、成本低、易于操作，精度与分辨率较好优点，是一种较成熟，商业市场较成功的三维测量技术。但缺乏纹理的被测目标表面难以实现左右图像的匹配，在双目立体视觉的基础上常常增设一个投影设备将特定编码的结构光投射到物体表面形成匹配特征，称为面结构光三维测量技术。各种形状复杂的工件通过通过面结构光测量方法可快速准确实现表面三维重构，在获得实体表面模型后，基于计算机可视化技术，通过人机交互方式就可方便快捷地实现表面各种几何参数的选择与解算。但由于面结构光三维测量基于不同视角下二维平面图像的三维反求，只有在两个视角下皆可见的部分才能实现三维测量，其单次测量重构的是局部实体表面，只能满足小尺寸工件测量需求。
[0003]随着国家经济的发展和先进制造水平的提高，航空、航天、造船、钢铁、能源生产及储运等大型机械制造企业以及相关的科研院所和计量部门对各类大尺寸的零部件和大型结构几何检测的需求越来越多，局部三维测量技术难以满足此类要求。为了获得完整表面的三维重构，不可避免地需要全局数据拼接技术的支撑。目前较通用的数据拼接技术是在实体整个表面粘贴标志点的方法，但标志点法存在人工操作繁复，拼接效率低的缺陷。标志点法会导致数据空洞，而在一些对被测表面有特殊保护需求的情况下，标志点法会不可避免地导致干扰和阻碍。
[0004]测长机是指带有长度基准，且测量范围大(通常为一米以上)的长度计量仪器，可覆盖各领域大尺寸精密量具和精密零件的校准和测量。10米光栅测长机达到了该种设备的最大测量范围，但其存在测量功能单一，只能实现被测目标简单的一维或二维几何参数测量的缺陷，无法像结构光三维测量技术那样获取丰富的形面信息，实现功能多样化的数据后处理，限制了其在大尺寸测量领域的应用。
【发明内容】
[0005]基于此，本实用新型在于克服现有技术的缺陷，提供一种大尺寸三维测量系统，该三维测量系统能够高效、简便、精准地测出复杂形貌大尺寸工件的三维数据，并提升了测量的灵活性。
[0006]其技术方案如下:
[0007]一种三维测量系统，包括测长机以及立体视觉测量子系统，测长机包括计算机主机、一维平移测量子系统和图像局部瞄准子系统，所述一维平移测量子系统包括基体平台和气浮滑块，气浮滑块安装在基体平台上，并可沿基体平台纵向滑动，所述图像局部瞄准子系统安装在所述气浮滑块上，所述立体视觉测量子系统安装在图像局部瞄准子系统上，该立体视觉测量子系统包括双目视觉测量装置，在该双目视觉测量装置下方形成有测量区域，且测量区域位于所述基体平台上，所述双目视觉测量装置与所述计算机主机实现电气连接。
[0008]进行三维数据拼接测量的过程为:在测量区域内放置棋盘标定板，并通过双目视觉测量装置采集不同角度摆放的棋盘标定板的图像进行摄像机标定，据此建立局部三维测量坐标系；测长机基体移动轴线的标定需要沿基体平台的纵向确定至少5个测量位置，在每个测量位置上首先通过测长机的图像局部瞄准子系统将棋盘标定板的角点纵向排列方向调整至与测长机基体移动轴线一致，再重构每行棋盘格角点中首位角度和末位角点在局部三维测量坐标系中的三维坐标，确定测长机基体轴线在局部三维测量坐标系中的单位方向向量，所有位置测量之后平均所获取的全部单位方向向量；在基体平台上置入被测物体，通过推动气浮滑块使被测物体的各个局部均能进入所述的测量区域中，在每个测量位置上，读取相应的光栅读数，并通过双目测量装置的投影设备将黑白条纹周期编码图案以及相移编码图像投影至被测物体表面，双目视觉测量装置的左右两个摄像机同时拍摄受到物体表面形状调制的结构光投影图像，接着，经过图像处理解相后实现左右图像同一物体表面点的匹配，并结合摄像机标定参数重构出被测物体表面点在相应局部三维测量坐标系下的三维坐标；之后，以光栅读数为零时的局部三维测量坐标系做为全局坐标系，根据每个测量位置上所读取的光栅读数和上述平均单位方向向量，将所获得的局部三维测量坐标系中的三维坐标拼接到全局三维测量坐标系中，获得被测物体表面点在全局三维测量坐标系中的三维坐标；最后，根据被测物体表面点集在全局三维测量坐标系中的坐标进行数据构造或拟合，获得各种测量特征，最终实现特定的几何尺寸及形位误差参数测量任务。
[0009]在其中一个实施例中，所述的立体视觉测量子系统包括三维支撑装置，所述的双目视觉测量装置安装在所述的三维支撑装置上，所述的三维支撑装置安装在所述图像局部瞄准子系统上。因而，能够实现在该双目视觉测量装置下方形成测量区域，且测量区域位于所述基体平台上；另外，也能够实现双目视觉测量装置跟随所述的图像局部瞄准子系统的移动而进行移动。
[0010]在其中一个实施例中，所述的三维支撑装置包括支撑架构、三维云台以及固定板，所述三维云台通过所述支撑架构安装在所述的图像局部瞄准子系统上，所述固定板安装在所述三维云台上，所述双目视觉测量装置安装在所述的固定板上。因而，通过设置三维云台，可以实现三个互垂轴向的旋转，从而能够灵活改变双目视觉测量装置的拍摄视角。
[0011]在其中一个实施例中，所述的支撑架构包括第一支撑架、第二支撑架以及支撑板，所述的三维云台安装在所述的支撑板上，支撑板通过所述第一支撑架和第二支撑架安装于所述的图像局部瞄准子系统上，所述的第一支撑架和第二支撑架分别通过多个支撑棒级联而成。因而，通过第一支撑架和第二支撑架可以牢靠地将所述的双目视觉测量装置支撑在所述的测量区域或基体平台上方，进而实现双目视觉测量装置的第一摄像机和第二摄像机对测量区域内的被测物体的图像采集，以及双目视觉测量装置的投影设备对被测物体表面的投影；其中，通过增减支撑棒的个数可以改变所述的双目视觉测量装置与基体平台之间的高度距离。
[0012]在其中一个实施例中，所述的第一支撑架和第二支撑架均具有底座，该底座为磁性表座。磁性表座吸附于图像局部瞄准子系统的工作平台及纵向移动机构上，去磁后可调整支撑点的位置。
[0013]在其中一个实施例中，所述的支撑架构还包括支撑细杆和连接板块，支撑细杆的第一端部通过连接板块与所述的支撑板相连接，支撑细杆的第二端部安装在所述的图像局部瞄准子系统上。因而，通过设置支撑细杆和连接板块，可以增加支撑的牢靠程度。
[0014]在其中一个实施例中，所述的双目视觉测量装置包括第一摄像机、第二摄像机和投影设备，该第一摄像机和第二摄像机位于基本相同的高度上，且投影设备位于所述第一摄像机和第二摄像机之间，所述第一摄像机、第二摄像机和投影设备分别与所述的计算机主机电气连接。因而，由第一摄像机和第二摄像机采集的图像可以通过计算机主机进行图像数据处理，也可以通过计算机主机将相关图像反映在显示屏上；而投影设备对被测物体表面的图像投影则可以通过计算机主机进行控制。
[0015]在其中一个实施例中，所述的一维平移测量子系统还包括光栅尺以及与光栅尺相配合的光栅读数头，所述光栅尺设置在所述基体平台的背面，所述的光栅读数头设置在所述的气浮滑块上，该光栅读数头与所述计算机主机实现电气连接。因而，通过沿基体平台的纵向推动气浮滑块，光栅读数头可以在光栅尺上读取到不同的光栅读数，并将光栅读数输送到计算机主机中进行存储处理。
[0016]在其中一个实施例中，所述的图像局部猫准子系统包括具有横向微动手轮的横向移动机构、具有纵向微动手轮的纵向移动机构、工作平台以及光学成像系统，所述的横向移动机构、纵向移动机构以及工作平台均安装于所述的气浮滑块上，且横向移动机构、纵向移动机构分别与所述工作平台相连接，所述的光学成像系统与所述的计算机主机实现电气连接。因而，调节横向微动手轮或纵向微动手轮，通过横向移动机构或纵向移动机构可以对工作平台、光学成像系统以及所述立体视觉测量子系统进行横向或纵向方向上的微动调节，以获取合适的瞄准位置和局部测量区域。
[0017]在其中一个实施例中，所述的光学成像系统包括光学系统支撑架、放大物镜、光学系统控制台以及显示屏，所述的光学系统支撑架安装在所述的工作平台上，所述的放大物镜安装在所述的光学系统支撑架上，且放大物镜位于所述测量区域的旁侧，所述的放大物镜、光学系统控制台和显示屏分别与所述的计算机主机实现电气连接。因而，通过放大物镜可以在测长机基体轴线标定时将棋盘标定板角点特征进行放大，并实时显示在显示屏上；另外，通过光学系统控制台，还可以控制放大物镜采像时的光照强度和覆盖区域。
[0018]在其中一个实施例中，所述的测长机为10米光栅测长机。因而，该三维测量系统依托该基体可以实现对大尺寸被测物体的三维数据测量。
[0019]所述的“第一”摄像机、“第二”摄像机仅是对摄像机名称上的区分，并不作为对摄像机数量或顺序的限定，所述的“第一”支撑架、“第二”支撑架仅是对支撑架名称上的区分，并不作为对支撑架数量或顺序上的限定。
[0020]本实用新型的有益效果在于:
[0021](I)基于测长机移动轴线的精确标定，突破了传统的双目立体视觉测量范围的局部限制，高效、简便、精准地实现了大尺寸三维测量数据全局拼接，最终能实现大尺寸物体的三维测量。
[0022](2)拓展并提升了传统测长机的几何量检测功能，相比传统测长机可获取更丰富的三维形貌信息，在重建实体复杂面三维模型的基础上通过人机交互方式对获取的离散点云数据提取和拟合各类测量特征，满足各种几何尺寸和形位误差参数测量需求，提升了测量的灵活性和评定参数的多样性，为工业复杂形貌大尺寸工件的几何量检测提供更好的技术支撑与服务。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本实用新型实施例所述的三维测量系统的立体视图。
[0024]图2是图1的后视图。
[0025]附图标记说明:
[0026]10、基体平台，20、气浮滑块，30、光栅尺，40、光栅读数头，50、横向移动机构，51、横向微动手轮，60、纵向移动机构，61、纵向微动手轮，70、工作平台，80、光学系统支撑架，90、光学系统控制台，100、显示屏，110、放大物镜，120、第一支撑架，130、第二支撑架，140、支撑板，150、支撑细杆，160、连接板块，170、固定板，180、三维云台，190、第一摄像机，200、第二摄像机，210、投影设备，220、计算机主机，230、棋盘标定板。
【具体实施方式】
[0027]下面对本实用新型的实施例进行详细说明:
[0028]如图1和图2所示，一种三维测量系统，包括10米光栅测长机以及立体视觉测量子系统，该10米光栅测长机包括计算机主机220、一维平移测量子系统和图像局部瞄准子系统，一维平移测量子系统包括基体平台10和气浮滑块20，气浮滑块20安装在基体平台10上，并可沿基体平台10纵向滑动，图像局部瞄准子系统安装在气浮滑块20上，立体视觉测量子系统安装在图像局部瞄准子系统上，该立体视觉测量子系统包括双目视觉测量装置，在该双目视觉测量装置下方形成测量区域，且测量区域位于基体平台10上，双目视觉测量装置与所述计算机主机220实现电气连接。
[0029]其中，上述的一维平移测量子系统还包括光栅尺30以及与光栅尺30相配合的光栅读数头40，光栅尺30设置在上述基体平台10的背面，光栅读数头40设置在气浮滑块20上，该光栅读数头40与计算机主机220实现电气连接。
[0030]上述的图像局部猫准子系统包括具有横向微动手轮51的横向移动机构50、具有纵向微动手轮61的纵向移动机构60、工作平台70以及光学成像系统；横向移动机构50、纵向移动机构60以及工作平台70均安装于气浮滑块20上，且横向移动机构50、纵向移动机构60分别与工作平台70相连接，且纵向移动机构60的前方即是上述的测量区域；光学成像系统包括光学系统支撑架80、放大物镜110、光学系统控制台90以及显示屏100，光学系统支撑架80安装在工作平台70上，放大物镜110安装在光学系统支撑架80上，该放大物镜110还位于上述测量区域的旁侧，放大物镜110、光学系统控制台90和显示屏100也分别与计算机主机220实现电气连接。
[0031]上述的立体视觉测量子系统还包括三维支撑装置，上述的双目视觉测量装置安装在三维支撑装置上。三维支撑装置包括支撑架构、三维云台180以及固定板170，支撑架构包括第一支撑架120、第二支撑架130、支撑板140、支撑细杆150以及连接板块160，双目视觉测量装置包括第一摄像机190、第二摄像机200和投影设备210 ;第一摄像机190、第二摄像机200和投影设备210均安装在固定板170上，且第一摄像机190和第二摄像机200位于基本相同的高度上，投影设备210位于所述第一摄像机190和第二摄像机200之间，该第一摄像机190、第二摄像机200和投影设备210分别与所述的计算机主机220电气连接；上述固定板170安装在三维云台180上，三维云台180安装在支撑板140上，第一支撑架120的第一端部、第二支撑架130的第一端部均支撑上述支撑板140，支撑细杆150的第一端部通过连接板块160支撑所述支撑板140，第一支撑架120的第二端部、支撑细杆150的第二端部安装在工作平台70上，第二支撑架130的第二端部安装在纵向移动机构60上。上述第一支撑架120和第二支撑架130分别通过多个支撑棒级联而成，且第一支撑架和第二支撑架均具有底座，该底座为磁性表座。
[0032]上述的“第一”摄像机、“第二”摄像机仅是对摄像机名称上的区分，并不作为对摄像机数量或顺序的限定，上述的“第一”支撑架、“第二”支撑架仅是对支撑架名称上的区分，并不作为对支撑架数量或顺序上的限定。
[0033]通过上述三维测量系统对大尺寸物体三维测量数据的拼接测量过程具体如下:
[0034]步骤SlOl:通过三维云台180将固定板170调整至竖直状态，确保第一摄像机190和第二摄像机200能够同时采集到测量区域内的图像；
[0035]步骤S102:将棋盘标定板230摆放至前述测量区域内，由第一摄像机190和第二摄像机200采集该区域内至少6个不同角度摆放的标定板表面棋盘的图像，根据所采集图像并通过多视角单应性矩阵约束算法求解出第一摄像机190和第二摄像机200的内部光学参数及空间相对位置参数，从而建立起局部三维测量坐标系，其中，棋盘标定板230摆放角度的改变可借助小型垫块来实现，局部三维测量坐标系的原点位于第一摄相机的光心，XY平面位于该摄像机的成像平面上，Z轴与该摄像机的光轴重合；
[0036]步骤S103:推动气浮滑块20至测长机基体平台10纵向上某一特定位置，立体视觉测量子系统也随之移动到该位置，将棋盘标定板230放置在放大物镜110下，显示屏100会实时显示放大物镜110采集到的棋盘标定板230表面上角点图案，此时缓慢推动气浮滑块20，同时手动微调棋盘标定板230位置，使显示屏100中的瞄准十字线沿标定板的棋盘格表面扫过，确保滑动过程中同一行上的棋盘格角点均能与瞄准十字线对准，进而确保棋盘标定板230上角点的纵向排列方向已经与测长机的基体轴线一致；需要说明的是，该过程需要反复来回轻微调整棋盘标定板230的摆放位置，才能达到角点纵向排列方向与测长机的基体轴线一致的要求；
[0037]步骤S104:保持棋盘标定板230的位置不变，将气浮滑块20推动至第一摄像机190和第二摄像机200均能够对棋盘标定板230图案完整成像的位置，对棋盘标定板230的角点坐标进行三维重构，将每一行末位角点的三维坐标减去首位角点的三维坐标并归一化，获得测长机基体轴线在局部三维测量坐标系下的单位方向向量；
[0038]步骤S105:在整个测长机基体平台10米范围内等距离间隔确定5个测量位置，即相邻两个测量位置最大间隔2米，在每个测量位置上重复上述步骤103和步骤104，由于棋盘格标定板具有12行排列的标定角点，5个位置上一共可获得60个基体轴线单位方向向量标定结果，按照下列公式平均后作为平均单位方向向量(XA，YA，ZA):
【权利要求】
1.一种三维测量系统，其特征在于，包括测长机以及立体视觉测量子系统，测长机包括计算机主机、一维平移测量子系统和图像局部瞄准子系统，所述一维平移测量子系统包括基体平台和气浮滑块，气浮滑块安装在基体平台上，并可沿基体平台纵向滑动，所述图像局部瞄准子系统安装在所述气浮滑块上，所述立体视觉测量子系统安装在图像局部瞄准子系统上，该立体视觉测量子系统包括双目视觉测量装置，在该双目视觉测量装置下方形成测量区域，且测量区域位于所述基体平台上，所述双目视觉测量装置与所述计算机主机实现电气连接。
2.根据权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述的立体视觉测量子系统包括三维支撑装置，所述的双目视觉测量装置安装在所述的三维支撑装置上，所述的三维支撑装置安装在所述图像局部瞄准子系统上。
3.根据权利要求2所述的三维测量系统，其特征在于，所述的三维支撑装置包括支撑架构、三维云台以及固定板，所述三维云台通过所述支撑架构安装在所述的图像局部瞄准子系统上，所述固定板安装在所述三维云台上，所述双目视觉测量装置安装在所述的固定板上。
4.根据权利要求3所述的三维测量系统，其特征在于，所述的支撑架构包括第一支撑架、第二支撑架以及支撑板，所述的三维云台安装在所述的支撑板上，支撑板通过所述第一支撑架和第二支撑架安装于所述的图像局部瞄准子系统上，所述的第一支撑架和第二支撑架分别通过多个支撑棒级联而成。
5.根据权利要求4所述的三维测量系统，其特征在于，所述的第一支撑架和第二支撑架均具有底座，该底座为磁性表座。
6.根据权利要求1至5任一项所述的三维测量系统，其特征在于，所述的双目视觉测量装置包括第一摄像机、第二摄像机和投影设备，该第一摄像机和第二摄像机位于基本相同的高度上，且投影设备位于所述第一摄像机和第二摄像机之间，所述第一摄像机、第二摄像机和投影设备分别与所述的计算机主机电气连接。
7.根据权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述的一维平移测量子系统还包括光栅尺以及与光栅尺相配合的光栅读数头，所述光栅尺设置在所述基体平台的背面，所述的光栅读数头设置在所述的气浮滑块上，该光栅读数头与所述计算机主机实现电气连接。
8.根据权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述的图像局部瞄准子系统包括横向移动机构、纵向移动机构、工作平台以及光学成像系统，所述的横向移动机构、纵向移动机构以及工作平台均安装于所述的气浮滑块上，且横向移动机构、纵向移动机构分别与所述工作平台相连接，所述的光学成像系统与所述的计算机主机实现电气连接。
9.根据权利要求8所述的三维测量系统，其特征在于，所述的光学成像系统包括光学系统支撑架、放大物镜、光学系统控制台以及显示屏，所述的光学系统支撑架安装在所述的工作平台上，所述的放大物镜安装在所述的光学系统支撑架上，且放大物镜位于所述测量区域的旁侧，所述的放大物镜、光学系统控制台和显示屏分别与所述的计算机主机实现电气连接。
10.根据权利要求1所述的三维测量系统，其特征在于，所述的测长机为10米光栅测长机。
【文档编号】G01B11/24GK203704883SQ201420056055
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】韦争亮, 古耀达, 黄志斌, 林冬青, 吴菁, 代鲲鹏, 程志刚 申请人:广州计量检测技术研究院