一种精密小孔三维测量方法及装置与流程

本发明属于机械加工技术领域，特别涉及一种精密小孔三维测量方法及装置。

背景技术：

精密三维小孔在工业精密零件中应用广泛，如航空发动机、燃气轮机叶片气膜孔、内燃机燃油雾化器喷嘴等，精密零件中的小孔有三维几何形状复杂、加工难度大、检测困难的特点。精密三维小孔指孔直径10μm到1mm之间的，一般由电火花加工技术、激光加工技术加工的非圆异性孔。精密零件中的异形精密小孔根据工作要求，会有簸箕孔、扇形孔、后倾孔、锥形孔等不同的三维几何形状，异形设计有助于较大幅度提高工作效率。

然而，受零件材料结构强度要求的制约以及加工工艺、检测方法的限制，目前工程实际中应用最为广泛的仍是圆形孔和扇形孔。特种加工技术在保证小孔形状的一致性和可靠性方面也存在诸多挑战。如广泛应用的电火花加工技术采取“先打孔，后涂层，再扩孔”的流程，导致小孔成型质量得不到保证；激光加工特别是超短脉冲激光加工(飞秒激光)虽然有助于提高小孔成形质量，但易受加工环境(空气、真空等)和激光参数(脉冲能量、光通量密度、离焦量、扫描路径)等影响，且光路偏振容易导致小孔变形。加工误差所导致的小孔几何参数(横截面积/等效直径、出射角、方位角等)的变化，会极大地改变设备的运行效率，缩短设备的运行寿命。小孔的加工三维几何参数对设备运行性能的影响极大，加工参数与设计参数有偏差时会很大程度影响设备运行效率，甚至引发重大故障和事故，因此必须采取有效手段对加工的小孔几何参数进行检测。

而目前通用的检测方式有塞规测量、三坐标测量、二维成像测量等方法，但各种测量方式有测量效率低或精度低等问题，如塞规测量中量棒难以固定于气膜孔中且容易变形，导致无法获得准确测量结果而沦为定性测量；三坐标测量受限于本身测头尺寸，无法精确测量小直径三维小孔；二维成像测量在测量过程中要以机械的方式对准气膜孔中心轴线与相机光轴，测量效率和精度易受影响。

光场相机的出现为精密三维小孔三维测量提供了新的解决方向。光场相机在常规相机的传感器和主镜头中间增加了微透镜阵列，进而记录光线的传播方向，形成独特的经过透镜阵列编码的光场图像，对该光场图像进行处理渲染，继而可以得到三维信息，并且光场相机具有很大的景深范围、具有生成多视角图片及重聚焦图片的功能，极大的解决现有设备遇到的景深较小及小孔的遮挡问题。

技术实现要素：

本发明提供一种精密小孔三维测量方法，目的在于解决现有机械零件中诸如精密小孔的三维测量难题。

本发明实施例之一，一种精密小孔三维测量方法，

设置至少一台光场相机，用于拍摄所述待测精密小孔区域图像；

设置合适光源照射被测精密小孔区域，以至于精密小孔能被光场相机良好成像；

通过所述光场相机拍摄被测精密三维小孔区域，获得所述待测精密小孔区域图像，并进行光场多视角渲染及深度计算，获得光场多视角图像及深度图像；

根据光场多视角图像及深度图像对被测精密小孔进行位置识别和定位；

根据光场多视角图像及深度图像，得到被测精密小孔的三维几何参数。

本发明的有益效果包括：

1、本发明可通过一次拍摄得到精密三维小孔的多个视角的图像信息，且景深范围足够大，能从不同角度观察到精密三维小孔的情况，解决小孔遮挡的问题。

2、本发明可通过一次拍摄得到精密三维小孔的三维坐标信息，为精密三维小孔的三维几何参数计算提供丰富的三维信息。

3、本发明得到的信息为点云信息，可将数值直接导入判断程序，与现有生产方式可以高效的进行接入整合，实现数字化批量化的检测。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明实施例中精密小孔三维测量方法流程图。

图2是本发明实施例中光场相机拍摄在合适光源照射下测试精密三维小孔的系统示意图。

图3是本发明实施例中光场相机拍摄在合适光源照射下测试精密三维小孔的三维点云结果图及测量参数，其中，3-a气膜孔几何参数示意图，3-b一异形气膜孔的三维点云，3-c气膜孔及孔轴线，3-d气膜孔单侧截面积投影图。

10——光场相机，21——第一光源，22——第二光源，23——第三光源，30——燃气轮机叶片精密气膜孔。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种基于光场相机的精密三维小孔三维测量方法，包括如下步骤：

a1，根据被测精密三维小孔测量区域大小和测量深度范围，选择适合焦距和放大倍率的光学镜头。调节镜头光圈至光场相机光圈匹配，即微透镜光圈和主镜头光圈匹配，具体表现为光场相机拍摄散焦柔光纯色校准板图像，该图像中微透镜阵列恰好或接近于相切状态。调节完毕后，拍摄多张位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板，即散焦柔光纯色校准板。对多张原始光场白图像w(u,v)进行平均化及归一化处理后得到去渐晕矩阵后续拍摄的全部光场原始图像均需要点除以该去渐晕矩阵，从而完成光场白图像校准。

完成光场包图像校准步骤后，对光场白图像使用滤波器进行处理，去除光场白图像噪声，并对滤波后的光场图像进行非极大值抑制；进而根据处理后的图像取局部最大值，该最大值恰好为光场相机微透镜的整数级中心；以整数级微透镜中心作为初始迭代值，迭代优化微透镜排列网格，最终获得微透镜排列的角度及间距，获得亚像素级微透镜中心。

a2，光场相机尺度校准步骤需要装配位移台及尺度校准板：首先固定尺度校准板在光场相机焦平面区域，从焦平面处不断移动校准板到固定空间距离，并进行拍摄，且校准板上点的空间位置已知，因此可以得到整个移动过程中校准板上点的空间位置。圆点校准点在光场图像上会形成弥散圆，处理得到弥散圆的直径进而计算得到弥散圆的视差值及弥散圆的像素坐标，根据光场相机尺度校准模型，拟合得到空间中三维坐标和光场相机像素坐标和视差值的关系。

a3，根据被测精密三维小孔测量需求采用合适光源照射，如图2所示多个角度光源对精密三维小孔区域照射，以至于能被光场相机成像，必要时可进行多次成像；该过程中光源并不受限制，可以使用诸如内同轴光源、外同轴光源、环形光源、背光源、条形光源、球积分光源、穹顶光源等。

a4，基于被测精密三维小孔的光场相机原始光场图像，进行常规光场渲染及深度估计。首先进行光场多视角渲染，得到多视角图像；然后进一步计算获得光场视差图像，根据光场相机尺度校准结果，将光场视差图像转为光场深度图像，该深度图像中同样包含测试区域的所有像素点的深度信息。如图3(b)中所示的某个异性孔的深度图像和三维点云信息。

a5，光场多视角图像与常规二维相机图像本质上没有区别，可以视为多个不同角度的二维相机拍摄同一个物体，因此可以利用多视角图像结合精密三维小孔待测区域的特征信息，进行待测位置识别及定位，结合深度图像提高定位准确度；

a6，具体被测精密三维小孔的三维点云结果，通过算法计算得到被测精密三维小孔的三维几何参数：气膜孔的出射角度为39.07°，气膜孔单侧截面积为0.826mm²。如图3(c)(d)中所示的某个异性孔的轴线三维方向及截面积。

从目前的研究情况来看，三维测量技术种类较为丰富，并且也在不断提出新的方法和新的应用，但是在具体的实际应用中仍然存在一些问题，比如小孔的遮挡问题，需要在系统的自动化、稳定性、精度、速度和成本上进行权衡。本发明采用光场相机，可以对精密三维小孔进行三维测量，包括测量小孔的横截面积、开孔主轴三维方向等几何参数。本发明能够准确高效地获取精密三维小孔三维点云图，并计算得精密的三维几何参数，有效改善现有设备检查和人工检查存在的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的具体实施方式可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。