三维光学测量技术在家电产品开发中的应用研究

张德海;闫观海;秦玉涛;王彦坤;文晶晶

【摘 要】在现代工业制造领域中,快速、高效、高精度地实现工件的表面形状显得日益重要.通过三维光学测量系统实现家电产品开发,对三雏测量方法及原理进行了研究.以垃圾处理器的一个关键工件--输水圆盘为例进行了测量,经逆向处理获得了数模,证明这种方法是切实可行的.

【期刊名称】《家电科技》

【年(卷),期】2009(000)022

【总页数】3页(P52-54)

【关键词】三维光学测量;摄影测量;外差式多频相移技术;垃圾处理器

【作 者】张德海;闫观海;秦玉涛;王彦坤;文晶晶

【作者单位】西安交通大学机械工程学院;西安交通大学机械工程学院;河南新飞电器有限公司;河南新飞电器有限公司;河南新飞电器有限公司

【正文语种】中 文

【中图分类】工业技术

T 雠紫 I论文 ·论述三维光学测 量技术 在 家 电产 品 开发 中 的应 用 研 究 西安交通大学机械工程学院 张德海 闰观海河南新飞电器有限公司 秦玉涛 王彦坤 文晶晶 l ◆：摘要： ———_在现代工业制 造领域 中， 快速 、 高效 、 高精度地 实现工件 的表面 形状显得 日益重要， 通过三维光学测量 系统 实现 家电 产 品 开发 ， 对三维测 量方 法及原理进行 了研究 、 以 垃圾处理 器 的 一 个 关键工件——输水 圆盘为例进行 了测 量 ， 经逆 向处理获得 了数模 ， 证明这种方法是切实可行的 ，关键词 ： 三维光学测量 ； 摄影测量 ； 外差式多频相移技术 ；垃圾处理器1前言 随着现代制造 ’1 ： 业的不断发展 ， 对 [ 业制件及其制造模具的高精度检测 日益成为迫切的需求。 尤其是产品零件大量采用不规 则复杂曲面 ， 其设计 、 生产 、 检测 、 试验等环节需要进行大量的 三维曲面实体数字化和三维测量 、 检测工作， 迫切需要快速 、 高 效 、精确的三维尺寸测量和检测技术… 。 传统的工业现场检测方法， 是利用检具 、 基尺等手段进行矗接测量， 或利用三坐标测量机， 采集物体表面的特征点与其数模 进行比对。 这种方法虽然商观 、 易操作 ， 但其仍然存在着检测速 度慢 ．T件表面点数据量采集不够 ， 不能针对特定产品进行定制检测等缺陷。这里提出一种 J9f 光学测量技术应用在家电产品 （ 垃圾处理器）研究开发上的方法， 该方法可以快速获取物体表面的几何特征，工件以点云信息形式出现， 通过逆向后处理获得 1： 件的CAD数模。对于企业针对优势产品 ， 在已有产品上进行改进设计， 具有较强的现实意义和应用价值。2三维光学测量技术 三维光学测量系统的基本原理： 如图1所示， 多采用结构光非接触式测量原理。 它集结构光测量 、 相位测量 、 计算机视觉等技 术于一体， 通过光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测 物体已并由成一定夹角的两个摄像头同步采集相应图像 ， 然后 对图像进行解码和相位计算， 并利用匹配技术和三角测嗣原婵， 计算出两个摄像机公共视区内像素点的i 维坐标， 从而实现物体 的j维信息数字化和测量”【 。 52.l..:-, c:..Technology／X ／物方坐标系2.1结构光测量法 结构光测量方法是…种主动式光学测量技术 ， 其基本原理是由结构光投射器向被钡 口 物体表面投射可控制的光点 、 光条或光面结构 ， 并 由图像传感器{如摄像机） 获得图像 ， 通过系统几何关系 ， 利用三角原理 计算得到物体的三维坐标”l 。 相位测量轮廓术是以测罨投影到物体上的变形条纹像的相位为綦础 ，通过相位与高度的映射关系得到被测物体的三维形貌。 轮廓术 中相位的测量常用相移法。 桕移法综合了各桕移条纹的信息， 可以真 接得到全场的相位分布 ， 而且由于多幅相移图比单幅图提供更多的信 息 ，因而它能提供比其它方法更高精度的结果 ， 同时相位符 号没有二义性。相位测量轮廓法的难点在于解包裹方法。 目前常用解包裹方法为 格雷码法， 如图2 。 投影格； 舀 编码的条纹时， 第一次投影与待解相条纹雠紫 I论文·三维光学测 量技术在 家 电产 品 开发 中 的应 用 研 究西安交通大学机械工程学院 张德海 闰观海 l◆：摘要：———_在现代工业制 造领域 中， 快速 、 高效 、 高精度地 实现工件的表面 形状显得 日益重要， 通过三维光学测量 系统 实现 家电 产品 开发 ， 对三维测 量方 法及原理进行 了研究 、 以 垃圾处理 器 的一 个 关键工件——输水 圆盘为例进行 了测 量 ， 经逆 向处理获得了数模 ， 证明这种方法是切实可行的 ，垃圾处理器 1前言随着现代制造’1：业的不断发展 ， 对 [ 业制件及其制造模具的高精度检测 日益成为迫切的需求。 尤其是产品零件大量采用不规则复杂曲面 ， 其设计 、 生产 、 检测 、 试验等环节需要进行大量的三维曲面实体数字化和三维测量 、 检测工作， 迫切需要快速 、 高效 、…。传统的工业现场检测方法， 是利用检具 、 基尺等手段进行矗接测量， 或利用三坐标测量机， 采集物体表面的特征点与其数模进行比对。 这种方法虽然商观 、 易操作 ， 但其仍然存在着检测速度慢 ．这里提出一种 J9f 光学测量技术应用在家电产品 （ 垃圾处理有较强的现实意义和应用价值。 2三维光学测量技术三维光学测量系统的基本原理： 如图1所示， 多采用结构光非接触式测量原理。 它集结构光测量 、 相位测量 、 计算机视觉等技术于一体， 通过光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体并由成一定夹角的两个摄像头同步采集相应图像 ， 然后对图像进行解码和相位计算， 并利用匹配技术和三角测嗣原婵，计算出两个摄像机公共视区内像素点的i 维坐标， 从而实现物体的j”【 52. l.. :-, c :.. Technology／ X物方坐标系 2.1结构光测量法结构光测量方法是…种主动式光学测量技术 ， 其基本原理是由结构光投射器向被钡 口 物体表面投射可控制的光点 、 光条或光面结构 ， 并由图像传感器{如摄像机） 获得图像 ， 通过系统几何关系 ， 利用三角原理计算得到物体的三维坐标”l相位测量轮廓术是以测罨投影到物体上的变形条纹像的相位为通过相位与高度的映射关系得到被测物体的三维形貌。 轮廓术中相位的测量常用相移法。 桕移法综合了各桕移条纹的信息， 可以真接得到全场的相位分布 ， 而且由于多幅相移图比单幅图提供更多的信息 ，相位测量轮廓法的难点在于解包裹方法。 目前常用解包裹方法为格雷码法， 如图2 。 投影格； 舀 编码的条纹时， 第一次投影与待解相条纹圈2 格雷码光栅条纹 III IIII lI节距棺同的格雷码条纹， 并以摄像机摄取其图像； 第二次投影节距2 倍于待解相条纹的格雷码条纹， 同样以摄像机摄取其图像。 以此类 推，商到格雷码条纹的节距达到视场一 ·半时为止。 对于格雷码加相移的-维测量技术的缺点 ， 国内外一直在研究新}I 勺 替代方法 ， 提出了很多测量技术， 其中外差式多频相移技术是发展较快的方法”1 。 该技术与传统的格雷码加帼移相比 ， 具有以下突出优点 ：…测量工件不受光线明暗的影响。 可在白然光照下， 不用喷显影剂就可测量大多数的工件； 12l 测量幅面可以更大， 而测量时间较短； 13l测量精度更高。 其测量精度主要由一幅光栅四次相移决定；（ 4 】 可以测量非连续 、 表面几何特征剧烈变化的工件。本文采用的是外差式多频相移技术。 2.2摄影测量技术摄影测量采用三角测量法进行 ， 它是通过空间直线的交点坐标 确定物体上某些特征点的坐标。 但是要想对这些点进行三角测量， 就必须知道所有相片拍摄时的相机位置和拍摄方位角 ， 这由 一个称 之为后方交汇的过程来完成。 最后由摄影测量的性质决定了必须对 照橱机进行标定， 以便消除误差 （ 图3 ）。 相机标定的方法有两类 ： 可以先对拍摄位置进行标定而后再测量， 也可边测量边标定 ， 后者 称为自我标定。 虽然这些技术最好是分开论述 ， 但其实它们是同时 工作的 ， 此过程称之为成组调整。 22.1 j角测量法 i角测量法是利用两幅以上的相片用数学的方法通过求解空间 亩线的交点来确定 目标点三维坐标 (x ， Y ． Z) 的方法。 三角测锓 法不 止限于一次只对一个点进行测量 ， 它可同时对相片上所有的点 进行测量。 222 后方交汇 后方交汇是确定所拍相片的相机最终方位的过程。 惯用的做法图3 相机摄站分布 ChinaApplianceTechnology 蜃 莲 蒌 匮 0 鼹图4 后方交汇是榴片中昕行看得见的且已知空间坐标 （ X ， 丫． Z ）的 目标点都用 来确定相机的最终方位。 为了获得可靠的后方交汇， 在每张相片中 至少耍有l2个合理分布的 目标点。 如果 日标点的空间坐标已知 （ 通 过三角测量法可求出 ）． 就可以计算照相机的方位 （ 图4 ）。223榴机自我标定即使对于高性能的数码相机和镜头仍然需要准确地对其进行 标定以消除系统误差。 在测量过程中进行边测量边 自动标定的能 力称之为自我标定。 这意味着自我标定是在特定的环境条件 （ 如温 度、湿度等 ）下进行的。 首先测量过程耍具有旋转多样性 ， 即一部 分相片用相机横向拍摄， 列一部分相片纵向拍摄， 角度差要求大约 在9 。 。左右，两部分最好足各占一半； 其次耍求最少相片数量和拍摄方位的要求 ， 对平而物体来说， 至少要求从j 个方位获取六张相片 ，对■维物体来说也至少要获取网张桐片’ 【 ； 最后要求相片 ji必须有不得低于·定数量的合理分布的目标点。 224成组调整 （ 前方交汇 ）成组调整即前方交汇 （ 图5 ）， 其实质是处理相片信息以便计 算被测点的最终三维坐标的过程。 利用成组调整具有迭代算法的性 质，可以反复同时调整所有计算方程的相关系数， 从而获得最优化结果。N5麓布； 霆￡ ．， 、 一。1。 ． ： 。 ． ’ 。i0‘掣 。、 鼻 ；Technology53圈2格雷码光栅条纹节距棺同的格雷码条纹， 并以摄像机摄取其图像； 第二次投影节距2倍于待解相条纹的格雷码条纹， 同样以摄像机摄取其图像。 以此类推，一·半时为止。对于格雷码加相移的新}I勺替代方法 ， 提出了很多测量技术， 其中外差式多频相移技术是”1该技术与传统的格雷码加帼移相比 ， 具有以下突 1 2l测量幅面可以更大， 而测量时间较短；（4】可以测量非连续 、 表面几何特征剧烈变化的工件。摄影测量采用三角测量法进行 ， 它是通过空间直线的交点坐标确定物体上某些特征点的坐标。 但是要想对这些点进行三角测量，就必须知道所有相片拍摄时的相机位置和拍摄方位角 ， 这由 一个称之为后方交汇的过程来完成。 最后由摄影测量的性质决定了必须对照橱机进行标定， 以便消除误差 （ 图3 ）。 相机标定的方法有两类 ：可以先对拍摄位置进行标定而后再测量， 也可边测量边标定 ， 后者称为自我标定。 虽然这些技术最好是分开论述 ， 但其实它们是同时工作的 ， 此过程称之为成组调整。 i角测量法是利用两幅以上的相片用数学的方法通过求解空间亩线的交点来确定 目标点三维坐标 (x ， Y ． Z) 的方法。 三角测锓法不 止限于一次只对一个点进行测量 ， 它可同时对相片上所有的点进行测量。 222后方交汇后方交汇是确定所拍相片的相机最终方位的过程。 惯用的做法图3相机摄站分布 ChinaApplianceTechnology 蜃 莲 蒌 匮 0 鼹图4是榴片中昕行看得见的且已知空间坐标 （ X ， 丫． Z ）的 目标点都用来确定相机的最终方位。 为了获得可靠的后方交汇， 在每张相片中至少耍有l2个合理分布的 目标点。 如果 日标点的空间坐标已知 （ 通过三角测量法可求出 ）． 就可以计算照相机的方位 （ 图4 ）。 223即使对于高性能的数码相机和镜头仍然需要准确地对其进行标定以消除系统误差。 在测量过程中进行边测量边 自动标定的能力称之为自我标定。 这意味着自我标定是在特定的环境条件 （ 如温度湿度等 ）下进行的。 首先测量过程耍具有旋转多样性 ， 即一部分相片用相机横向拍摄， 列一部分相片纵向拍摄， 角度差要求大约在9 。 。【；最后要求相片 ji必成组调整即前方交汇 （ 图5 ）， 其实质是处理相片信息以便计算被测点的最终三维坐标的过程。 利用成组调整具有迭代算法的性质，结果。 N5麓布；霆￡．，一。1。i 0‘掣 。、 鼻 ； 53裟 ： “ I 论文 · 论述 3垃圾处理器输水圆盘的扫描检测 3 1测量方案确定 (1) 零件特征分析 由于工件输水圊敏刚度较小 ， 表面特征多 为曲面 ， 应用本文提出的三维光学测量系统对其测量比较合适；(2)测量方案摄影测量系统获得零件标志点坐标信息 ， 导入全局坐标点 ； 通过三维光学面扫描系统进行点云采集 、 多幅面拼接 ，从而获得点云数据 ； 然后利用点云后处理软件进行相关处理获得工件三维数模 ； (3) 方案优点 相比单独使用三维光学面扫描系统 ， 该方案能够有效地保证零件整体点云的拼接精度 ； (4) 测量设备 XJTUDP摄影测量系统和XJTUOM 三维光学面扫描测量系统。3.2 测量获得数模(1)摄影采集标志点信息。 将待测工件进行喷涂 、 贴标志点 、等表面处理后 ， 在工件周围放好编码点及标尺 ， 利用摄影测量系统 采集T 件的非编码和编码标志点三维坐标信息 （ 图6 ）。图6摄影测量获取标志点坐标信息(2) 通过XJTUDP 摄影测量系统计算 际信息， 如图7 。图7预处理计算非编码标志点三维坐标 HJ ■ ●．.jt ● ¨图8 点云采集L ——厂 ◇.................................__田9后处理得到工件三雏数横驻慕名善踅鹜兰喜薯塑苎啦拦型趔笠！羔些笠野塑L 一．- …．…_ ¨ 面’ ． ． … I … ：∞c ． 冀 “舳吐“帕¨卸聃吣A )ro/E 等CAD 软图10输水圆盘逆向处理后导入Pro/E 中的数模 图1 1垃圾处理器在Pro/E 中的装配图 4结论 采恁》 、专> ～ -- 一__，；二一7是切爹 参考文献 三维光学测量无 用性等方面 ， 帮 新产品的快速习 理获得数模为仞 ，亍 的， 今后将推罐罄 萨鼋静 琚 敝 双 w 髋穗 鄹 。 瓢 矧 麒 濞 嘴 跚 嘟 龇 嫩 忙 唯 一” 删 弧 蹰精 的 嚣 的 ， 、 纵 骗 姗 隅 阮 ～ 一 一 一 一 测 用 。 在 刖易 足 是 满 还 以 耍 玎裟 ：“I论文 (1) 零件特征分析 由于工件输水圊敏刚度较小 ， 表面特征多为曲面 ， 应用本文提出的三维光学测量系统对其测量比较合适； (2) (3)方案优点相比单独使用三维光学面扫描系统 ， 该方案能 (4)测量设备XJTUDP描测量系统。 3.2 测量获得数模 (1)摄影采集标志点信息。 将待测工件进行喷涂 、 贴标志点 、等表面处理后 ， 在工件周围放好编码点及标尺 ， 利用摄影测量系统采集T 件的非编码和编码标志点三维坐标信息 （ 图6 ）。摄影测量获取标志点坐标信息 (2) 通过XJTUDP 摄影测量系统计算际信息， 如图7 。 HJ■●．.jt●¨图8点云采集 L——厂◇．-…．…_ ¨面’∞c冀“舳吐“帕¨卸聃吣A )ro/E 等 CAD软 4结论采恁》、专> ～ --一__，；二一7是切爹参考文献三维光学测量无用性等方面 ， 帮新产品的快速习理获得数模为仞亍的，今后将推罐罄萨鼋静琚敝双w髋穗鄹瓢矧麒濞嘴跚嘟龇嫩忙唯”删弧蹰精的嚣纵骗姗隅阮～测用在刖易足是满还以耍玎