劉士興, 朱 妍, 宋亞杰, 孫 操

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

基于激光三角法的三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)研制

劉士興, 朱 妍, 宋亞杰, 孫 操

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院, 安徽 合肥 230009)

為了改善光電子技術(shù)、數(shù)字圖像處理等3D打印相關(guān)技術(shù)課程的實(shí)踐教學(xué)效果,設(shè)計(jì)了基于激光三角法的三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)。采用單片機(jī)作為主控制器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)使待測(cè)物體做360°旋轉(zhuǎn),工業(yè)相機(jī)采集線激光器照射到被測(cè)物體的反射光,對(duì)圖像進(jìn)行二值化和濾波預(yù)處理、極值法提取激光線中心、點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算等處理后獲取被測(cè)物體三維輪廓信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取被測(cè)物體三維輪廓,測(cè)量誤差小于±0.5 mm。

三維輪廓測(cè)量；激光三角法； 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定； 點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,物體三維輪廓測(cè)量方法不斷更新,并被廣泛地應(yīng)用于逆向工程仿真[1]、機(jī)器視覺(jué)[2]、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[3]。三維測(cè)量手段包括接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量,接觸式測(cè)量利用機(jī)械接觸式探針提取物體的表面信息,可能對(duì)被測(cè)物表面造成損傷,難以用于測(cè)量柔性物體[4]。非接觸式測(cè)量方法主要包括飛行時(shí)間法[5]、全息干涉法[6]、雙目視覺(jué)法[7]、激光三角法等[8-9]。全息干涉測(cè)量主要針對(duì)粗糙表面的測(cè)量,精度較高,然而對(duì)攝像底片的分辨率要求高,需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的化學(xué)處理[10]。雙目視覺(jué)法模仿人的雙眼感知距離,通過(guò)匹配算法找出兩幅圖像中的匹配點(diǎn),算法復(fù)雜度高[11]。

本文基于激光三角測(cè)量原理,研制了一種三維輪廓測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)不規(guī)則物體輪廓的自動(dòng)化掃描和非接觸式測(cè)量,具有測(cè)量速度快,分辨率高,成本低等優(yōu)點(diǎn)[12]。

1 三維輪廓測(cè)量原理

1.1 激光三角測(cè)距原理

如圖1所示,紅外激光器發(fā)出光束照射在被測(cè)物體表面,形成光斑H0,成像系統(tǒng)對(duì)部分漫反射光進(jìn)行匯聚,光斑在光敏元件形成像點(diǎn)M0,當(dāng)被測(cè)物表面沿激光軸線方向發(fā)生位移變化到H1時(shí),反射光的角度發(fā)生變化,光敏面上成像點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)得到M1,物點(diǎn)和像點(diǎn)位置關(guān)系見式1。已知像點(diǎn)的位置,即可由式(2)計(jì)算物點(diǎn)到參考平面的距離。

圖1 激光三角法光路結(jié)構(gòu)圖

(1)

(2)

式中:y為物點(diǎn)位移量,x為像點(diǎn)位移量,α為入射光H1H0與反射光H0M0的夾角,β為反射光H0M0與CCD光敏面M1M0夾角,a為H0點(diǎn)的成像物距,b為H0點(diǎn)的成像像距。

由式(2)可得式(3),物點(diǎn)位移量的倒數(shù)與像點(diǎn)的偏移量的關(guān)系是一條光滑的曲線。

(3)

式中

1.2 三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

利用位移平臺(tái)給出定標(biāo)點(diǎn),基于非線性最小二乘算法確定物點(diǎn)空間位移量與像點(diǎn)像素位移量的函數(shù)關(guān)系,具有標(biāo)定參數(shù)少、效率和精度高的優(yōu)點(diǎn)[13]。

定標(biāo)平臺(tái)選用螺桿型手動(dòng)位移平臺(tái),行程為125 mm,精度1 mm,通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿使臺(tái)面定向位移。系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)在位移平臺(tái)上放置一表面光滑的豎直參考面,用于接受激光照射產(chǎn)生反射光斑；以2 mm為位移間距移動(dòng)平面,并觸發(fā)相機(jī)拍照,共拍攝標(biāo)定照片63張,提取每張照片的激光線中心,記為(x1,x2,……,x63),對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移量為(y1,y2,……,y63),擬合得到關(guān)于x的二次曲線即為系統(tǒng)標(biāo)定曲線,通過(guò)內(nèi)插法即可找到任一像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)。

1.3 三維輪廓掃描過(guò)程

如圖2所示,將被測(cè)物體放置旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)上,線型激光照射待測(cè)物體,相機(jī)通過(guò)捕捉反射光采集物體輪廓信息,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶臺(tái),每隔一定角度觸發(fā)相機(jī)拍照,每張照片對(duì)應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)角度。例如拍照N張,則步距角為360°/N,第n(n=1、2…N)張照片對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角θ=(n-1)×360°/N,靶臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周即完成對(duì)被測(cè)物體的輪廓掃描。

圖2 三維輪廓掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖3所示,三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)由三維輪廓掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)控制儀和計(jì)算機(jī)組成。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 三維輪廓掃描實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

選用固有頻率低、阻振性能強(qiáng)的精密型柜式光學(xué)平臺(tái)固定三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)中的光學(xué)設(shè)備,包括工業(yè)相機(jī)、線激光源和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái),使三者之間的位置關(guān)系滿足激光三角法測(cè)距的應(yīng)用條件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪廓掃描,計(jì)算機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)線連接到工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集掃描圖片。

工業(yè)相機(jī)選用邁德威視(MindVision)公司以太網(wǎng)CMOS相機(jī),最大分辨率為2 592像素×1 944像素,具有軟硬件兩種觸發(fā)方式。線型紅外激光源波長(zhǎng)650 nm,光線最細(xì)達(dá)到1 mm,較細(xì)的激光為后續(xù)確定激光線中心提供基礎(chǔ)。選用KDM556電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,可驅(qū)動(dòng)4、6、8線兩相步進(jìn)電機(jī),脈沖響應(yīng)頻率可達(dá)到200 kHz,細(xì)分范圍200～51 200；步進(jìn)電機(jī)和蝸桿通過(guò)彈性聯(lián)軸器連接同步傳動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái),傳動(dòng)比為90∶1,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)控制儀

三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)控制儀集成了單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊和電源模塊,該控制儀將計(jì)算機(jī)指令轉(zhuǎn)化為對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置的控制信號(hào)。

4)與塑料地膜生產(chǎn)中各項(xiàng)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)體系相比，紙地膜的各項(xiàng)指標(biāo)體系尚沒(méi)有建立，不利于紙地膜的生產(chǎn)和推廣。

選用STC89C52RC芯片作為控制單元,通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信,通過(guò)接線端子連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和相機(jī),輸出方向信號(hào)、脈沖信號(hào)、相機(jī)觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)相機(jī)的控制；兩相4線步進(jìn)電機(jī)的藍(lán)、紅、黑、綠4條線接在驅(qū)動(dòng)器A+、A-、B+、B-上,采用共陽(yáng)極接線方式；以并行方式向LCD寫入顯示內(nèi)容,LCD實(shí)時(shí)顯示掃描進(jìn)度[14-16]。

3 輪廓測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輪廓測(cè)量軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和單片機(jī)控制兩部分。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)三維輪廓還原算法和人機(jī)交互,單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.1.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)了輪廓測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件,為方便學(xué)生做課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖像處理和算法設(shè)計(jì),在LabVIEW程序中嵌入了開源Matlab腳本。

上位機(jī)軟件流程見圖4。上位機(jī)界面包括2個(gè)顯示區(qū)域和多個(gè)功能按鍵,設(shè)置掃描照片數(shù)量、鍵入物體實(shí)際高度,啟動(dòng)輪廓掃描,LCD提示掃描結(jié)束后,依次點(diǎn)擊“擬合標(biāo)定曲線”“圖片預(yù)處理”“坐標(biāo)計(jì)算”“模型重建”按鈕,即可完成一次輪廓測(cè)量。

圖4 上位機(jī)軟件流程

3.1.2 輪廓測(cè)量算法設(shè)計(jì)

物體三維輪廓的重建是將掃描照片中的有效像點(diǎn)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)坐標(biāo)值后繪制的,照片數(shù)量越多則輪廓重建結(jié)果中點(diǎn)云越密集,反之越稀疏。數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下:

圖像預(yù)處理包括圖像二值化和圖像濾波。由于激光線在圖像上可能占了十幾列甚至幾十列像素寬度,本文采用極值法提取激光線中心。極值法[17]認(rèn)為局部灰度值最高的像素即為激光中心。利用標(biāo)定曲線計(jì)算出物點(diǎn)到參考平面的距離depth,最后通過(guò)以下各式計(jì)算物點(diǎn)坐標(biāo)值：

xjk=depthjk×sinθj

(4)

yjk=depthjk×cosθj

(5)

(6)

式中xjk為第j張圖片中第k行像點(diǎn)x方向坐標(biāo)值,θj為圖片j對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角, depthjk為圖片j中第k行像點(diǎn)的物距,Sj為圖片j中激光線所占總行數(shù),height為物體的實(shí)際高度,j∈[1,2…N],k∈[1,2…2592]。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于Keil uVision4軟件編寫了下位單片機(jī)C語(yǔ)言程序,開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,包括LCD、定時(shí)器、CMOS相機(jī)的初始化。初始化后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài),監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口,讀取上位機(jī)指令后進(jìn)入中斷處理程序,打開激光源,控制旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)觸發(fā)相機(jī)抓拍,LCD顯示旋轉(zhuǎn)角度和抓拍數(shù)量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 標(biāo)定結(jié)果分析

對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行非線性最小二乘擬合,得到系統(tǒng)標(biāo)定曲線:y=ax2+bx+c,其中a=-1.731×10-5,b=0.0849,c=-86.02,x為像點(diǎn)位置,y為物點(diǎn)到標(biāo)定參考平面的距離。利用系統(tǒng)標(biāo)定曲線對(duì)10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,結(jié)果表明測(cè)量誤差在±0.5 mm以內(nèi)。

4.2 輪廓測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以9°、3.6°、1.8°作為旋轉(zhuǎn)步距角對(duì)同一木盒進(jìn)行多次掃描,分別拍照40、100、200張,測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同步距角拍攝的照片

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用基于二次曲線擬合的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)定具有操作簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)；本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物體三維輪廓重建,且掃描照片數(shù)量決定重建結(jié)果中激光線密度,滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于激光三角測(cè)量原理設(shè)計(jì)了一種三維輪廓測(cè)量系統(tǒng),綜合了光學(xué)、機(jī)械和電子線路知識(shí),涉及電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)、傳感器、圖像處理、軟件設(shè)計(jì)等多方面的知識(shí)和技術(shù)。本系統(tǒng)已應(yīng)用于光電子學(xué)和光電探測(cè)技術(shù)等課程的實(shí)踐教學(xué)中,學(xué)生可以通過(guò)動(dòng)手操作及數(shù)據(jù)處理提高實(shí)踐動(dòng)手能力、鞏固理論知識(shí)。

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Development of 3D profile measurement system based on laser triangulation method

Liu Shixing, Zhu Yan, Song Yajie, Sun Cao

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to improve the practical teaching effect of technology courses related to 3D printing such as photoelectron technology and digital image processing, a 3D profile measurement system based on the laser triangulation method is designed. By using MCU as the main controller, the rotating platform which is driven by the stepper motor enables the object to be measured to complete the 360 degree rotation. The industrial camera is used to collect the reflected light which is irradiated by the laser and reflected by the measured object. After the image is preprocessed by the binarization and filtering, the laser line center is extracted by the extremum method, and after the image is processed by the point cloud coordinate calculation, the 3D profile information of the measured object is acquired. The experimental results show that the system can accurately obtain the 3D profile of the measured object, and the measurement error is less than ±0.5 mm.

3D profile measurement; laser triangulation method; system parameter calibration; point cloud coordinate calculation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.021

2017-06-19修改日期2017-08-05

安徽省重大教研項(xiàng)目(2015ZDJY016)資助

劉士興(1969—)男,安徽宿州,博士,副教授,研究方向?yàn)楣怆娞綔y(cè)技術(shù)、可編程器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì).

E-mail：liusx@hfut.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2017)12-0085-04