朱文韜 南程哲 蔣穎峰 樊成 徐進(jìn)

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，物體三維輪廓檢測(cè)和數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)有了很大的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、體積測(cè)量、質(zhì)量控制、逆工程仿真、機(jī)器視覺(jué)以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。非接觸式測(cè)量方法由于其具有非接觸、無(wú)損、自動(dòng)化、高精度、高效率等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代三維曲面測(cè)量的重要途徑及發(fā)展方向。激光三角法作為一種典型的非接觸式測(cè)量方法，不需要復(fù)雜的圖像處理設(shè)備，信號(hào)處理簡(jiǎn)單可靠，測(cè)量速度快，測(cè)量范圍廣，精度比較高，在工程測(cè)量中被廣泛應(yīng)用。但是激光三角法成像在測(cè)距時(shí)需要大量的矩陣運(yùn)算，存在計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題。因此，需要研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便，且保持必要精度的高性?xún)r(jià)比的3D輪廓儀。

2.設(shè)計(jì)思路

基于激光三角法的3D輪廓儀，其構(gòu)造主要由激光發(fā)射器和工業(yè)相機(jī)兩部分組成。激光發(fā)射器發(fā)出的激光形成一條直線(xiàn)，投射到物體表面形成漫反射，反射光被相機(jī)鏡頭捕捉到，通過(guò)鏡頭折射到感光芯片上。輪廓掃描儀保持固定，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶勻速控制待測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間的位移就可得出點(diǎn)云，最后完成三維重建。

傳統(tǒng)輪廓掃描儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)有兩種，第一種是直接成像在感光元件上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但算法復(fù)雜。第二種是在鏡片后加一塊反射鏡，以一定比例反射到感光元件上。這種方法避免繁雜的算法，但其光學(xué)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜。本設(shè)計(jì)結(jié)合以上兩種方法，將感光元件角度調(diào)整為垂直于被測(cè)平面，使用偏軸式成像，將感光元件放在成像鏡頭后，這樣不僅簡(jiǎn)化了光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且能簡(jiǎn)化被測(cè)物體相關(guān)數(shù)值計(jì)算，求解得到MN，光路圖如圖1所示。

3.實(shí)現(xiàn)效果

本作品的硬件設(shè)備主要由激光發(fā)射器、工業(yè)相機(jī)、主控芯片、被測(cè)物移動(dòng)履帶四部分組成。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如下圖所示。圖2-a是全景圖，上方右側(cè)可以看到主控芯片，圖片下方是移動(dòng)履帶支架。

激光發(fā)射器發(fā)出的激光形成一條直線(xiàn)，投射到物體表面形成漫反射，反射光被相機(jī)鏡頭捕捉到，通過(guò)鏡頭折射到感光芯片上。輪廓掃描儀保持固定，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶勻速控制待測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間的位移就可得出點(diǎn)云，最后完成三維重建。完成了一個(gè)鼠標(biāo)的三維重建，如圖2-b所示。

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（作者單位：衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）