结构光多视角测量技术的分析

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1、结构光多视角测量技术的研究1绪论1．1引言随着科学技术的飞速发展以及市场的不断需求，在现代制造业中，对复杂零件的设计和生产有了越来越高的要求。在当前的工业环境中，产品的设计最终都是利用CAD系统实现的。CAD模型可通过CAD系统设计得到，但对于一些具有非常复杂的自由曲面的物体，如某些流线型物体、复杂汽车零件、飞机发动机叶片、人体假肢、艺术雕塑等，其设计表达或数学模型的建立是非常困难的。于是，20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出了一种新的制造技术，称为逆向工程(ReverseEngineering)【l捌。逆向工程是指通过各种测量手段和三维几何建模

2、方法，将已有的零件或实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程，是测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的综合应用【3】。逆向工程可以分为数据测量、数据处理、重构建模和加工等几个重要环节，其主要特点是突破了传统的先设计、再有模型的设计思路，而是先获得实际物体表面的三维数据，再根据测量数据进行建模，然后对实物原型进行修改，最后加工出更为先进的产品。这种由实物数字化建模的方法已经发展为CAD／CAM中的一个相对独立的范畴，成为复杂工业产品设计与制造的重要手段之一。目前，逆向工程在航空、航天、汽车、摩托车、模具等机械设计制造领域，在人体的骨头、关节、牙齿的复制以及假肢的制造等医学领域

3、，在艺术品修复、考古文物的复制等应用领域均有极其广泛的应用。1．2三维数据测量技术概述对产品原型的三维测量是逆向工程中的首要环节，数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：使用高精度的测量设备获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。当前，已经被实际应用的三维测量技术被分为两大类：接触式测量与非接触式测量。1．接触式测量方法结构光多视角测量技术的研究接触式测量又称为机械测量，即利用触

4、发探头直接接触被测物体的表面以获取其三维坐标数据【41。触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受力变形触发采样丌关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。采用接触式测量方法的优点在于：适用于空间箱体类工件及工件内孔的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；精度较高。接触式测量方法通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。三坐标测量机获得物体表面点的坐标数据精度较高，但本身仍存在很多缺点和限制，扫描速度受到

5、机械运动的限制，测量速度慢，且测量前需要规划测量路径；对软质材料测量效果不好；存在无法测量的盲区，如内孔、窄深的沟；测量仪器复杂，对环境要求很高，必须防震，防尘，恒温等；价格昂贵；三坐标测量机仪器体积庞大，无法实现便携性。因此，难以满足当今高效率、高精度，大型面形的检测需要。近年来，又发展出基于激光跟踪测量技术的接触式测量系统，这种系统依靠激光跟踪仪来对测头进行定位，而不是依靠传统的三坐标测量机，使得整个测量系统的体积大大缩小，使系统的便携性成为了可能。如瑞士Leica公司生产的T-Probe测头(如图1．1所示)，可配合各种长度的探针使用，能够接触到隐蔽的、难于接触的点。LeicaT-P

6、robeII能够提供六个方向的自由度，可与Leica公司的LeicaAbsoluteTracker激光跟踪仪配合使用，被称为“Walk—AroundCMM”(“移动的三坐标测量机”)。该测量系统具有轻巧、便携、易于操作、价格便宜、测量速度快、精度高等优点，并且可以完成许多三坐标测量机不能完成的任务，在许多工业领域尤其是汽车工业有着广泛的应用。幽1—1接触式测量方法也有一定局限性，测量一些易碎、易变形的零件。2．非接触式测量方法T-Probe测头它不能测量到被测零件的一些细节，不能结构光多视角测量技术的研究非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法

7、、结构光法、CCD图像分析法等。非接触式数据采集速度快，获得的密集点云信息量大；可以探测到一般机械测头难以测量的部位；排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，点云密集，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的曲面测量，例如：汽车、家