CN118602986A - 一种三维表面轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维表面轮廓测量方法，属于轮廓测量技术领域，本发明通过调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，使得激光测距仪对待测物体表面进行均匀的扫描，得到每个检测点的样本，根据每个检测点的样本，得到待测物体表面上每个检测点的位置，再对空白区域的位置进行估计，填补了直接测量的空白，丰富曲面拟合的数据量，提高曲面拟合的精度，再分别根据实际监测点和三类估计点的位置进行曲面拟合和融合，提高三维表面轮廓测量精度。

Description

一种三维表面轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及轮廓测量技术领域，具体涉及一种三维表面轮廓测量方法。

背景技术

对三维物体的表面轮廓进行精确测量是一项重要的任务。这种测量技术广泛应用于制造业、生物医学工程、考古学以及地形测绘等多个领域。传统的三维表面测量方法包括接触式测量和非接触式测量两大类。随着技术的发展，人们逐渐追求更高效、更高精度的测量方法，于是基于光学的非接触式测量技术应运而生，并迅速发展成为主流。现有常采用激光测距仪获取物体表面的位置数据，但激光测距仪通常仅能测物体表面的多个点位，无法实现对物体表面的每个点位进行测量，因此，现有技术还需要对测量的多个点位进行曲面拟合，得到三维表面轮廓，但是激光测距仪获取的物体表面的多个点位存在分布不均匀的问题，在较大空白区会产生较大的不确定性，造成三维表面轮廓测量精度不高的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种三维表面轮廓测量方法解决了现有技术存在三维表面轮廓测量精度不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种三维表面轮廓测量方法，包括以下步骤：

S1、调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，对待测物体表面进行扫描，得到每个检测点的样本；

S2、对每个检测点的样本进行坐标变换，得到每个检测点的位置；

S3、根据各个检测点的位置，对不同空白区域进行位置估计，得到各个第一类估计点的位置、各个第二类估计点的位置和各个第三类估计点的位置；

S4、对各个检测点的位置和第一类估计点的位置、第二类估计点的位置和第三类估计点的位置分别进行曲面拟合，并进行曲面融合，得到待测物体的表面轮廓。

本发明的有益效果为：本发明通过调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，使得激光测距仪对待测物体表面进行均匀的扫描，得到每个检测点的样本，根据每个检测点的样本，得到待测物体表面上每个检测点的位置，再对空白区域的位置进行估计，填补了直接测量的空白，丰富曲面拟合的数据量，提高曲面拟合的精度，再分别根据实际监测点和三类估计点的位置进行曲面拟合和融合，提高三维表面轮廓测量精度。

进一步地，所述S1包括以下分步骤：

S11、进行第i次纵向扫描，调整M-1次激光测距仪的俯仰角，得到纵向的M个检测点，i的初始值为1，M为正整数；

S12、水平调整一次激光测距仪的水平旋转角，i自加1，并跳转至步骤S11，直到待测物体表面扫描完，得到多个检测点的样本，其中，在水平上或纵向上相邻两个检测点之间的距离均为d，样本为(r_m,n,theta_m,n,phi_m,n)，r_m,n为第m行第n列处检测点的激光距离，theta_m,n为第m行第n列处检测点的俯仰角，phi_m,n为第m行第n列处检测点的水平旋转角，m和n为正整数。

上述进一步地技术方案的有益效果为：本发明在水平上或纵向上相邻两个检测点之间的距离均为d，使得检测点在水平上或纵向上均匀分布。

进一步地，所述S11的调整M-1次激光测距仪的俯仰角中，第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角的表达式为：

，其中，△theta为第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角，r_m为第m次扫描时激光距离，r_m-1为第m-1次扫描时激光距离，arccos为反余弦；

所述S12中水平调整一次激光测距仪的水平旋转角的表达式为：

，其中，△phi为调整一次激光测距仪的水平旋转角，r_n为第n次水平调整时激光距离，r_n-1为第n-1次水平调整时激光距离。

上述进一步地技术方案的有益效果为：本发明根据水平或纵向相邻的两个检测点的距离d，计算出激光测距仪每次测量时，需要调整的俯仰角或者水平旋转角。

进一步地，所述S2中坐标变换的表达式为：

，

，

，

其中，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，sin为正弦函数，cos为余弦函数。

进一步地，所述S3包括以下分步骤：

S31、在每一行上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第一类估计点的位置；

S32、在每一列上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第二类估计点的位置；

S33、设置滑动窗口在各个检测点上滑动，每次滑动时覆盖4个检测点；

S34、根据滑动窗口下的4个检测点，对4个检测点的中心区域进行位置估计，得到第三类估计点的位置。

上述进一步地技术方案的有益效果为：本发明分别从行、列和中心区域进行空白区域的位置估计，得到三类估计点。

进一步地，所述S31中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₁为第一类估计点的位置，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，x_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的横坐标，y_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的竖坐标；

所述S32中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₂为第二类估计点的位置，x_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的横坐标，y_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的纵坐标，z_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的竖坐标；

进一步地，所述S34中对4个检测点的中心区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₃为第三类估计点的位置，x_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的横坐标，y_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的竖坐标。

进一步地，所述S4包括以下分步骤：

S41、将各个检测点的位置和各个第一类估计点的位置进行曲面拟合，得到第一曲面；

S42、将各个检测点的位置和各个第二类估计点的位置进行曲面拟合，得到第二曲面；

S43、将各个检测点的位置和各个第三类估计点的位置进行曲面拟合，得到第三曲面；

S44、将第一曲面、第二曲面和第三曲面进行融合，得到待测物体的表面轮廓。

进一步地，所述S44中融合公式为：

，，，其中，x_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的横坐标，y_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的纵坐标，z_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的竖坐标，x_1,j为第一曲面上第j个位置点的横坐标，x_2,j为第二曲面上第j个位置点的横坐标，x_3,j为第三曲面上第j个位置点的横坐标，y_1,j为第一曲面上第j个位置点的纵坐标，y_2,j为第二曲面上第j个位置点的纵坐标，y_3,j为第三曲面上第j个位置点的纵坐标，z_1,j为第一曲面上第j个位置点的竖坐标，z_2,j为第二曲面上第j个位置点的竖坐标，z_3,j为第三曲面上第j个位置点的竖坐标，j为正整数。

上述进一步地技术方案的有益效果为：本发明将实际检测点的位置分别与三类估计点的位置进行组合，分别进行曲面拟合，得到三种曲面，对三种曲面进行融合处理，提高待测物体的表面轮廓测量精度。

附图说明

图1为一种三维表面轮廓测量方法的流程图；

图2为扫描示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种三维表面轮廓测量方法，包括以下步骤：

S1、调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，对待测物体表面进行扫描，得到每个检测点的样本；

S2、对每个检测点的样本进行坐标变换，得到每个检测点的位置；

S3、根据各个检测点的位置，对不同空白区域进行位置估计，得到各个第一类估计点的位置、各个第二类估计点的位置和各个第三类估计点的位置；

S4、对各个检测点的位置和第一类估计点的位置、第二类估计点的位置和第三类估计点的位置分别进行曲面拟合，并进行曲面融合，得到待测物体的表面轮廓。

所述S1包括以下分步骤：

S11、进行第i次纵向扫描，调整M-1次激光测距仪的俯仰角，得到纵向的M个检测点，i的初始值为1，M为正整数；

S12、水平调整一次激光测距仪的水平旋转角，i自加1，并跳转至步骤S11，直到待测物体表面扫描完，得到多个检测点的样本，其中，在水平上或纵向上相邻两个检测点之间的距离均为d，样本为(r_m,n,theta_m,n,phi_m,n)，r_m,n为第m行第n列处检测点的激光距离，theta_m,n为第m行第n列处检测点的俯仰角，phi_m,n为第m行第n列处检测点的水平旋转角，m和n为正整数。

本发明在进行纵向扫面时，激光测距仪的俯仰角调整次数为M-1，进行一次纵向扫描，得到M个检测点，再将激光测距仪的俯仰角复位，调整一次水平旋转角，再回到步骤S11进行下一次纵向扫描，从下往上扫描，实现从待测物体表面取个检测点，M为检测点的总行数，N为检测点的总列数，还可以在进行纵向扫描完成后，直接调整一次水平旋转角，再回到步骤S11进行下一次纵向扫描，从上往下扫描，即在调整一次激光测距仪的水平旋转角后，需在纵向上取M个检测点，如图2所示。

本发明在水平上或纵向上相邻两个检测点之间的距离均为d，使得检测点在水平上或纵向上均匀分布。

所述S11的调整M-1次激光测距仪的俯仰角中，第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角的表达式为：

，其中，△theta为第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角，r_m为第m次扫描时激光距离，r_m-1为第m-1次扫描时激光距离，arccos为反余弦；

在进行一次纵向扫描中，例如从上往下扫描，要取M个检测点，则需要从上往下扫描M次，即一次纵向扫描中包括M次扫描，△theta为相邻两次扫描的角度差。

所述S12中水平调整一次激光测距仪的水平旋转角的表达式为：

，其中，△phi为调整一次激光测距仪的水平旋转角，r_n为第n次水平调整时激光距离，r_n-1为第n-1次水平调整时激光距离。

在本实施例中，可将激光测距仪放置在具备俯仰和水平旋转功能的电机上，通过电机精确控制每次需要变化的角度。

本发明根据水平或纵向相邻的两个检测点的距离d，计算出激光测距仪每次测量时，需要调整的俯仰角或者水平旋转角。

所述S2中坐标变换的表达式为：

，

，

，

其中，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，sin为正弦函数，cos为余弦函数。

所述S3包括以下分步骤：

S31、在每一行上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第一类估计点的位置；

S32、在每一列上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第二类估计点的位置；

S33、设置滑动窗口在各个检测点上滑动，每次滑动时覆盖4个检测点；

在步骤S33中相当于将个检测点分成4个检测点一个区域；

S34、根据滑动窗口下的4个检测点，对4个检测点的中心区域进行位置估计，得到第三类估计点的位置。

本发明分别从行、列和中心区域进行空白区域的位置估计，得到三类估计点。

所述S31中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₁为第一类估计点的位置，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，x_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的横坐标，y_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的竖坐标；

所述S32中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₂为第二类估计点的位置，x_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的横坐标，y_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的纵坐标，z_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的竖坐标；

所述S34中对4个检测点的中心区域进行位置估计的公式为：，其中，γ₃为第三类估计点的位置，x_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的横坐标，y_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的竖坐标。

所述S4包括以下分步骤：

S41、将各个检测点的位置和各个第一类估计点的位置进行曲面拟合，得到第一曲面；

S42、将各个检测点的位置和各个第二类估计点的位置进行曲面拟合，得到第二曲面；

S43、将各个检测点的位置和各个第三类估计点的位置进行曲面拟合，得到第三曲面；

S44、将第一曲面、第二曲面和第三曲面进行融合，得到待测物体的表面轮廓。

所述S44中融合公式为：

，，，其中，x_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的横坐标，y_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的纵坐标，z_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的竖坐标，x_1,j为第一曲面上第j个位置点的横坐标，x_2,j为第二曲面上第j个位置点的横坐标，x_3,j为第三曲面上第j个位置点的横坐标，y_1,j为第一曲面上第j个位置点的纵坐标，y_2,j为第二曲面上第j个位置点的纵坐标，y_3,j为第三曲面上第j个位置点的纵坐标，z_1,j为第一曲面上第j个位置点的竖坐标，z_2,j为第二曲面上第j个位置点的竖坐标，z_3,j为第三曲面上第j个位置点的竖坐标，j为正整数。

在本实施例中，曲面拟合采用现有技术。

本发明将实际检测点的位置分别与三类估计点的位置进行组合，分别进行曲面拟合，得到三种曲面，对三种曲面进行融合处理，提高待测物体的表面轮廓测量精度。

本发明通过调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，使得激光测距仪对待测物体表面进行均匀的扫描，得到每个检测点的样本，根据每个检测点的样本，得到待测物体表面上每个检测点的位置，再对空白区域的位置进行估计，填补了直接测量的空白，丰富曲面拟合的数据量，提高曲面拟合的精度，再分别根据实际监测点和三类估计点的位置进行曲面拟合和融合，提高三维表面轮廓测量精度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维表面轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、调整激光测距仪的俯仰角和水平旋转角，对待测物体表面进行扫描，得到每个检测点的样本；

S2、对每个检测点的样本进行坐标变换，得到每个检测点的位置；

S3、根据各个检测点的位置，对不同空白区域进行位置估计，得到各个第一类估计点的位置、各个第二类估计点的位置和各个第三类估计点的位置；

S4、对各个检测点的位置和第一类估计点的位置、第二类估计点的位置和第三类估计点的位置分别进行曲面拟合，并进行曲面融合，得到待测物体的表面轮廓。

2.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S1包括以下分步骤：

S11、进行第i次纵向扫描，调整M-1次激光测距仪的俯仰角，得到纵向的M个检测点，i的初始值为1，i和M为正整数；

S12、水平调整一次激光测距仪的水平旋转角，i自加1，并跳转至步骤S11，直到待测物体表面扫描完，得到多个检测点的样本，其中，在水平上或纵向上相邻两个检测点之间的距离均为d，样本为(r_m,n,theta_m,n,phi_m,n)，r_m,n为第m行第n列处检测点的激光距离，theta_m,n为第m行第n列处检测点的俯仰角，phi_m,n为第m行第n列处检测点的水平旋转角，m和n为正整数。

3.根据权利要求2所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S11的调整M-1次激光测距仪的俯仰角中，第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角的表达式为：

，其中，△theta为第m次扫描与第m-1次扫描调整的俯仰角，r_m为第m次扫描时激光距离，r_m-1为第m-1次扫描时激光距离，arccos为反余弦；

所述S12中水平调整一次激光测距仪的水平旋转角的表达式为：

，其中，△phi为调整一次激光测距仪的水平旋转角，r_n为第n次水平调整时激光距离，r_n-1为第n-1次水平调整时激光距离。

4.根据权利要求2所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S2中坐标变换的表达式为：

，

，

，

其中，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，sin为正弦函数，cos为余弦函数。

5.根据权利要求2所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S3包括以下分步骤：

S31、在每一行上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第一类估计点的位置；

S32、在每一列上，对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计，得到第二类估计点的位置；

S33、设置滑动窗口在各个检测点上滑动，每次滑动时覆盖4个检测点；

S34、根据滑动窗口下的4个检测点，对4个检测点的中心区域进行位置估计，得到第三类估计点的位置。

6.据权利要求5所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S31中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₁为第一类估计点的位置，x_m,n为第m行第n列处检测点的横坐标，y_m,n为第m行第n列处检测点的纵坐标，z_m,n为第m行第n列处检测点的竖坐标，x_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的横坐标，y_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m,n+1为第m行第n+1列处检测点的竖坐标；

所述S32中对相邻检测点之间的空白区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₂为第二类估计点的位置，x_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的横坐标，y_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的纵坐标，z_m-1,n为第m-1行第n列处检测点的竖坐标。

7.据权利要求6所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S34中对4个检测点的中心区域进行位置估计的公式为：

，其中，γ₃为第三类估计点的位置，x_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的横坐标，y_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的纵坐标，z_m-1,n+1为第m-1行第n+1列处检测点的竖坐标。

8.据权利要求1所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S4包括以下分步骤：

S41、将各个检测点的位置和各个第一类估计点的位置进行曲面拟合，得到第一曲面；

S42、将各个检测点的位置和各个第二类估计点的位置进行曲面拟合，得到第二曲面；

S43、将各个检测点的位置和各个第三类估计点的位置进行曲面拟合，得到第三曲面；

S44、将第一曲面、第二曲面和第三曲面进行融合，得到待测物体的表面轮廓。

9.据权利要求8所述的三维表面轮廓测量方法，其特征在于，所述S44中融合公式为：

，，，其中，x_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的横坐标，y_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的纵坐标，z_j为待测物体的表面轮廓上第j个位置点的竖坐标，x_1,j为第一曲面上第j个位置点的横坐标，x_2,j为第二曲面上第j个位置点的横坐标，x_3,j为第三曲面上第j个位置点的横坐标，y_1,j为第一曲面上第j个位置点的纵坐标，y_2,j为第二曲面上第j个位置点的纵坐标，y_3,j为第三曲面上第j个位置点的纵坐标，z_1,j为第一曲面上第j个位置点的竖坐标，z_2,j为第二曲面上第j个位置点的竖坐标，z_3,j为第三曲面上第j个位置点的竖坐标，j为正整数。