CN206073939U - 一种基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，具体包括三维测量与表面积计算子系统，控制子系统和机械机构子系统三个部分组成，通过对物体表面三维数据重建，完成物体表面积的准确测量，同时设计了一系列的快速处理流程：同时扫描多个待测物体，采用多三维测量系统支持全方位三维数据同时采集，三维测量数据的一键扫描、一键优化，以及一键导出测量报告。本实用新型提出的物体表面积测量系统装置操作简单，能快速准确的完成测量任务，大大加快了物体表面积的检测测量流程。

Description

一种基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置

技术领域

本实用新型涉及物件质量检测测量技术，具体涉及一种基于三维测量技术的物体表面积进行精确快速测量的系统装置。

背景技术

目前，表面积测量在食品安全、检测检疫、法院鉴定、医疗诊断等领域有广泛的应用，目前对表面积的测量主要是借助于人工的方法，利用传统的测量工具如游标卡尺、卷尺等工具测量出物体不同形状区域的长宽高以及直径等尺寸，然后根据物体表面不同区域实际的形状，对每一区域进行表面积近似计算后累加所有的区域，进而得到物体总的表面积，但这些方法存在以下问题：(1)测量速度慢，(2)测量精度低，(3)测量效率低。

为了解决物体表面积测量中上述实际的问题，本实用新型提出一种基于三维重建技术的物体表面积精确快速测量装置，通过计算机立体视觉的方法，对物体的表面进行三维扫描重建，进而得到物体的表面三维数据，然后对重建出的物体表面的三维数据进行分析测量计算，快速得到物体表面精确的表面积，一键生成检测报告存入档案。同时还解决了不同人员手工测量差异大，无法对检测结果进行追溯等问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了快速准确的测量物体的表面积，提出了一种基于三维测量技术构建物体表面三维数据，测量物体表面积的方法，设计了一套方便易用的测量系统装置。

为实现本实用新型之目的，采用以下技术方案予以实现：一种基于三维测量技术的物体表面积精确测量系统由三维测量与表面积计算子系统，控制子系统和机械机构三大部分组成。

(1)三维测量与表面积计算子系统由视觉处理计算机、高精度发光标定板、高清相机(单目、双目或多目相机)、结构光或激光发生器和系统软件组成，用于生成三维数据及数据显示，其中高清相机、结构光发生器和相应软件组成三维测量系统，该子系统包含至少一套三维测量系统；

(2)控制子系统，与三维测量与表面积计算子系统连接，其由步进电机、控制器、轴承与旋转平台组成，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据的拼接。

(3)机械机构子系统，与三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，其由机柜、电机支架、固定支架、调节机构组成，用于连接、安装、固定、调节设备的各个部件。

本实用新型所述的三维测量与表面积计算子系统，其原理是利用相机连续采集有结构光的图像数据，通过三维重建技术实现对待测量物体的表面三维数据重建，得到物体表面的三维数据，进而将得到的三维数据，对三维数据进行一系列处理后，通过计算将其转化为三角面片数据，依据三角面片计算物体待测量区域的表面积；通过在物体内部任取一点，与所有三角面片建立连接形成三角锥，依据所有三角锥体积累加求和计算待测物体体积。其所述的三维测量当采用两套三维测量系统同时工作时，可以涵盖物体小弧面细节数据采集和大弧面整体框架数据采集。

本实用新型提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述视觉处理计算机由高性能计算机和相机触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集、数据运算、数据存储和数据显示；所述相机为单目、双目或多目高清相机，通过所述相机触发控制器与所述高性能计算机连接；所述的标定方法中使用的标定面板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光；所述结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面；所述系统软件包括相机标定模块、高速三维测量模块、数据处理模块、数据分析模块以及系统控制模块，通过所述系统软件控制所述步进电机运动，采集图像数据进行分析计算，显示三维数据及结果展示。

本实用新型所述的控制子系统主要目的为辅助三维测量与表面积计算子系统实现对测量物体各个角度的图像数据采集以及三维数据重建，各个位置角度的三维数据通过自动拼接算法合成物体完整的表面三维数据。通过计算机连接所述控制器，并给所述控制器发送命令，控制所述步进电机运动，进而带动所述旋转平台旋转一定角度；通过所述旋转平台带动物体转动，可以拍摄到待测物体不同视角的画面，以生成不同视角的三维数据，通过三维数据拼接算法将不同视角的三维数据转化到同一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据。所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式，三种拼接方式相互补充，相互促进，使得不同视角三维数据能够高速度、高精度拼接。

本实用新型所述的机械机构子系统由轴承、电机支架及用于安装摄像头和结构光发生器的固定支架组成，安装相机的支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用。具体构架为：一个、两个或多个摄像机固定在机械机构内的长方体形支架上，在距离摄像机一定距离处安放着结构光发生器。在固定支架底部安装一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动(XY轴方向)到指定角度。

本实用新型提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的表面积和体积计算包括测量结果输出到数据库，支持一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图(与实物大小比为1∶1)。

本实用新型提出的控制子系统中，步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法，对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建反推旋转误差，进行误差矫正。所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；所述旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板或其它类似材质制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；所述旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，同时进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。

本实用新型提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：

1.精度高。提出了一个自动测量系统，通过对物体表面的三维重建得到物体的三维数据，利用得到的三维数据实现对任意复杂物体表面的面积计算，由于基于结构光的三维重建可以实现非常高的精度，且不需要通过人工计算的方法对物体表面非规则曲面近似为规则表面进行模拟计算，本实用新型提出的系统，计算精度更好。

2.速度快。本实用新型提出的系统可以单次实现对多个物体的同时重建及测量，避免人工的方法必须每次分别对每一物体进行测量，测量速度更快，同时支持一键式打印测量报告，以及流水线作业。

3.工艺简单。机械部分仅由两个自由度的电机和固定摄像头、结构光发生器和安装支架组成，加工、安装方便。

附图说明

图1为本实用新型的系统装置示意图(左、右为不同视角的示意图)，其中1、三维测量系统a，2、三维测量系统b，3、控制子系统，4、机械机构。

图2为本实用新型的基于双目相机的三维测量系统示意图，其中1、左摄像机(含相机固定支架)，2、结构光或激光发生器，3、右摄像机(含相机固定支架)，4、固定支架。

图3为控制子系统不同视角的剖视图，其中1、旋转平台，2、轴承，3、电机，4、电机控制器，5、电机电源，6、结构光或激光发生器电源。

图4为本实用新型的高精度标定板实物图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。一种基于三维测量技术精确测量物体表面积的系统装置如图1所示，具体包括三维测量与表面积计算子系统，主要由有图1中的三维测量系统a 1、三维测量系统b 2连接视觉处理计算机和系统软件组成，用于生成三维数据；控制子系统3，与三维测量与表面积计算子系统连接，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据的拼接；机械机构子系统4，与三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，用于安装、固定、调节设备的各个部件。

图2为三维测量与表面积计算子系统中三维测量系统详细结构图，由两个高清相机1、3、结构光或激光发生器2和其调节固定支架4组成；实际测量应用中，根据用户需求，可以配置一个、两个或四个高清相机。图3为控制子系统，由旋转平台1、轴承2、步进电机3、电机控制器4、电机电源5和结构光或激光发生器电源6组成。

本实用新型中所述视觉处理计算机，在系统结构图1中未示出，计算机直接通过数据线与系统设备连接，其由高性能计算机和相机同步触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集及数据运算，数据存储和数据显示；所述高清相机可以采用单目、双目或多目配置，通过相机同步触发控制器与计算机连接；通过标定板对相机进行标定，获取相机的内、外部参数及旋转平移矩阵；所述结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面进行三维数据重建；所述结构光发生器也可以用激光发生器进行替换；所述系统软件包括相机标定模块，高速三维测量模块，数据处理模块，数据分析模块，系统控制模块，通过该软件控制电机运动，采集图像数据进行分析计算，显示三维数据及结果展示。

图4为本实用新型提出的三维测量与表面积计算子系统中标定模块所使用的高精度标定板实物图，标定面板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，适用于提取高精度的棋盘格角点；标定方法基于改进的张正友标定算法，提取标定板中任意数量角点和中心圆点，建立标定板各角点的实际位置关系来进行相机标定。

本实用新型系统装置中数据显示包括物体三维数据展示，物体检测报告展示；支持物体表面积和体积等测量结果输出到数据库，一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图，为了得到与实物大小比为1∶1的投影视图，需要将3D坐标通过模型视景矩阵和投影矩阵转换到2D投影坐标系，然后根据打印机分辨率转换到对应纸张大小并生成模型图像数据进行报告打印。

本实用新型所提出的系统装置，在控制子系统中如图3所示，计算机连接控制器，给控制器发送命令，控制步进电机运动，进而带动旋转平台旋转一定角度；通过旋转平台的带动物体转动，可以拍摄到待测物体不同视角的画面，用于生成不同视角的三维数据，通过拼接算法将不同视角的三维数据转化到同一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据；所述的三维数据拼接支持标志点拼接和旋转平台拼接两种方式，两种方法相互补充，相互促进，进而达到不同视角三维数据的高速度、高精度拼接的目的。当旋转平台用传送带替换时，则通过计算机控制传送带运动，将物体传送到测量中心位置进行测量；同时也可通过计算机控制三维测量系统移动到导轨上的指定位置。

本实用新型所提出的系统装置，在控制子系统中，所述的步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法，对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建反推旋转误差，进行误差矫正。所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；所述旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板或其它类似材质制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；所述旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，同时进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。

本实用新型所提出的系统装置，在机械机构子系统中，机柜内安装有水平、垂直导轨，用于安装三维测量系统，并由电机控其移动；如图2所示安装相机的支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用。相机支架固定在机械机构内的长方体形三维测量系统固定支架上，在距离相机一定距离处安放结构光发生器；在固定支架底部安装一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动到指定位置。

本实用新型所提出的系统装置，在三维测量与表面积计算子系统中，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。

Claims (7)

1.一种基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，其特征在于，该系统装置包括：

三维测量与表面积计算子系统，由视觉处理计算机、高精度发光标定板、高清相机、结构光发生器或激光发生器和系统软件组成，用于生成三维数据及数据显示，其中高清相机、结构光发生器或激光发生器和相应软件组成三维测量系统，该子系统包含至少一套三维测量系统；

控制子系统，与三维测量与表面积计算子系统连接，其由步进电机、控制器、轴承与旋转平台组成，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据拼接；

机械机构子系统，与三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，其由机柜、固定支架、调节机构组成，用于安装、固定、调节设备的各个部件。

2.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，所述视觉处理计算机由高性能计算机和相机触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集、数据运算、数据存储和数据显示；所述相机为单目、双目或多目高清相机，通过所述相机触发控制器与所述高性能计算机连接；所述高精度发光标定板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，适用于提取高精度的棋盘格角点；所述结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面；所述结构光发生器也可以用激光发生器进行替换。

3.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，所述数据显示包括物体三维数据显示，物体检测报告显示；支持物体表面积和体积测量结果输出到数据库，一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图，所述投影视图需要将3D坐标通过模型视景矩阵和投影矩阵转换到2D投影坐标系，然后根据打印机分辨率转换到对应纸张大小并生成模型图像数据进行报告打印，以此得到所述投影视图与实物大小比例为1∶1。

4.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，在所述控制子系统中，所述视觉处理计算机连接所述控制器，并给所述控制器发送命令，控制所述步进电机运动，进而带动所述旋转平台旋转一定角度；通过所述旋转平台带动物体转动，拍摄到待测物体不同视角的画面，以生成不同视角的三维数据，将不同视角的三维数据转化到统一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据；所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式，三种拼接方式相互补充，相互促进，使得不同视角三维数据能够高速度、高精度拼接。

5.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，在所述控制子系统中，其特征在于，所述的步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建反推旋转误差，进行误差矫正；所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；所述旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；所述旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。

6.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，在所述机械机构子系统中，所述机柜内安装有水平、垂直导轨，用于安装三维测量系统，并由电机控制所述三维测量系统移动；安装相机的所述固定支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用；多个相机支架固定在所述机械机构子系统内的长方体形支架上，在距离相机一定距离处安放结构光或激光发生器；在所述固定支架底部安装一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动到指定位置。

7.如权利要求1所述的基于三维测量技术的物体表面积快速测量系统装置，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。