PDF《激光扫描三角法大型曲面测量中影响参数分析》

第33 卷第7期1999 年7月西安交通大学学报JOURNAL OF XI′ AN J IAOTON G UNIVERSITY Vo1.

33 №

7 J ul.

1999 激光扫描三角法大型曲面测量中影响参数分析 杨耀权1 , 施仁1 , 于希宁2 , 高镗年2 (1. 西安交通大学 ,

710049 , 西安 ;

2. 华北电力大学) 摘要 : 介绍了基于光学三角理论的激光扫描大型曲面测量原理. 详细分析了影响其测量精度的几 个主要因素 ,即被测物体表面的光学性能、 物面倾斜、 光学系统畸变及散斑等对测量精度的影响. 针 对大范围测量时 ,光斑图像占用多个像素及诸多因素造成的光斑图像强度分布不均 ,以致于很难读 取真正光斑几何中心的问题 ,文中提出了基于 Hough 变换的光斑中心提取方法. 实验表明了该方 法对提高大型曲面测量精度的有效性. 关键词 : 激光扫描 ;

三角测量法 ;

曲面测量 ;

误差分析 中国图书资料分类法分类号 : TP391.

4 Laser Scanning Triangulation for Large Profile Measurement Yang Yaoquan

1 , S hi Ren

1 , Y u Xining

2 , Gao Tangnian

2 (1. Xi′ an Jiaotong University , Xi′ an

710049 , China ;

2. North China University of Electric Power) Abstract : Large surface profile measurement is advanced using optical triangulation. Described are the effects of optical characteristic of the surface、 the testing surface inclination、 the optical lens distortion and speckle. It is difficult to locate the precise center of laser spot in large scale measurement , because the image spot occupies more pixels and the intensity non2uniform distribution of the image spot. Ap2 plication of the Hough transform can enhance the measurement precision of large scale 3Ο D surface pro2 file. Keywords : laser scanning ;

optical triangulation method ;

surf ace prof ile measurement ;

error analy2 sis 基于光学三角原理的三维物体形状测量由于其 具有非接触、 精度高、 易于自动控制等优点 ,日益受 到人们的重视 ,并广泛应用于机器人视觉、 实物仿 形、 自动加工、 工业检测等领域. 该方法的本质是通 过分析受到三维物体面形调制的光场 ,从而获得物 体的三维信息. 在大型三维曲面测量中 ,受光源功 率、 摄像机视角等因素的影响 ,结构光条法、 光栅投 影法的应用受到一定限制 ,而较多采用的是基于点 光源的激光扫描测量方法. 在激光扫描大型曲面测 量系统的研制中 ,我们发现除机械扫描误差、 CCD 摄像机分辨率等因素外 ,物体表面的光学性能、 散斑 的存在等因素对测量精度的影响很大. 提高测量精 度是该方法进入实用化的关键. 本文对激光扫描大 型曲面测量过程中影响精度的因素进行了详细分 收稿日期 : 1998Ο 05Ο 22. 作者简介 : 杨耀权 ,男,1962 年9月生 ,电子与信息工程学院自动控制系 ,博士生 ;

现为华北电力 大学副教授. ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 析 ,并提出了减小和校正误差的方法.

1 激光扫描大型曲面测量原理 对大型曲面进行测量时 ,由于测距范围很大 ,不 能采用光学全场测量法或结构光条法进行测量 ,物 体本身也不能运动 ,为此 ,我们设计了点光源激光扫 描大型曲面测量系统[1 ] ,其测量原理如图

1 所示. 激 光器和摄像机均安装在二维转台上 ,激光束与镜头 光轴平行 ,测量过程中二者相对位置保持不变 ,为减 小遮挡对测量的影响 ,整套设备安装在被测物体侧 面距参考底面高度为 H 的平台上. 由图

1 中几何关 图1测量原理图 系可知 ,物点 A 到激光器的距离 S 为S=Bf / Y (1) 式中 B 为激光束与镜头光轴的安装基线距离;

f 为焦距;

Y 为与物点 A 对应的像高. 可求出对应物点 A 的高度 h = H - Scos<

(2) 这样 ,转台在计算机控制下带动激光器和 CCD 摄像机按一定的分割方案对被测物体逐点扫描 ,采 集图像信息 , 同时计算被测点三维坐标. 扫描完成 后 ,由计算机拟合物体表面形状 ,并给出测量结果.

2 影响参数分析 2.

1 物体表面光学性能的影响 采用激光扫描方法对物体形状进行测量 ,是以 激光束投射到被测物面形成的漫反射光斑作为传感 信号. 假设被测物面为理想的漫反射面 ,散射体为不 透明的无吸收介质 ,根据朗伯 (Lambert) 定律[2 ] , 散 射光场的光强分布为 I = I0cosφ (3) 如图

2 所示 ,其中 φ为散射光方向与物面法线间的 夹角 , I 为φ方向单位立体角内的散射光功率 , I0 为 法线方向的 I 值. 由此可知 ,当入射光功率一定时 , 被测物表面反光性能越好 ,则CCD 光敏面接收到的 光功率越大 ,信噪比越高 ,越有利于提高测量精度. 图2朗伯定律示意图 在曲面测量中 ,被测物表面的情况是千差万别 的 ,同一光源入射到不同材料、 粗糙度、 颜色、 光学性 质及表面面形的物体表面上 ,物面对光的反射和吸 收程度将有很大差异 ,特别是物体表面的粗糙度和 复折射率等因素严重影响着物体表面的光散射 ,这 将会使通过成像物镜得到的光斑图像的质量有较大 差别. 文献[3 ]从理论上证明了可以将面形和表面粗 糙度对散射的贡献分离开来加以处理. 图3为同一激光光源投射到不同材料上 , 经CCD 摄像机采集到的光斑图像信号. 其中图 3a 中 物面为均匀的细煤粉表面 ;

图3b 中为煤粉与煤块混 (a) 煤粉表面 (b) 煤粉煤块混合表面 (c) 喷塑钢板表面 图3激光投射到不同材料上的光斑图

6 1 西安交通大学学报第33 卷?1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 合所形成的表面 ;

图3c 中为喷塑钢板表面. 由此可 以看出 ,当对不同物面进行扫描时 ,激光束在物面所 形成的光斑信号形状大不相同. 因此 ,在计算面形坐 标时 ,必须对光斑中心进行提取 ,否则将严重影响测 量精度. 2.

2 被测物面倾斜的影响 当被测物面法线与入射光方向不重合时 ,称被 测物面发生了倾斜. 随着倾斜角的不同 ,散射光场的 空间分布也将发生变化 ,从而使接收光功率发生变 化. 如果称由激光束和成像物镜光轴构成的平面为 测量入射面 ,实验与理论分析说明 ,被测物面法线在 测量入射面内的倾斜对测量影响最大. 下面仍假设 被测物面为理想的漫反射面 ,基于朗伯定律对物面 倾斜的影响加以讨论. 成像物镜接收光功率 P 可由下式计算 P = I ・ ΩD (4) 式中 : I 为成像物镜所对应的接收光强;

ΩD 为成像 物镜所对应的立体角. 由于成像物镜相对于测量距 离来讲很小 ,因此可以认为接收光强在 ΩD 的立体 角内是均匀的. 如图

4 所示 ,当被测物面倾斜角为α,且激光器 到物点之间距离为 S 时 ,则被测物面法线与物点到 成像物镜中心连线间的夹角为 <

= tan-

1 ( B/ S) - α = β- α 式中 :β= tan -

1 ( B/ S) ,则依朗伯定律有 I = I0cos(β- α ) (5) 成像物镜所对应的立体角为 ΩD =πR2 / r2 式中 R 为成像物镜半........