專利名稱：一種液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種物體三維形狀的測量裝置，特別是一種液體輔助斷 層掃描三維形狀測量裝置。
該方法特別適合對鞋或藝術(shù)品類物體等這類比較封閉窄小的物體，進行精
度要求不太高而主要關(guān)注形狀的測量；該方法實施簡單、價格便宜、適合大 量應(yīng)用。
背景技術(shù)：
很多情況下我們要求對物體的形狀進行測量，對于物體外形的測量現(xiàn)在已 經(jīng)有比較成熟的方法，包括機械測量的方法和光電測量的方法等，這些方法 測量精度可以很高，測量數(shù)據(jù)的處理軟件也己經(jīng)很成熟，但實施這些方法的 相應(yīng)設(shè)備價格十分的高昂。并且對于物體內(nèi)部特別是比較窄小空間內(nèi)部的形 狀測量一直是一個難題，至今沒有很好的方法，而工業(yè)界有很多領(lǐng)域?qū)φ?的物體內(nèi)部需要進行測量，例如制鞋業(yè)或藝術(shù)品類物體需要對其內(nèi)部或外部 形狀進行測量，但又不能對其進行破壞。本申請人設(shè)計了一種液體輔助斷層 掃描三維空間形狀測量方法。包括步驟1)將被測三維空間表面與能使液面與 被測三維空間表面接觸的交界處出現(xiàn)明顯的輪廓線的液體接觸；2)用成像裝 置獲取輪廓線包含區(qū)域的圖像，并用測距儀器測量和記錄本次液面與被測三 維空間中某一固定截面的相對位置信息；3)利用圖像分析裝置經(jīng)分析得到上 述輪廓線包含的圖像的數(shù)字化信息；4)改變液面與被測三維空間中某一固定 截面的相對位置，重復(fù)上述2)、 3)步驟直至覆蓋整個被測空間；5)通過圖 像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對上述所有圖像的數(shù)字化信息及對應(yīng)的相對位置信息進行處 理得到被測三維空間形狀的數(shù)字化信息。本方法不僅適用于對物體的三維外 表面形狀進行測定，還特別適合對物體的三維內(nèi)腔的形狀進行測定。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種實現(xiàn)上述液體輔助斷層掃描三維形狀測 量方法的裝置。
為達到上述目的，本實用新型公開了一種液體輔助斷層掃描三維空間形狀 測量方法，其特征在于測量裝置包括計算機、測距儀、成像裝置和工作臺； 計算機作為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測距儀和成像裝置與計算機之間由數(shù)據(jù)線連 接，工作臺包括底座、攝像頭支架和固定座組成；攝像頭支架設(shè)有懸臂、立 柱、X滑塊和Y滑塊，X滑塊與底座上表面設(shè)有的X向滑槽滑動配合，X滑塊
上表面設(shè)有與X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑塊與Y向滑槽滑動配合，立柱與 Y滑塊垂直，下端固定在Y滑塊上，懸臂固定在立柱上端，使立柱可以在X 滑塊和Y滑塊帶動下做水平二維移動，懸臂沿立柱作Z向第三維移動，測距 儀和成像裝置安裝在懸臂上，固定座包括固定基座、安裝板和用于測量安裝 板傾斜角度的角度儀，固定基座安裝在底座上，安裝板鉸接在固定基座上使 其可以調(diào)整傾斜角度，安裝板上設(shè)有用于固定被測物體的夾具。
由于本裝置所使用的成像裝置及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都是成熟的技術(shù)和產(chǎn) 品，因此實施簡單、價格便宜、適合大量應(yīng)用。
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步說明。


圖1為本實用新型測量裝置具體實施例1結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本實用新型測量裝置具體實施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
液體輔助斷層掃描三維空間形狀測量方法的具體步驟如下 首先將被測三維空間表面與能使液面與被測三維空間表面接觸的交界處 出現(xiàn)明顯的輪廓線的液面接觸，具體可以是將被測三維空間表面與低透光性、 顏色與被測三維空間表面對比度大的液體物質(zhì)接觸，使液面與被測三維空間 表面接觸的交界處出現(xiàn)明顯的輪廓線，其次用光學成像裝置獲取輪廓線包含
區(qū)域的圖像，光學成像裝置可以是數(shù)碼相機、普通照相機或攝像頭；或者是
將被測三維空間表面與密度大于被測三維空間的液體物質(zhì)接觸，其次用透視 成像裝置獲取液面與被測三維空間表面接觸的交界處輪廓線包含區(qū)域的圖 像，并用測距儀器測量和記錄本次液面與被測三維空間中某一固定截面的相
對位置信息；接著利用圖像分析裝置經(jīng)分析得到上述輪廓線包含的圖像的數(shù) 字化信息；然后改變液面與被測三維空間中某一固定截面的相對位置，重復(fù) 上述第2、 3步驟直至覆蓋整個被測空間；最后通過圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對上述 所有圖像的數(shù)字化信息及對應(yīng)的相對位置信息進行處理得到被測三維空間形 狀的數(shù)字化信息。
本方法不僅適合于對物體外部形狀進行測量，還特別適合對物體內(nèi)部特別 是比較窄小空間內(nèi)部型腔的形狀進行測量。
對于型腔形狀的測量，首先將被測三維型腔表面與能使液面與被測三維內(nèi) 部表面接觸的交界處出現(xiàn)明顯的輪廓線的液面接觸，具體可以是在被測的型 腔注入低透光性、顏色與被測型腔表面對比度大的液體物質(zhì)，使液面與被測 三維空間表面接觸的交界處出現(xiàn)明顯的輪廓線，其次用光學成像裝置獲取輪 廓線包含區(qū)域的圖像；或者是在被測的型腔注入密度大于被測三維空間的液 體物質(zhì)，其次用透視成像裝置獲取液面與被測三維空間表面接觸的交界處輪 廓線包含區(qū)域的圖像，并用測距儀器測量和記錄本次液面與被測三維空間中
某一固定截面的相對位置信息；接著利用圖像分析裝置經(jīng)分析得到上述輪廓
線包含的圖像的數(shù)字化信息；然后改變液面與被測三維空間中某一固定截面 的相對位置，重復(fù)上述第2、 3步驟直至覆蓋整個被測空間；最后通過圖像數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)對上述所有圖像的數(shù)字化信息及對應(yīng)的相對位置信息進行處理得 到被測三維型腔形狀的數(shù)字化信息。
下面結(jié)合具體測量裝置對產(chǎn)品的測量對本實用新型作進一步說明 實施例l:如圖1所示，測量裝置包括計算機l、紅外光電測距儀2、攝 像頭3和工作臺。計算機1作為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，紅外光電測距儀2和攝 像頭3與計算機1之間由數(shù)據(jù)線連接，紅外光電測距儀2的測量精度越高越 好，但考慮到經(jīng)濟性，對于一般場合測量精度不低于0.5mm即足夠；攝像頭3 可以是普通的CCD或COMS攝像頭3，只是在考慮經(jīng)濟性的前提下盡量選擇分 辨率和線數(shù)比較高的，根據(jù)測量的精度要求，選擇1000線CCD攝像頭3應(yīng)該 足夠了；工作臺由底座4、攝像頭支架5和固定座組成。攝像頭支架5設(shè)有懸 臂6、立柱7、 一個X滑塊8和一個Y滑塊9， X滑塊8與底座4上表面設(shè)有 的X向滑槽滑動配合，X滑塊8上表面設(shè)有與X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑 塊9與Y向滑槽滑動配合，立柱7與Y滑塊9垂直，下端固定在Y滑塊9上， 懸臂6固定在立柱7上端，使立柱7可以在X滑塊8和Y滑塊9帶動下做水 平二維移動，懸臂6沿立柱7作Z向第三維移動，也即攝像頭3可以作三維 移動，行程以測量物體的形狀大小為準，例如鞋測量時選擇100 (寬)X100 (長)X300mm(高)已經(jīng)足夠了。紅外光電測距儀2和攝像頭3安裝在懸臂 6上，之所以要固定在一個三維工作臺上是為在液面改變時保證攝像頭3與液 位的距離恒定，同時盡量保證攝像頭3始終處于液位的幾何中心附近以保證 始終能將液面整個攝入攝像頭3;固定座包括固定基座10、安裝板11和角度 儀12，固定基座10安裝在底座4上，安裝板11鉸接在固定基座10上使其可 以調(diào)整傾斜角度，安裝板11上設(shè)有用于固定被測物體的夾具，角度儀12可 以選用萬能量角器或光學量角器測量和標定傾斜角度，使工作臺具有位置反 饋功能隨時記錄攝像頭3的位置和安裝板11傾斜角度，攝像頭3位置和安裝 板11傾斜角度的記錄作為測量的基準提供給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 以鞋內(nèi)腔的測定為例，具體測量步驟如下-
首先將鞋通過夾具垂直固定在安裝板11上，用攝像頭3觀察鞋前部，如 果用攝像頭3能夠直接觀察到鞋尖，則在整個測量過程中保持鞋垂直狀態(tài)。 調(diào)節(jié)Y滑塊9， X滑塊8及懸臂6使攝像頭3位置置于可以將鞋內(nèi)輪廓整個觀 察全的位置，鞋的傾斜保證能將鞋尖用攝像頭3觀察到，如果用攝像頭3觀 察不到鞋尖，則適當調(diào)整安裝板11的傾斜角度直至用攝像頭3能夠直接觀察 到鞋尖，在測量鞋尖的過程中保持鞋處于這個傾斜狀態(tài)，在測量鞋中部時可 以使鞋恢復(fù)到垂直狀態(tài)，也可以在整個測量過程中保持鞋傾斜狀態(tài)，不論釆
取哪種狀態(tài)重要的是要保證攝像頭3始終能夠看到整個鞋的內(nèi)部，避免測量 死角，然后注入鮮艷顏色液體(例如鮮艷的黃色、白色液體)，液體最好是水 溶性容易清洗的，例如石膏、石灰、面粉的水溶液體等，液位的控制通過一 個液體注入裝置提供，這種液體注入的方式可以有很多種，甚至可以采用手 動，保證液位到達指定位置。液位的位置確定通過一個液位測量系統(tǒng)完成， 物體的液位可以通過一個輔助測距系統(tǒng)進行實時測控，液位測量也可以有很 多種，可以使用光纖探測頭、超聲波探測頭進行測量，也可以通過一個液面 直尺確定液面高度，本實施例中選用紅外光電測距儀2，以底座4上表面作為 液位和被測物的傾斜角度參考平面，通過攝像頭3紀錄下鞋的內(nèi)部液面圖像， 通過數(shù)據(jù)線將圖像輸入至計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，同時通過數(shù)據(jù)線或鍵盤 將傾斜狀態(tài)液位高度輸入至計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，再次注入液體提高液 面高度，每次液位高度的變化量最好相同，如0.5mm或1.0腿，再重復(fù)上兩個 步驟，直至注滿整個鞋內(nèi)腔。如果測量過程中傾斜狀態(tài)有變化，必須將測量 時的傾斜狀態(tài)記錄并提供給計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行校正。計算機1數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)對輸入的數(shù)據(jù)進行處理，得到鞋前部空間的原始層析數(shù)據(jù)，并對原 始的層析數(shù)據(jù)(即每一液面位置的圖像)進行濾波去噪，然后對經(jīng)濾波后的圖 像按像素的某個鄰域構(gòu)造邊緣檢測算子，如梯度算子、方向算子、拉普拉斯 算子和坎尼算子等，考察圖像每個像素在某個鄰域內(nèi)灰度的變化，運用邊緣 鄰近的一階或二階方向?qū)?shù)變化規(guī)律來提取邊界輪廓信息，生成相應(yīng)的輪廓 線。根據(jù)得到的輪廓線、該輪廓所處的液位、攝像頭3位置和傾斜角度生成 鞋內(nèi)部形狀準確的三維坐標數(shù)據(jù)(點云數(shù)據(jù))，最終將數(shù)據(jù)以DXF(Dmwing exchange File)的格式保存。Pro/ENGINEER、 UG、 Solidworks和AutoCAD能 夠讀取這些數(shù)據(jù)，完成三維實體重構(gòu)。
對于不封閉的物體，應(yīng)該制作一個輔助密封部件將所測量物體內(nèi)部密閉以 保證液體的液位保持。
對于一個復(fù)雜的內(nèi)部空間可以改變物體的放置角度，保證對物體內(nèi)部空間 所有位置的測量，避免測量死角。
對于一個截面中心位置隨液位不同不斷變化的物體，攝像頭3的位置應(yīng)相 應(yīng)調(diào)整，保證攝像頭3隨時攝入所有液面。
如果液面很大無法同時攝入，可以分段攝像后拼合整體液面圖像。
另外，也可以以同樣的步驟注入比包含被測三維空間的被測物密度比高的 多的液體物質(zhì)，通過透視成像裝置如X射線成像儀成像后輸入到計算機1中，
經(jīng)過同樣的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，完成三維實體重構(gòu)。 三維物體外形具體測量步驟如下
如圖2所示，測量裝置包括計算機l、紅外光電測距儀2、攝像頭3和工 作臺，計算機1作為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。紅外光電測距儀2和攝像頭3與計
算機1之間由數(shù)據(jù)線連接。工作臺由底座4、攝像頭支架5和測量池13組成， 測量池13設(shè)有注入口 14和排液口 15。攝像頭支架5設(shè)有懸臂6、立柱7、 一 個X滑塊8和一個Y滑塊9， X滑塊8與底座4上表面設(shè)有的X向滑槽滑動配 合，X滑塊8上表面設(shè)有與X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑塊9與Y向滑槽滑 動配合，立柱7與Y滑塊9垂直，下端固定在Y滑塊9上，懸臂6固定在立 柱7上端，使立柱7可以在X滑塊8和Y滑塊9帶動下做水平二維移動，懸 臂6沿立柱7作Z向第三維移動，也即攝像頭3可以作三維移動，行程以測 量物體的形狀大小為準，例如鞋測量時選擇100 (寬)X100 (長)X300mm (高)己經(jīng)足夠了。
以鞋外表面的測定為例
首先將被測鞋置于內(nèi)，調(diào)節(jié)Y滑塊9， X滑塊8及懸臂6使攝像頭3位置 置于鞋的正上方，可以將鞋內(nèi)輪廓整個觀察全的位置，通過注入口14逐漸注 入與被測三維物體表面顏色對比度大的液體，液體最好是水溶性容易清洗的， 將鞋逐漸浸入液體中，每次注入量使液面上升0.5mm或l.Omm，每改變一次高 度，都通過攝像頭3紀錄下液面圖像，通過數(shù)據(jù)線將圖像輸入至計算機1數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)中，同時通過數(shù)據(jù)線或鍵盤將傾斜狀態(tài)液位高度輸入至計算機1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。當然也可以先注入液體將鞋浸沒在液體中，然后通過打開 排液口 15來改變液面高度，液面高度可以通過輔助測距系統(tǒng)進行實時測控， 輔助測距系統(tǒng)可以是光纖探測頭、超聲波探測頭，也可以通過一個液面直尺 確定液面高度，本實施例中選用紅外光電測距儀2，以測量池13中液面作為 高度和被測物的傾斜角度參考平面，每改變一次高度，都通過攝像頭3紀錄 下液面圖像，通過數(shù)據(jù)線將圖像輸入至計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，同時通過 數(shù)據(jù)線或鍵盤將傾斜狀態(tài)和夾具至液面的高度輸入至計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 中。如果測量過程中傾斜狀態(tài)有變化，必須將測量時的傾斜狀態(tài)記錄并提供 給計算機1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行校正。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對輸入的數(shù)據(jù)進行處理， 并對原始的層析數(shù)據(jù)(即每一液面位置的圖像)進行濾波去噪，然后對經(jīng)濾波 后的圖像按像素的某個鄰域構(gòu)造邊緣檢測算子，如梯度算子、方向算子、拉 普拉斯算子和坎尼算子等，考察圖像每個像素在某個鄰域內(nèi)灰度的變化，運 用邊緣鄰近的一階或二階方向?qū)?shù)變化規(guī)律來提取邊界輪廓信息，生成相應(yīng) 的被測鞋表面與液面交界的輪廓線。根據(jù)得到的輪廓線、該輪廓所處的液位、 攝像頭3位置和傾斜角度生成鞋外表面形狀準確的三維坐標數(shù)據(jù)(點云數(shù)據(jù))， 最終將數(shù)據(jù)以DXF(Drawing exchange File)的格式保存。Pro/ENGINEER、 UG、 Solidworks和AutoCAD能夠讀取這些數(shù)據(jù)，完成三維實體重構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其特征在于測量裝置包括計算機、測距儀、成像裝置和工作臺；計算機作為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測距儀和成像裝置與計算機之間由數(shù)據(jù)線連接，工作臺包括底座、攝像頭支架和固定座組成；攝像頭支架設(shè)有懸臂、立柱、X滑塊和Y滑塊，X滑塊與底座上表面設(shè)有的X向滑槽滑動配合，X滑塊上表面設(shè)有與X向滑槽垂直的Y向滑槽，Y滑塊與Y向滑槽滑動配合，立柱與Y滑塊垂直，下端固定在Y滑塊上，懸臂固定在立柱上端，使立柱可以在X滑塊和Y滑塊帶動下做水平二維移動，懸臂沿立柱作Z向第三維移動，測距儀和成像裝置安裝在懸臂上，固定座包括固定基座、安裝板和用于測量安裝板傾斜角度的角度儀，固定基座安裝在底座上，安裝板鉸接在固定基座上使其可以調(diào)整傾斜角度，安裝板上設(shè)有用于固定被測物體的夾具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其特征 在于所述工作臺還設(shè)有測量池，固定座設(shè)置在測量池中，測量池設(shè)有注入 口和排液口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其 特征在于所述成像裝置為光學成像裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其特征 在于所述光學成像裝置為數(shù)碼相機、光學照相機或攝像頭。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其 特征在于所述成像裝置'為透視成像裝置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置，其特征 在于所述透視成像裝置為X射線成像儀。
專利摘要本實用新型涉及一種液體輔助斷層掃描三維形狀測量裝置。包括計算機、測距儀、成像裝置和工作臺；計算機作為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測距儀和成像裝置與計算機之間由數(shù)據(jù)線連接，測距儀和成像裝置安裝在懸臂上，固定座包括固定基座、安裝板和用于測量安裝板傾斜角度的角度儀，固定基座安裝在底座上，安裝板鉸接在固定基座上使其可以調(diào)整傾斜角度，安裝板上設(shè)有用于固定被測物體的夾具。本測量裝置不僅適用于對物體的三維外表面形狀進行測定，還特別適合對物體的三維內(nèi)腔的形狀進行測定，實施簡單、設(shè)備價格便宜、適合大量應(yīng)用。
文檔編號G01B13/16GK201007646SQ20072003469
公開日2008年1月16日 申請日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者陳培鋒 申請人:華中科技大學溫州先進制造技術(shù)研究院