專利名稱：基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，尤其是一種操作簡(jiǎn)單、精度高，可降低測(cè)量成本、 提高工作效率，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)大型加工工件進(jìn)行非接觸測(cè)量的基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工業(yè)測(cè)量學(xué)是在工業(yè)生產(chǎn)和科研各環(huán)節(jié)中，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、模擬、測(cè)量、放樣、仿制、仿真、產(chǎn)品質(zhì)量控制、產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提供測(cè)量技術(shù)支撐的一門學(xué)科。工業(yè)測(cè)量是指在制造工業(yè)和機(jī)器安裝工業(yè)中，對(duì)部件和產(chǎn)品的形體進(jìn)行精密的三維坐標(biāo)測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容以產(chǎn)品的幾何尺寸為主，也涉及色彩、溫度、速度與加速度及其他物理量，三維工業(yè)測(cè)量技術(shù)是工業(yè)測(cè)量的基本組成部分。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸三維坐標(biāo)測(cè)量的方法和系統(tǒng)，按照所使用的主要傳感器可以分為以下幾類
1.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是目前在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)通用坐標(biāo)精密測(cè)量代表設(shè)備，通過測(cè)頭沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精確的坐標(biāo)測(cè)量，已經(jīng)成為3D檢測(cè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、效率高、通用性好，缺點(diǎn)是屬于接觸式測(cè)量方式，不易對(duì)準(zhǔn)特征點(diǎn)；對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高、不便攜；受導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的限制，一般只能用于專用的測(cè)量環(huán)境，不能應(yīng)用于制造現(xiàn)場(chǎng)；傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍有限，一般不超過2米。2.經(jīng)緯儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)
經(jīng)緯儀工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)以空間交會(huì)三角測(cè)量原理為基礎(chǔ)，采用多個(gè)經(jīng)緯儀組合，結(jié)合精密定向技術(shù)，是在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最早和最多的一種系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較大，可達(dá) 2m至幾十米；為光學(xué)非接觸測(cè)量，精度較高，在二十米范圍內(nèi)的坐標(biāo)精度可達(dá)到10 μ m/m ； 靈活性強(qiáng)，可以根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)合理布設(shè)，滿足不同的使用要求。缺點(diǎn)為一般采用手動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)，逐點(diǎn)測(cè)量，工作強(qiáng)度大，測(cè)量效率低、自動(dòng)化程度不高，測(cè)量精度隨測(cè)量距離增加而下降；系統(tǒng)成本太高，不適合大工作量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。3.全站儀極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)
全站儀極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)是以一臺(tái)高精度的全站儀構(gòu)成的極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，基于極坐標(biāo)法的原理，兼有電子測(cè)角和電子測(cè)距功能。優(yōu)點(diǎn)為儀器設(shè)站非常方便和靈活，測(cè)程較遠(yuǎn)，實(shí)際上在IOOm范圍內(nèi)的精度可達(dá)到士 0. 5mm左右。缺點(diǎn)為適用于鋼架結(jié)構(gòu)測(cè)量和造船工業(yè)等中等精度要求產(chǎn)品價(jià)位較高。4.激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)
激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是基于空間極坐標(biāo)測(cè)量原理，通過給定點(diǎn)的坐標(biāo)由跟蹤頭輸出的兩個(gè)角度，建立在激光干涉長(zhǎng)度測(cè)量和角度精密測(cè)量基礎(chǔ)上的極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)為具有快速、動(dòng)態(tài)、精度高。缺點(diǎn)為測(cè)角精度比全站儀的要低，測(cè)量范圍也比全站儀要小，價(jià)位較尚ο
5.激光掃描測(cè)量系統(tǒng)
利用激光采用非干涉法測(cè)距方式系統(tǒng)稱為激光掃描測(cè)量系統(tǒng)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)距精度高的特點(diǎn)，但是測(cè)距為相對(duì)測(cè)距，需要保持在跟蹤過程中激光束不能丟失，另外測(cè)距需要合作目標(biāo)(反射器)配合，因此是一種接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，往往給測(cè)量帶來諸多不便。6.關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)
關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)利用空間支導(dǎo)線的原理實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)測(cè)量功能，它也是非正交系坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的一種，是一種便攜的接觸式測(cè)量?jī)x器，對(duì)空間不同位置待測(cè)點(diǎn)的接觸實(shí)際上模擬人手臂的運(yùn)動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)為測(cè)頭安置非常靈活，不需要測(cè)點(diǎn)的通視條件，因此在一些測(cè)點(diǎn)通視條件較差的情況下，非常有效。缺點(diǎn)為由于關(guān)節(jié)臂長(zhǎng)的限制，其測(cè)量范圍有限，最長(zhǎng)可以到4m。7.室內(nèi) GPS
室內(nèi)GPS是指利用室內(nèi)的激光發(fā)射裝裝置(基站)不停地向外發(fā)射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號(hào)后，從中得到發(fā)射器與接受器間的兩個(gè)角度值(類似于經(jīng)緯儀的水平角和垂直角)，在已知了基站的位置和方位信息后，只要有兩個(gè)以上的基站就可以通過角度交會(huì)的方法計(jì)算出接收器的三維坐標(biāo)?；镜奈恢煤头轿煌ㄟ^光束法來進(jìn)行系統(tǒng)定向后完成，就不需要已知控制點(diǎn)，只要一個(gè)基準(zhǔn)尺度就可以了。優(yōu)點(diǎn)=Indoor GPS具有很高的測(cè)量精度、測(cè)量速度和穩(wěn)定性，可以根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境靈活布設(shè)高精度的局部空間測(cè)量體系。缺點(diǎn)由于該系統(tǒng)需要在測(cè)量對(duì)象上事先安裝接收器，因此，該系統(tǒng)是接觸式的， 對(duì)于造船廠鋼板測(cè)量來說不方便，并且測(cè)量對(duì)象為某個(gè)三維點(diǎn)。價(jià)格非常昂貴。綜上所述，現(xiàn)有的數(shù)字測(cè)量技術(shù)一般具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)第一，成本很高，購置成套的測(cè)量設(shè)備價(jià)格高達(dá)上百萬元人民幣。第二，對(duì)測(cè)量場(chǎng)地狀況要求苛刻，例如，測(cè)量場(chǎng)地一些光線的變化會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生比較明顯的影響。第三，測(cè)量精度對(duì)設(shè)備質(zhì)量或數(shù)量依賴性高。第四，操作專業(yè)性強(qiáng)，必須在專業(yè)人士的操作下才能得到理想的結(jié)果。而且，一般的數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)需要在測(cè)量對(duì)象上事先安裝接收器，該系統(tǒng)是接觸式的，對(duì)于造船廠鋼板測(cè)量來說是極為不方便的。在造船工業(yè)中，鋼板彎曲加工之前的船體設(shè)計(jì)、放樣、展開、號(hào)料、切割均實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化，其后的裝配、焊接均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和流水線話，只有鋼板加工和評(píng)測(cè)這兩個(gè)環(huán)節(jié)仍靠手工，既用事先制作的木制模具與目標(biāo)部件進(jìn)行比照。這樣，在制造每艘船之前，都需要制造大量不可重復(fù)的模具。這種手工測(cè)量的方法具有如下明顯的缺點(diǎn)第一，一般造船工業(yè)的部件尺寸比較大，這種手工測(cè)量的方法就會(huì)受到場(chǎng)地及工具的限制；第二，模具的制造及使用需要專業(yè)的技術(shù)人員，浪費(fèi)大量的人力且工作效率低下；第三，使用后的模具不可重復(fù)利用，造成資源的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，提供一種操作簡(jiǎn)單、精度高， 可降低測(cè)量成本、提高工作效率，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)大型加工工件進(jìn)行非接觸測(cè)量的基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于依CN 102322798 A
說明書
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次設(shè)有數(shù)碼圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、特征提取模塊、圖像配準(zhǔn)模塊、三維重建模塊、 動(dòng)態(tài)仿真模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。本發(fā)明利用數(shù)碼相機(jī)采集圖像，從變形的角度解決NURBS曲線曲面的直接重建問題，可對(duì)大型加工工件(如造船鋼板)進(jìn)行非接觸測(cè)量。本發(fā)明可擺脫結(jié)構(gòu)光、經(jīng)緯儀等輔助成像及定位的設(shè)備，使得用戶通過盡量少的交互式操作和最簡(jiǎn)單的設(shè)備及環(huán)境完成拍攝和復(fù)雜的計(jì)算工作，對(duì)環(huán)境的要求降至最低，可適應(yīng)戶內(nèi)戶外等具有一定照度的環(huán)境使用，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、可降低測(cè)量成本及提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)，是自動(dòng)化程度很高的系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的原理框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例如圖1所示依次設(shè)有數(shù)碼圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、特征提取模塊、圖像配準(zhǔn)模塊、三維重建模塊、動(dòng)態(tài)仿真模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。數(shù)碼圖像采集模塊利用數(shù)碼相機(jī)直接在自然光條件下對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行三維多角度拍攝，獲得2飛幅數(shù)字圖像，其可操作性強(qiáng)且便于攜帶，解決了因使用結(jié)構(gòu)光而對(duì)測(cè)量環(huán)境造成的制約；支持主流的相機(jī)拍攝圖像的文件格式BMP、GIF、JPG、PNG、RC2等；支持主流的逆向工程軟件的文件格式DXF、IGS、OBJ、STL、WRL等；
圖像預(yù)處理模塊利用簡(jiǎn)易標(biāo)定板，根據(jù)所建立的相機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的全自動(dòng)定標(biāo)和糾偏；
特征提取模塊實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體上的特征設(shè)計(jì)和拍攝圖像上的全自動(dòng)特征提取，獲得感興趣區(qū)域和關(guān)鍵特征；
圖像配準(zhǔn)模塊充分利用了圖像的灰度、紋理信息，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)、灰度和紋理的圖像亞像素高精度區(qū)域配準(zhǔn)，使得配準(zhǔn)精度大大提高，配準(zhǔn)率達(dá)到90%以上，精度達(dá)到0. 01毫米確保能夠完成高精度的三維重建；
三維重建模塊利用二維圖像分析軟件，把圖像看成是由NURBS表示的帶有紋理的三維曲面在不同方向的投影，將基于區(qū)域的圖像配準(zhǔn)和三維重建一起考慮。從曲線曲面變形的角度來進(jìn)行空間重建，把透視變換下曲線曲面的擬合問題轉(zhuǎn)化為對(duì)NURBS曲線曲面的控制點(diǎn)求解問題，同時(shí)利用內(nèi)部彈性能量控制曲線曲面的光滑性。降低了初值對(duì)于不同視圖中配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)數(shù)目的需求，可以利用較少的配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)完成曲面重建。實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體的NURBS 曲線和曲面的高精度三維重建，誤差控制在0. 01毫米以內(nèi)；相機(jī)拍攝圖像和CAD三維模型的人性化顯示，以及參數(shù)化的建模使得用戶的交互式操作更為靈活方便，便于工程人員在 Catia、3ds Max、UG、ProE、imageware、po 1 yworks,Solidfforks 等通用的三維逆向軟件中進(jìn)行操作，工作人員能夠更快地借助簡(jiǎn)單的可視化操作完成三維重建和誤差評(píng)估的工作；
動(dòng)態(tài)仿真模塊利用三維分析軟件，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互界面，能自動(dòng)擬合NURBS曲線和曲面，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格和NURBS曲線和曲面的轉(zhuǎn)化；
數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)重建的NURBS曲線和曲面數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)之間的誤差評(píng)估，提供形狀差異數(shù)據(jù)并給出指導(dǎo)信息。
權(quán)利要求
1. 一種基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于依次設(shè)有數(shù)碼圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、特征提取模塊、圖像配準(zhǔn)模塊、三維重建模塊、動(dòng)態(tài)仿真模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于光學(xué)成像的工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，依次設(shè)有數(shù)碼圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、特征提取模塊、圖像配準(zhǔn)模塊、三維重建模塊、動(dòng)態(tài)仿真模塊及數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊。利用數(shù)碼相機(jī)采集圖像，從變形的角度解決NURBS曲線曲面的直接重建問題，可對(duì)大型加工工件(如造船鋼板)進(jìn)行非接觸測(cè)量。本發(fā)明可擺脫結(jié)構(gòu)光、經(jīng)緯儀等輔助成像及定位的設(shè)備，使得用戶通過盡量少的交互式操作和最簡(jiǎn)單的設(shè)備及環(huán)境完成拍攝和復(fù)雜的計(jì)算工作，對(duì)環(huán)境的要求降至最低，可適應(yīng)戶內(nèi)戶外等具有一定照度的環(huán)境使用，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、可降低測(cè)量成本及提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)，是自動(dòng)化程度很高的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01C11/00GK102322798SQ20111023757
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者蘇志勛 申請(qǐng)人:大連康基科技有限公司