基于激光三角法的三維輪廓測量系統研制

劉士興, 朱 妍, 宋亞杰, 孫 操

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

基于激光三角法的三維輪廓測量系統研制

劉士興, 朱 妍, 宋亞杰, 孫 操

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

為了改善光電子技術、數字圖像處理等3D打印相關技術課程的實踐教學效果,設計了基于激光三角法的三維輪廓測量系統。采用單片機作為主控制器,步進電機驅動旋轉靶臺使待測物體做360°旋轉,工業相機采集線激光器照射到被測物體的反射光,對圖像進行二值化和濾波預處理、極值法提取激光線中心、點云坐標計算等處理后獲取被測物體三維輪廓信息。實驗結果表明,該系統能夠準確獲取被測物體三維輪廓,測量誤差小于±0.5 mm。

三維輪廓測量；激光三角法； 系統參數標定； 點云坐標計算

隨著計算機技術和圖像處理技術的發展,物體三維輪廓測量方法不斷更新,并被廣泛地應用于逆向工程仿真[1]、機器視覺[2]、生物醫學等領域[3]。三維測量手段包括接觸式測量和非接觸式測量,接觸式測量利用機械接觸式探針提取物體的表面信息,可能對被測物表面造成損傷,難以用于測量柔性物體[4]。非接觸式測量方法主要包括飛行時間法[5]、全息干涉法[6]、雙目視覺法[7]、激光三角法等[8-9]。全息干涉測量主要針對粗糙表面的測量,精度較高,然而對攝像底片的分辨率要求高,需要經過嚴格的化學處理[10]。雙目視覺法模仿人的雙眼感知距離,通過匹配算法找出兩幅圖像中的匹配點,算法復雜度高[11]。

本文基于激光三角測量原理,研制了一種三維輪廓測量系統,實現不規則物體輪廓的自動化掃描和非接觸式測量,具有測量速度快,分辨率高,成本低等優點[12]。

1 三維輪廓測量原理

1.1 激光三角測距原理

如圖1所示,紅外激光器發出光束照射在被測物體表面,形成光斑H0,成像系統對部分漫反射光進行匯聚,光斑在光敏元件形成像點M0,當被測物表面沿激光軸線方向發生位移變化到H1時,反射光的角度發生變化,光敏面上成像點發生移動得到M1,物點和像點位置關系見式1。已知像點的位置,即可由式(2)計算物點到參考平面的距離。

圖1 激光三角法光路結構圖

(1)

(2)

式中:y為物點位移量,x為像點位移量,α為入射光H1H0與反射光H0M0的夾角,β為反射光H0M0與CCD光敏面M1M0夾角,a為H0點的成像物距,b為H0點的成像像距。

由式(2)可得式(3),物點位移量的倒數與像點的偏移量的關系是一條光滑的曲線。

(3)

式中

1.2 三維輪廓測量系統標定

利用位移平臺給出定標點,基于非線性最小二乘算法確定物點空間位移量與像點像素位移量的函數關系,具有標定參數少、效率和精度高的優點[13]。

定標平臺選用螺桿型手動位移平臺,行程為125 mm,精度1 mm,通過旋轉螺桿使臺面定向位移。系統標定時在位移平臺上放置一表面光滑的豎直參考面,用于接受激光照射產生反射光斑；以2 mm為位移間距移動平面,并觸發相機拍照,共拍攝標定照片63張,提取每張照片的激光線中心,記為(x1,x2,……,x63),對應的實際位移量為(y1,y2,……,y63),擬合得到關于x的二次曲線即為系統標定曲線,通過內插法即可找到任一像點所對應的物點。

1.3 三維輪廓掃描過程

如圖2所示,將被測物體放置旋轉靶臺上,線型激光照射待測物體,相機通過捕捉反射光采集物體輪廓信息,步進電機驅動旋轉靶臺,每隔一定角度觸發相機拍照,每張照片對應不同的旋轉角度。例如拍照N張,則步距角為360°/N,第n(n=1、2…N)張照片對應的旋轉角θ=(n-1)×360°/N,靶臺旋轉一周即完成對被測物體的輪廓掃描。

圖2 三維輪廓掃描實驗平臺原理圖

2 系統硬件平臺設計

如圖3所示,三維輪廓測量系統由三維輪廓掃描實驗平臺、三維輪廓測量系統控制儀和計算機組成。

圖3 系統結構框圖

2.1 三維輪廓掃描實驗平臺

選用固有頻率低、阻振性能強的精密型柜式光學平臺固定三維輪廓測量系統中的光學設備,包括工業相機、線激光源和電動旋轉臺,使三者之間的位置關系滿足激光三角法測距的應用條件進而實現輪廓掃描,計算機通過千兆網線連接到工業相機實時采集掃描圖片。

工業相機選用邁德威視(MindVision)公司以太網CMOS相機,最大分辨率為2 592像素×1 944像素,具有軟硬件兩種觸發方式。線型紅外激光源波長650 nm,光線最細達到1 mm,較細的激光為后續確定激光線中心提供基礎。選用KDM556電機驅動器,可驅動4、6、8線兩相步進電機,脈沖響應頻率可達到200 kHz,細分范圍200～51 200；步進電機和蝸桿通過彈性聯軸器連接同步傳動,從而驅動旋轉臺,傳動比為90∶1,滿足系統設計要求。

2.2 三維輪廓測量系統控制儀

三維輪廓測量系統控制儀集成了單片機控制模塊、步進電機驅動模塊、LCD顯示模塊和電源模塊,該控制儀將計算機指令轉化為對實驗平臺裝置的控制信號。

4)與塑料地膜生產中各項指標和標準體系相比，紙地膜的各項指標體系尚沒有建立，不利于紙地膜的生產和推廣。

選用STC89C52RC芯片作為控制單元,通過串口與上位機進行通信,通過接線端子連接電機驅動器和相機,輸出方向信號、脈沖信號、相機觸發信號,實現電機驅動器和工業相機的控制；兩相4線步進電機的藍、紅、黑、綠4條線接在驅動器A+、A-、B+、B-上,采用共陽極接線方式；以并行方式向LCD寫入顯示內容,LCD實時顯示掃描進度[14-16]。

3 輪廓測量系統軟件設計

輪廓測量軟件系統分為上位機軟件和單片機控制兩部分。上位機軟件實現三維輪廓還原算法和人機交互,單片機軟件實現對系統各個設備的協調控制。

3.1 上位機程序設計

3.1.1 人機界面設計

基于LabVIEW平臺開發了輪廓測量系統上位機軟件,為方便學生做課程設計實現圖像處理和算法設計,在LabVIEW程序中嵌入了開源Matlab腳本。

上位機軟件流程見圖4。上位機界面包括2個顯示區域和多個功能按鍵,設置掃描照片數量、鍵入物體實際高度,啟動輪廓掃描,LCD提示掃描結束后,依次點擊“擬合標定曲線”“圖片預處理”“坐標計算”“模型重建”按鈕,即可完成一次輪廓測量。

圖4 上位機軟件流程

3.1.2 輪廓測量算法設計

物體三維輪廓的重建是將掃描照片中的有效像點轉化成相應坐標值后繪制的,照片數量越多則輪廓重建結果中點云越密集,反之越稀疏。數據處理過程如下:

圖像預處理包括圖像二值化和圖像濾波。由于激光線在圖像上可能占了十幾列甚至幾十列像素寬度,本文采用極值法提取激光線中心。極值法[17]認為局部灰度值最高的像素即為激光中心。利用標定曲線計算出物點到參考平面的距離depth,最后通過以下各式計算物點坐標值：

xjk=depthjk×sinθj

(4)

yjk=depthjk×cosθj

(5)

(6)

式中xjk為第j張圖片中第k行像點x方向坐標值,θj為圖片j對應旋轉角, depthjk為圖片j中第k行像點的物距,Sj為圖片j中激光線所占總行數,height為物體的實際高度,j∈[1,2…N],k∈[1,2…2592]。

3.2 下位機軟件設計

基于Keil uVision4軟件編寫了下位單片機C語言程序,開機后系統首先進行初始化,包括LCD、定時器、CMOS相機的初始化。初始化后系統進入等待狀態,監聽網絡端口,讀取上位機指令后進入中斷處理程序,打開激光源,控制旋轉靶臺轉動同時觸發相機抓拍,LCD顯示旋轉角度和抓拍數量。

4 實驗結果

4.1 標定結果分析

對定標數據點進行非線性最小二乘擬合,得到系統標定曲線:y=ax2+bx+c,其中a=-1.731×10-5,b=0.0849,c=-86.02,x為像點位置,y為物點到標定參考平面的距離。利用系統標定曲線對10個檢測點進行重復測量,結果表明測量誤差在±0.5 mm以內。

4.2 輪廓測量實驗結果

以9°、3.6°、1.8°作為旋轉步距角對同一木盒進行多次掃描,分別拍照40、100、200張,測量結果如圖5所示。

圖5 不同步距角拍攝的照片

實驗結果表明,采用基于二次曲線擬合的方法實現系統標定具有操作簡單、精度高的特點；本系統可以實現物體三維輪廓重建,且掃描照片數量決定重建結果中激光線密度,滿足設計要求。

5 結語

基于激光三角測量原理設計了一種三維輪廓測量系統,綜合了光學、機械和電子線路知識,涉及電動旋轉臺、步進電機驅動、單片機、傳感器、圖像處理、軟件設計等多方面的知識和技術。本系統已應用于光電子學和光電探測技術等課程的實踐教學中,學生可以通過動手操作及數據處理提高實踐動手能力、鞏固理論知識。

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Development of 3D profile measurement system based on laser triangulation method

Liu Shixing, Zhu Yan, Song Yajie, Sun Cao

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to improve the practical teaching effect of technology courses related to 3D printing such as photoelectron technology and digital image processing, a 3D profile measurement system based on the laser triangulation method is designed. By using MCU as the main controller, the rotating platform which is driven by the stepper motor enables the object to be measured to complete the 360 degree rotation. The industrial camera is used to collect the reflected light which is irradiated by the laser and reflected by the measured object. After the image is preprocessed by the binarization and filtering, the laser line center is extracted by the extremum method, and after the image is processed by the point cloud coordinate calculation, the 3D profile information of the measured object is acquired. The experimental results show that the system can accurately obtain the 3D profile of the measured object, and the measurement error is less than ±0.5 mm.

3D profile measurement; laser triangulation method; system parameter calibration; point cloud coordinate calculation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.021

2017-06-19修改日期2017-08-05

安徽省重大教研項目(2015ZDJY016)資助

劉士興(1969—)男,安徽宿州,博士,副教授,研究方向為光電探測技術、可編程器件與系統設計.

E-mail：liusx@hfut.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2017)12-0085-04