一種基于偏軸成像的3D輪廓儀設計

朱文韜 南程哲 蔣穎峰 樊成 徐進

1.引言

隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，物體三維輪廓檢測和數據信息提取技術有了很大的發展，被廣泛地應用于產品設計、體積測量、質量控制、逆工程仿真、機器視覺以及生物醫療等領域。非接觸式測量方法由于其具有非接觸、無損、自動化、高精度、高效率等一系列優點，成為現代三維曲面測量的重要途徑及發展方向。激光三角法作為一種典型的非接觸式測量方法，不需要復雜的圖像處理設備，信號處理簡單可靠，測量速度快，測量范圍廣，精度比較高，在工程測量中被廣泛應用。但是激光三角法成像在測距時需要大量的矩陣運算，存在計算復雜度高的問題。因此，需要研究一種結構簡單、計算簡便，且保持必要精度的高性價比的3D輪廓儀。

2.設計思路

基于激光三角法的3D輪廓儀，其構造主要由激光發射器和工業相機兩部分組成。激光發射器發出的激光形成一條直線，投射到物體表面形成漫反射，反射光被相機鏡頭捕捉到，通過鏡頭折射到感光芯片上。輪廓掃描儀保持固定，通過電機驅動履帶勻速控制待測物體運動，通過計算單位時間的位移就可得出點云，最后完成三維重建。

傳統輪廓掃描儀的光學結構有兩種，第一種是直接成像在感光元件上，其結構簡單，但算法復雜。第二種是在鏡片后加一塊反射鏡，以一定比例反射到感光元件上。這種方法避免繁雜的算法，但其光學結構及其復雜。本設計結合以上兩種方法，將感光元件角度調整為垂直于被測平面，使用偏軸式成像，將感光元件放在成像鏡頭后，這樣不僅簡化了光學結構，并且能簡化被測物體相關數值計算，求解得到MN，光路圖如圖1所示。

3.實現效果

本作品的硬件設備主要由激光發射器、工業相機、主控芯片、被測物移動履帶四部分組成。實驗實物圖如下圖所示。圖2-a是全景圖，上方右側可以看到主控芯片，圖片下方是移動履帶支架。

激光發射器發出的激光形成一條直線，投射到物體表面形成漫反射，反射光被相機鏡頭捕捉到，通過鏡頭折射到感光芯片上。輪廓掃描儀保持固定，通過電機驅動履帶勻速控制待測物體運動，通過計算單位時間的位移就可得出點云，最后完成三維重建。完成了一個鼠標的三維重建，如圖2-b所示。

參考文獻：

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（作者單位：衢州學院電氣與信息工程學院）