魏鵬軒 賈衛(wèi)博 楊興

（電子科技大學機械與電氣工程學院 四川省成都市 611731）

1 引言

葉片作為航空發(fā)動機的重要組成部分，但由于葉片的工作環(huán)境惡劣和扭曲程度大等特點，使得葉片成為整體環(huán)節(jié)中最易出故障的部位，因此葉片輪廓和質(zhì)量的檢測成為發(fā)動機生產(chǎn)制造過程中的關鍵環(huán)節(jié)[1]。

目前葉片測量的方法主要有接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量有標準樣板法、三坐標測量機法等，當需檢測葉片的數(shù)量非常多時，該種方法測量效率低下；同時葉片多為扭曲度較高的自由曲面，這使接觸式測量十分困難。非接觸式測量法包括輪廓投影法、干涉法、激光三角法和光柵投影測量法等，其具有非接觸，高效率和高精度等檢測優(yōu)點[2]。傳統(tǒng)輪廓投影法通過投影展示葉片輪廓形狀，但投影與理論輪廓存在配準問題，且環(huán)境光影響極大；干涉法測量精度高但是視場太小，不適合葉片的整體結構測量；激光三角法測量方式靈活多變，但是局限于線面激光，測量效率有待進一步提升；光柵投影測量法屬于面結構光技術，利用投影光柵和相位計算實現(xiàn)三維形貌重建測量，大大提升了測量效率和測量精度。基于光柵投影的葉片輪廓測量技術可分為四個關鍵技術和方法，分別是光柵投影方法、標定方法、光柵投影解相方法、多視角點云拼接技術，故本文將從以上四個方面對基于光柵投影的葉片三維輪廓測量研究現(xiàn)狀進行闡述。

2 光柵投影葉片三維重建方法研究現(xiàn)狀

2.1 光柵投影方法研究

現(xiàn)有的光柵投影方法一般分為傅里葉變換法、莫爾輪廓術和相移法。

傅里葉變換法的基本原理是對調(diào)制條紋圖像進行傅里葉變換、頻域濾波和傅里葉逆變換來提取條紋的相位信息。日本學者Takeda[3]于1982年首先將傅里葉頻譜分析用于包含物體信息的光柵條紋的相位展開。

莫爾輪廓術的基本原理是投射光柵A 在待測物體表面，形成由物面調(diào)制的像柵，再在觀察點處透過光柵B 獲取疊柵圖樣[4]。莫爾輪廓術裝置簡單，在工業(yè)三維型面測量上應用廣泛，但分辨率和精度受物體表面傾斜度、和陰影等影響，不適合進行高精度測量。

相移法[5]是通過投影不同相位的光柵圖，分析待測物面表面調(diào)制后的條紋圖像從而進行相位展開，最終獲得待測物面各點深度信息。其計算效率高，測量精度通常小于0.1mm。

2.2 標定方法研究

現(xiàn)有的基于數(shù)字光柵投影的標定方法有以下三種: 攝影測量法、三角測量法和多項式擬合法。

攝影測量法是建立在小孔成像的基礎上。該方法把投影儀看作逆相機，根據(jù)相機標定原理對投影儀逆標定。FALCAO 等人[6]用投影儀向棋盤格實物標定板的空白處投射棋盤格圖案，先標定出相機的內(nèi)外參數(shù)，再根據(jù)投影棋盤格角點的極線，由線面相交其角點坐標。

圖1：多視覺設備拼接

圖2：人工標志點拼接

圖3：特征單元拼接

三角測量法是根據(jù)光路的幾何關系建立物像點坐標之間的關系式，從而進行系統(tǒng)標定參數(shù)的求解。JIA 等人[7]提出了一種標定模型，需要標定的參數(shù)包括基線長度、焦距，及相機光軸與世界坐標系x 軸的夾角。

多項式擬合法[8]假設待測物的世界坐標和其在圖像坐標系中對應位置的相位可用多項式表達，直接建立了二維到三維的坐標映射。多項式擬合法的優(yōu)點在于避免標定相機和投影儀的具體參數(shù)，但為保證標定精度，則需要復雜的多項式擬合，極大的增加了計算量。

2.3 光柵投影解相位方法研究

現(xiàn)有的光柵投影解相位方法分為以下三種，其中有多頻時、多波長和數(shù)論算法。這三種算法的共同思想是借助一個(或多個)具有不同條紋周期的附加包裝相位映射來展開相位。

多頻時法是由Нuntley 在1993年首先提出的，后來被其他人研究和改進。根據(jù)條紋序列的類型，這些算法可以進一步分為幾個類別:線性序列，指數(shù)序列，反向指數(shù)序列等。

多波長法又稱是由20 世紀70年代初的全場移相干涉術和全息術的結合發(fā)展而來的。幾十年后，這種技術被Reich C在FPP中引入，可以有效的解決相位不連續(xù)問題。

數(shù)論方法是基于相對素數(shù)的性質(zhì)的。最初是由Gushov 在1991年引入的，他們使用至少兩個相位圖，條紋頻率與相對素數(shù)成正比。Zhong 等人[9]在2001年提出了另一個有趣的改進，他們引入了一個查找表(LUTs)，用于簡單快速的兩相圖展開相位。

2.4 多視角點云拼接技術

針對多視角點云數(shù)據(jù)拼接，現(xiàn)有的三種拼接方法為：基于多視覺設備拼接、基于人工標志點拼接和基于特征單元拼接。

基于多視覺設備拼接方法一般采用多套視覺測量設備，從而直接獲得多個視角的位置關系。Yue[10]提出一種全局測量結構，從四個角度同時獲取葉片點云數(shù)據(jù)并進行拼接。這種測量方法可以直接根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行點云拼接；但其需要多套設備，成本太高，且需要一定測量空間。

基于人工標志點拼接方法是人為在被測物表面或周圍粘貼標志點，在獲得被測物表面數(shù)據(jù)的同時也獲取了標志點的坐標位置，通過匹配兩個測量視角內(nèi)的公共標志點實現(xiàn)拼接。該方法操作簡單，靈活度高，但是人為布置標志點降低了測量效率，且標志點一定程度上遮擋了被測物體，會導致數(shù)據(jù)缺失。

基于特征單元拼接方法是從測量數(shù)據(jù)中提取相同特征單元進行特征匹配，如特征點、直線或局部特征等。這種方法要求測量物體有一定的特征，對于特征不明顯的測量數(shù)據(jù)難以找到正確對應，通用性不強，并且一般計算量都較大。

3 葉片結構光測量系統(tǒng)

在葉片三維測量系統(tǒng)的開發(fā)中，國外起步較早，已經(jīng)取得了很多的成果。西班牙的Nub3D 公司開發(fā)的Triple 系統(tǒng)利用編碼白光投影進行葉片的測量與輪廓提取，精度可達10um 左右。GOM 公司開發(fā)的ATOS II Triple Scan 測量系統(tǒng)則是利用藍光投影進行葉片測量，并實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)模型重構和誤差比對，測量精為0.02-0.62mm。加拿大 Creaform 公司的便攜式掃描儀 handyscan3d、法國的ATOS的ATOS scan5 三維掃描儀等也都是業(yè)內(nèi)較好的三維掃描系統(tǒng)。

我國的三維掃描測量技術研究起步晚，但也取得了豐碩的成果。史升玉[11]研究了三維測量技術的系統(tǒng)體系框架，并根據(jù)測量場合對精度與量程的要求，選擇不同的硬件開發(fā)出兩款結構光三維測量系統(tǒng)；同樣不少企業(yè)也致力于該項研究，先臨三維的EinScan130桌面3D 掃描儀、天遠公司的OKIO-5M 工業(yè)三維掃描儀均取得了不錯的成績。

4 結論

通過對基于光柵投影的葉片輪廓測量技術的研究現(xiàn)狀分析可得出，目前國內(nèi)外對葉片三維測量技術的研究均已有了階段性的成果，尤其國外的葉片三維測量技術發(fā)展較為成熟，其包括三維測量理論與逆向重構軟件兩個方面。

但針對葉片的輪廓測量關鍵技術中存在尚未完全解決的問題，其中包括葉片反光問題，一般需要對表面進行噴粉處理，不但降低了測量精度和效率，甚至會對葉片表面造成損傷；非線性誤差問題，標定過程中會因為硬件或環(huán)境原因導致標定結果有誤差；解相位誤差問題，解相位過程中不可避免受到環(huán)境光或者物體斷層等影響導致解相位錯誤；點云拼接問題，單次捕捉到的點云數(shù)據(jù)精度相對較高，但是拼接過程往往會使測量誤差擴大一個數(shù)量級。因此在葉片型面的快速三維測量方法和逆向工程軟件開發(fā)兩個方面仍需進一步研究。