應用線結構光的混凝土試塊三維幾何參數測量方法

摘 要： 測量混凝土試塊的三維幾何參數是對其進行力學性能試驗的前提。為解決傳統人工測量效率低、精度差的問題，基于線結構光和圖像處理技術，研究一套由線結構光發射器、工業相機、高精度位移平臺和轉臺等構成的混凝土試塊三維幾何參數檢測系統。通過建立誤差分析數學模型，對檢測系統的結構參數進行優化分析，確定檢測系統的最佳布局。采用平移掃描和旋轉拼接相結合的方法實現混凝土試塊三維幾何參數的測量和評估，并在實驗室通過對標準試塊和實際混凝土試塊的測量、對比，驗證該方法的準確性和可行性，其平面度測量誤差小于0.043 mm，相鄰面夾角誤差小于0.1°，棱長誤差小于0.1 mm。

關鍵詞： 混凝土試塊; 線結構光; 圖像處理; 幾何參數測量

中圖分類號： TB9; TP391 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0126–10

0 引 言

混凝土是由水泥、砂、水、碎石等組成的一種復合材料，其具有高強度、抗腐蝕、抗滲透等特點，由混凝土制成的結構物在建筑中主要起承受載荷和抵抗應力的作用，其質量直接決定了建筑結構的安全性和穩定性[1]。因此，在施工前，需要制作相應尺寸的混凝土試塊來檢驗其物理力學性能，試驗所得到的數據將作為評判混凝土質量的重要標準。國家標準[2] 規定，在進行試驗前需要對混凝土試塊的棱長、相鄰面的夾角及承壓面的平面度進行測量。

針對混凝土試塊的幾何參數測量問題，目前國內外研究較少，在實際生產中，主要采用人工測量的方法，即利用游標卡尺、游標量角尺和塞尺等工具對試塊進行測量。這種接觸式測量容易造成試塊的損壞[3]，而且人工測量精度不穩定，測量效率低，很難進行大批量測量。為了解決人工測量的缺點，針對試件幾何參數測量問題，學者們提出了多種測量方法[4-10]，其中光學方法因其測量精度高、成本低等優點得到廣泛的應用。光學方法主要分為飛行時間法（TOF）、雙目立體視覺法和結構光法[11]。TOF法通過計算光脈沖的飛行時間獲取被測物體表面的幾何信息，該方法測量裝置結構簡單、成本較低，但測量精度不高。雙目立體視覺通過視差原理獲取被測物體的深度信息，其測量精度較好，但立體匹配算法對所需計算資源要求較高，且對環境光敏感，容易匹配失敗。結構光法利用主動光源投射的條紋信息求解被測物體表面的三維點云，從而完成其幾何參數測量，該方法具有測量精度高、受環境影響小等優點[12]。

針對目前有關混凝土試塊幾何參數測量研究的不足，本文研究了一種基于線結構光和機器視覺的混凝土試塊三維幾何參數測量方法。該方法使用工業相機對受到混凝土試塊調制變形的線結構光條紋圖像進行實時采集，采用ROI 區域提取、圖像濾波、形態學處理、線結構光中心線提取等算法對圖像進行處理[13-14]，能準確求解出每一幀圖像線結構光條紋的三維點云坐標；通過對位移平臺的位移姿態和旋轉平臺的轉軸進行標定，完成混凝土試塊多個方位掃描點云數據的拼接，據此可以評估其三維幾何參數。該方法測量裝置簡單，對環境的適應性強，依靠先進的機器視覺和圖像處理算法可以達到較高的測量精度，而且配合自動化控制設備可實現混凝土試塊的在線測量，從而為后續混凝土試塊的物理力學性能試驗提供輔助支持。