基于激光三角法的三维轮廓测量系统研制-刘士兴.pdf

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1、Q V ： j cnki sjg 基于激光三角法的三维轮廓测量系统研制刘士兴，朱 妍，宋亚杰，孙 操（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 ）摘 要：为了改善光电子技术、数字图像处理等 D打印相关技术课程的实践教学效果，设计了基于激光三角法的三维轮廓测量系统。采用单片机作为主控制器，步进电机驱动旋转靶台使待测物体做 旋转，工业相机采集线激光器照射到被测物体的反射光，对图像进行二值化和滤波预处理、极值法提取激光线中心、点云坐标计算等处理后获取被测物体三维轮廓信息。实验结果表明，该系统能够准确获取被测物体三维轮廓，测量误差小于 mm 。关键词：三维轮廓测量；激光三角法；系统参数标定；点云坐

2、标计算中图分类号： TP 文献标识码： A 文章编号： - （ ） - - Development of D profile measurement system basedon laser triangulation methodLiu Shixing ， Zhu Yan ， Song Yajie ， Sun Cao（ School of Electronic Science and Applied Physics ， Hefei University of Technology ， Hefei ， China）N o n p ： In order to improve the practi

3、cal teaching effect of technology courses related to D printing suchas photoelectron technology and digital image processing ， a D profile measurement system based on thelaser triangulation method is designed By using MCU as the main controller ， the rotating platform whichis driven by the stepper m

4、otor enables the object to be measured to complete the degree rotation Theindustrial camera is used to collect the reflected light which is irradiated by the laser and reflected by themeasured object After the image is preprocessed by the binarization and filtering ， the laser line center isextracte

5、d by the extremum method ， and after the image is processed by the point cloud coordinatecalculation ， the D profile information of the measured object is acquired The experimental results showthat the system can accurately obtain the D profile of the measured object ， and the measurement error isle

6、ss than mm X r | q ： D profile measurement ； laser triangulation method ； system parameter calibration ； point cloudcoordinate calculation收稿日期： - - 修改日期： - - 基金项目：安徽省重大教研项目（ ZDJY ）资助作者简介：刘士兴（ ）男，安徽宿州，博士，副教授，研究方向为光电探测技术、可编程器件与系统设计R - z n v y ：liusx hfut edu cn随着计算机技术和图像处理技术的发展，物体三维轮廓测量方法不断更新，并被广泛地应用于

7、逆向工程仿真 、机器视觉 、生物医学等领域 。三维测量手段包括接触式测量和非接触式测量，接触式测量利用机械接触式探针提取物体的表面信息，可能对被测物表面造成损伤，难以用于测量柔性物体 。非接触式测量方法主要包括飞行时间法 、全息干涉法 、双目视觉法 、激光三角法等 - 。全息干涉测量主要针对粗糙表面的测量，精度较高，然而对摄像底片的分辨率要求高，需要经过严格的化学处理 。双目视觉法模仿人的双眼感知距离，通过匹配算法找出两幅图像中的匹配点，算法复杂度高 。本文基于激光三角测量原理，研制了一种三维轮廓测量系统，实现不规则物体轮廓的自动化扫描和非接触式测量，具有测量速度快，分辨率高，成本低等优点 。

8、 三维轮廓测量原理 激光三角测距原理如图所示，红外激光器发出光束照射在被测物ISSN - CN - T实 验 技 术 与 管 理Experimental Technology and Management第 卷 第 期 年 月Vol No Dec 万方数据体表面，形成光斑H ，成像系统对部分漫反射光进行汇聚，光斑在光敏元件形成像点M ，当被测物表面沿激光轴线方向发生位移变化到H时，反射光的角度发生变化，光敏面上成像点发生移动得到M ，物点和像点位置关系见式 。已知像点的位置，即可由式（ ）计算物点到参考平面的距离。图 激光三角法光路结构图y sin x sina y cos b + x cos

9、（ ）y axsinbsin + xsin（ +）（ ）式中： y为物点位移量， x为像点位移量， 为入射光H H与反射光H M的夹角，为反射光H M与CCD光敏面M M夹角， a为H点的成像物距， b为H点的成像像距。由式（ ）可得式（ ） ，物点位移量的倒数与像点的偏移量的关系是一条光滑的曲线。yKx+ J （ ）式中K bsin asin， J sin（ +）asin ? 三维轮廓测量系统标定利用位移平台给出定标点，基于非线性最小二乘算法确定物点空间位移量与像点像素位移量的函数关系，具有标定参数少、效率和精度高的优点 。定标平台选用螺杆型手动位移平台，行程为 mm ，精度 mm ，通过旋

10、转螺杆使台面定向位移。系统标定时在位移平台上放置一表面光滑的竖直参考面，用于接受激光照射产生反射光斑；以 mm为位移间距移动平面，并触发相机拍照，共拍摄标定照片 张，提取每张照片的激光线中心，记为（ x ， x ， ，x ） ，对应的实际位移量为（ y ， y ， ， y ） ，拟合得到关于x的二次曲线即为系统标定曲线，通过内插法即可找到任一像点所对应的物点。 三维轮廓扫描过程如图所示，将被测物体放置旋转靶台上，线型激光照射待测物体，相机通过捕捉反射光采集物体轮廓信息，步进电机驱动旋转靶台，每隔一定角度触发相机拍照，每张照片对应不同的旋转角度。例如拍照N张，则步距角为 N ，第n（ n 、 N

11、）张照片对应的旋转角 （ n ） N ，靶台旋转一周即完成对被测物体的轮廓扫描。图? 三维轮廓扫描实验平台原理图? 系统硬件平台设计如图所示，三维轮廓测量系统由三维轮廓扫描实验平台、三维轮廓测量系统控制仪和计算机组成。图 系统结构框图? 三维轮廓扫描实验平台选用固有频率低、阻振性能强的精密型柜式光学平台固定三维轮廓测量系统中的光学设备，包括工业相机、线激光源和电动旋转台，使三者之间的位置关系满足激光三角法测距的应用条件进而实现轮廓扫描，计算机通过千兆网线连接到工业相机实时采集扫描图片。工业相机选用迈德威视（ MindVision）公司以太网CMOS相机，最大分辨率为 像素 像素，具有软硬件两种

12、触发方式。线型红外激光源波长 nm ，光线最细达到 mm ，较细的激光为后续确定激光线中心提供基础。选用KDM 电机驱动器，可驱动 、 、 线两相步进电机，脉冲响应频率可达到实 验 技 术 与 管 理万方数据 kHz ，细分范围 ；步进电机和蜗杆通过弹性联轴器连接同步传动，从而驱动旋转台，传动比为 ，满足系统设计要求。? ? 三维轮廓测量系统控制仪三维轮廓测量系统控制仪集成了单片机控制模块、步进电机驱动模块、 LCD显示模块和电源模块，该控制仪将计算机指令转化为对实验平台装置的控制信号。选用STC C RC芯片作为控制单元，通过串口与上位机进行通信，通过接线端子连接电机驱动器和相机，输出方向信

13、号、脉冲信号、相机触发信号，实现电机驱动器和工业相机的控制；两相线步进电机的蓝、红、黑、绿条线接在驱动器A + 、 A 、 B + 、 B 上，采用共阳极接线方式；以并行方式向LCD写入显示内容，LCD实时显示扫描进度 - 。 轮廓测量系统软件设计轮廓测量软件系统分为上位机软件和单片机控制两部分。上位机软件实现三维轮廓还原算法和人机交互，单片机软件实现对系统各个设备的协调控制。 上位机程序设计 人机界面设计基于LabVIEW平台开发了轮廓测量系统上位机软件，为方便学生做课程设计实现图像处理和算法设计，在LabVIEW程序中嵌入了开源Matlab脚本。上位机软件流程见图 。上位机界面包括个显示区

14、域和多个功能按键，设置扫描照片数量、键入物体实际高度，启动轮廓扫描，LCD提示扫描结束后，依次点击“拟合标定曲线” “图片预处理” “坐标计算” “模型重建”按钮，即可完成一次轮廓测量。图A 上位机软件流程 轮廓测量算法设计物体三维轮廓的重建是将扫描照片中的有效像点转化成相应坐标值后绘制的，照片数量越多则轮廓重建结果中点云越密集，反之越稀疏。数据处理过程如下：图像预处理包括图像二值化和图像滤波。由于激光线在图像上可能占了十几列甚至几十列像素宽度，本文采用极值法提取激光线中心。极值法 认为局部灰度值最高的像素即为激光中心。利用标定曲线计算出物点到参考平面的距离depth ，最后通过以下各式计算物

15、点坐标值：xjk depthjk sin j （ ）yjk depthjk cos j （ ）zjk heightSj （ Sj k） （ ）式中xjk为第j张图片中第k行像点x方向坐标值， j为图片j对应旋转角， depthjk为图片j中第k行像点的物距， Sj为图片j中激光线所占总行数，height为物体的实际高度， j ， N ， k ， 。 ? 下位机软件设计基于Keil uVision软件编写了下位单片机C语言程序，开机后系统首先进行初始化，包括LCD 、定时器、 CMOS相机的初始化。初始化后系统进入等待状态，监听网络端口，读取上位机指令后进入中断处理程序，打开激光源，控制旋转靶台

16、转动同时触发相机抓刘士兴，等：基于激光三角法的三维轮廓测量系统研制万方数据拍，LCD显示旋转角度和抓拍数量。A 实验结果A 标定结果分析对定标数据点进行非线性最小二乘拟合，得到系统标定曲线： y ax+ bx + c ，其中a ， b ， c ， x为像点位置， y为物点到标定参考平面的距离。利用系统标定曲线对 个检测点进行重复测量，结果表明测量误差在 mm以内。A ? 轮廓测量实验结果以 、 、 作为旋转步距角对同一木盒进行多次扫描，分别拍照 、 、 张，测量结果如图所示。图B 不同步距角拍摄的照片实验结果表明，采用基于二次曲线拟合的方法实现系统标定具有操作简单、精度高的特点；本系统可以实现

17、物体三维轮廓重建，且扫描照片数量决定重建结果中激光线密度，满足设计要求。B 结语基于激光三角测量原理设计了一种三维轮廓测量系统，综合了光学、机械和电子线路知识，涉及电动旋转台、步进电机驱动、单片机、传感器、图像处理、软件设计等多方面的知识和技术。本系统已应用于光电子学和光电探测技术等课程的实践教学中，学生可以通过动手操作及数据处理提高实践动手能力、巩固理论知识。参考文献（ References） 曹冰，何朝明，李柏林工业CT图像轮廓数据提取研究 J 机电工程技术， （ ） ： - ， ， 张连重基于机器人堆焊的快速再制造成形分层路径规划研究 D 烏魯木齐：新疆大学， 袁平逆向工程技术的研究与工

18、程应用 D 昆明：昆明理工大学， 汤强晋激光三角法在物体三维轮廓测量中的应用 D 南京：东南大学， Tsui C L ， Schipf D ， Lin K R ， et al Using a Time of Flightmethod for underwater - dimensional depth measurements andpoint cloud imaging C Oceans IEEE ， ： - 钟丽云，张文碧，杨齐民，等用投影全息干涉条纹测量物体三维面形 J 激光杂志， （ ） ： - 黄锦，张晓兵，尹涵春，等基于图像处理的三维测量方法 J 电子器件， ， （ ） ： - 李

19、硕线结构光三维视觉测量系统的关键技术研究 D 广州：广东工业大学， Arnold T ， Schicker J ， Kraft M ， et al Non- contact measure-ment of silicon thin wafer warpage by T Hz tomography and lasertriangulation C IEEE SENSORS ， ： - 出晓岚集成于三坐标测量机的激光三角法测量系统 D 厦门：厦门大学， 章金敏基于激光三角法的物体三维轮廓测量系统 D 武汉：武汉理工大学， 余乐文，张达，张元生基于线结构光的三维测量系统关键技术研究 J 光电子激光， （ ） ： - 朱亚晓，赵娟，王银灵，等高精度激光测距系统的模型建立及参数优化 J 机械制造， （ ） ： - 倪文彬，陆广华，叶留芳基于STM 单片机的三轴实验平台设计 J 实验技术与管理， ， （ ） ： - ， 阎娜，付柯楠光伏实验台上基于STC单片机的离网逆变器设计 J 实验技术与管理， ， （ ） ： - 刘慧英，范宝山基于STM 的多步进电机控制系统研究 J 测控技术， （ ） ： - 杨雪娇，池海红一种改进的光条中心提取方法 J 应用科技， （ ） ： - 实 验 技 术 与 管 理万方数据