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WO2018049818A1 - 一种基于三维测量技术测量物体表面积的系统及方法 - Google Patents

一种基于三维测量技术测量物体表面积的系统及方法 Download PDF

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WO2018049818A1
WO2018049818A1 PCT/CN2017/081560 CN2017081560W WO2018049818A1 WO 2018049818 A1 WO2018049818 A1 WO 2018049818A1 CN 2017081560 W CN2017081560 W CN 2017081560W WO 2018049818 A1 WO2018049818 A1 WO 2018049818A1
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WO
WIPO (PCT)
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dimensional
data
measurement
surface area
camera
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CN2017/081560
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English (en)
French (fr)
Inventor
刘家朋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai X-Imaging Info & Tech Co Ltd
Original Assignee
Shanghai X-Imaging Info & Tech Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai X-Imaging Info & Tech Co Ltd filed Critical Shanghai X-Imaging Info & Tech Co Ltd
Publication of WO2018049818A1 publication Critical patent/WO2018049818A1/zh
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/28—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring areas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/022—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by means of tv-camera scanning

Definitions

  • the patent relates to the fields of computer stereo vision, three-dimensional measurement and object quality detection and measurement, and particularly relates to a system and method for accurately measuring the surface area and volume of an object based on three-dimensional measurement technology.
  • Surface area measurement has a wide range of applications in food safety, inspection and quarantine, court identification, medical diagnosis, etc.
  • the measurement of surface area is mainly by means of manual methods, using traditional measuring tools such as vernier calipers, tape measure and other tools to measure different shapes of objects.
  • the length, width, height and diameter of the area are then equalized according to the actual shape of the different areas of the surface of the object. After approximating the surface area of each area, all the areas are added to obtain the total surface area of the object, but these methods have the following problems:
  • the current measurement method mainly uses artificial measurement methods on the surface of the object. The measurement is calculated. Since the surface of the object often contains multiple faces and the surface of the object often consists of multiple irregular surfaces, the existing method requires manual measurement of each surface and then accumulates the area of all measuring surfaces, and the measurement efficiency is low. It is difficult to meet the requirements of measuring and calculating the surface area of the object quickly and accurately in actual demand.
  • the present invention proposes an accurate and rapid measurement system for an object surface area based on a three-dimensional measurement technique, and three-dimensional data reconstruction on the surface of an object by a computer stereo vision method, thereby obtaining an object.
  • the surface is three-dimensional data, and then the three-dimensional data of the reconstructed object surface is analyzed and measured, and the accurate surface area of the surface of the object is quickly obtained, and a key generation detection report is stored in the file.
  • it also solves the problem that the difference between the manual measurement of different personnel is large, and the test results cannot be traced.
  • the purpose of the invention is to quickly and accurately measure the surface area of an object, and propose a method for constructing three-dimensional data of an object surface based on three-dimensional measurement technology, measuring object size (length, surface area, volume, etc.), and designing a set of convenient and easy to use. Measuring system device.
  • an object surface area accurate measurement system based on three-dimensional measurement technology is composed of three parts: a three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem, a control subsystem and a mechanical mechanism subsystem.
  • the 3D reconstruction and surface area calculation subsystem consists of a visual processing computer, a high-precision illumination calibration plate, a high-definition camera (monocular, binocular or multi-camera), structured light or laser generator, and system software for generation Three-dimensional data and data display, in which a high-definition camera, structured light or laser generator and software constitute a three-dimensional measurement system, the subsystem contains at least one set of three-dimensional measurement system.
  • the control subsystem is connected with the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem, which is composed of a stepping motor, a controller, a bearing and a rotating platform, and is used for matching multi-view image data acquisition and three-dimensional data splicing of the object.
  • the mechanical mechanism subsystem is connected with the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem and the control subsystem. It consists of a cabinet, a motor bracket, a fixed bracket, and an adjustment mechanism for connecting, installing, fixing, and adjusting various components of the device.
  • the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem of the present invention is based on the continuous acquisition of image data of structured light by a camera, and the reconstruction of the surface three-dimensional data of the object to be measured by the three-dimensional reconstruction technique. Obtaining the three-dimensional data of the surface of the object, and then performing the series of processing on the three-dimensional data of the three-dimensional data, converting it into triangular patch data by calculation, calculating the surface area of the object to be measured according to the triangular patch; Take a point, establish a connection with all the triangular patches to form a triangular cone, and calculate the volume of the object to be tested according to the accumulation and summation of all the triangular cones.
  • the main processes of 3D reconstruction of objects include camera calibration, 3D data reconstruction of object surface, 3D data mosaic, 3D data processing, and triangle patch data generation.
  • control subsystem of the present invention is to assist the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem to realize image data acquisition and three-dimensional data reconstruction of various angles of the measurement object, and the three-dimensional data of each position angle is synthesized by the automatic splicing algorithm to synthesize the complete surface of the object. data.
  • the images of different viewing angles are used to generate three-dimensional data of different viewing angles, and the three-dimensional data of different viewing angles is converted into the same coordinate system by the three-dimensional data stitching algorithm, thereby obtaining complete three-dimensional data of the target object; the three-dimensional data stitching supports the stitching of the marker points.
  • the mechanical mechanism subsystem of the present invention is composed of a bearing, a motor bracket and a fixing bracket for mounting the camera and the structured light generator.
  • the bracket for mounting the camera has two-dimensional degrees of freedom, and mainly functions as support and angle adjustment.
  • the specific framework is: one, two or more high-definition cameras are fixed on the rectangular bracket in the mechanical mechanism, the structured light generator is placed at a distance from the camera, and a two-dimensional adjustment mechanism is installed at the bottom of the fixed bracket for Drive the 3D measurement system to the left and right, up and down (XY axis direction) to the specified angle.
  • the camera In order to obtain the three-dimensional data of the object, the camera needs to be calibrated, and the camera is calibrated using a self-made high-precision calibration plate to obtain the internal and external parameters of the camera. A series of images of the object to be tested are acquired by using the calibrated camera, and the three-dimensional data of the object is obtained by the structured light three-dimensional reconstruction algorithm. Through the control subsystem, the three-dimensional data reconstruction of the various angular positions of the object is realized, the corresponding three-dimensional data is obtained, and the three-dimensional data of each position is spliced by the automatic splicing algorithm.
  • the three-dimensional data after splicing the three-dimensional data of the reconstructed object is processed by the pre-processing algorithm, and the processed data is converted into triangular patch data; for each triangular patch, the area calculation method of the triangle is used to calculate each The area data of a triangular patch is cumulatively superimposed on all the triangular patch areas to obtain the area data of the surface of the object.
  • the principle of calculating the surface area of an object is equivalent to the area of calculus: for various irregular surface of the object, it is divided into a number of small triangular patches. When the subdivided triangular patches are small to a certain extent, they can be The surface of the rule is approximated by a regular triangular patch, and then the area of all triangular patches is summed using the idea of calculus to obtain the surface area of the object. Because the three-dimensional data obtained by the reconstruction of the scanned object has high precision (up to 0.02 mm) and high density, the triangular surface piece generated by the scanning object is also very small, and the calculus is used to ensure the high precision of the measurement area.
  • the calibration panel used in the calibration method is fabricated by high-precision laser marking with an accuracy of +/- 0.0001 mm, and the LED surface light source provides illumination with uniform brightness.
  • the surface is treated by diffuse reflection, and the panel is non-reflective, suitable for extracting high-precision checkerboard corner points;
  • the three-dimensional data splicing supports three ways of splicing of marker points, splicing of no marker points, and splicing of rotating platforms.
  • the system software can control the three-dimensional measurement system to move to a specified position, control the rotation platform to move up and down, left and right, and perform one-click scanning on the three-dimensional data of the object;
  • Data processing includes functions such as de-duplication, filtering, smoothing, sampling, hole-filling, one-click optimization, and generation of triangular patches;
  • the three-dimensional measurement can cover small arc detail of objects when two sets of three-dimensional measurement systems are used simultaneously. Data acquisition and large arc-faced overall frame data collection.
  • the surface area and volume calculation includes outputting the measurement result to a database, supporting a one-button printing measurement report, and the report includes a projection view of the three-dimensional data of the object (the actual size ratio is 1) :1).
  • the actual size ratio is 1) :1
  • the precision of the stepping motor driving the turntable is verified by a laser test method, and the three-dimensional data reconstruction and registration of the mark points attached to the turntable are performed, and the rotation error is reversed. Perform error correction.
  • the rotating platform supports horizontal rotation, lifting, tilting and multi-axis motion;
  • the rotating platform table is made of silica gel plate with adsorption capacity or other similar materials, and the object can be directly attached and fixed on the object to prevent the movement of the object from affecting the measurement accuracy; It is also possible to use a conveyor belt replacement to support the object pipeline three-dimensional measurement operation, and at the same time perform object quality detection and sort according to the object quality detection result.
  • the three-dimensional measurement system can be moved to the top, the bottom, the front, the rear, and the left and right sides of the cabinet through the vertical and horizontal rails, thereby performing the whole object to be measured.
  • Orientation data measurement when the 3D measurement system moves to the bottom, the object is scanned upwards, and the bottom turntable can be replaced with transparent glass, so that the three-dimensional data at the bottom of the object can be easily obtained; the three-dimensional measurement system can also directly install multiple sets to the top of the cabinet, The bottom, front, rear and left and right sides directly measure the object in three dimensions.
  • the three-dimensional data of the object is obtained by three-dimensional reconstruction of the surface of the object, and the obtained three-dimensional data is used to calculate the area of the surface of any complex object. Since the three-dimensional data reconstruction based on structured light can achieve very high precision, Moreover, it is not necessary to manually calculate the irregular surface of the object surface as a regular surface by the method of manual calculation, and the system proposed by the patent of the invention has better calculation precision.
  • the system proposed by the invention can realize simultaneous three-dimensional data reconstruction and measurement of multiple objects in a single operation, and avoids that the manual method must measure each object separately, the measurement speed is faster, and supports one-button printing measurement report. And assembly line operations.
  • the process is simple.
  • the mechanical part consists of only two degrees of freedom motor and fixed camera, structured light generator and mounting bracket, which is convenient for processing and installation.
  • 1 is a schematic diagram of a system device of the present invention (left and right are schematic views of different viewing angles), wherein 1, a three-dimensional measuring system a, 2, a three-dimensional measuring system b, 3, a control subsystem, 4, a mechanical mechanism.
  • FIG. 4 is a physical diagram of a high precision illuminating calibration plate of the present invention.
  • Figure 5 is a flow chart of the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem of the present invention.
  • Figure 6 is a simple standard physical three-dimensional data, in which the upper left is a cylinder, the upper right is a quadrangular pyramid, and the lower left cube Body, the lower right is a cone.
  • the invention relates to a system for accurately measuring the surface area of an object based on three-dimensional measurement technology, as shown in FIG. 1 , which specifically comprises a three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem, which is mainly connected by the three-dimensional measurement system a 1 and the three-dimensional measurement system b 2 in FIG. 1 .
  • control subsystem 3 connected with three-dimensional measurement and surface area computing subsystem, for coordinating object multi-view image data acquisition and three-dimensional data splicing; mechanical mechanism Subsystem 4 is coupled to the 3D measurement and surface area computing subsystem and control subsystem for mounting, securing, and adjusting various components of the equipment.
  • the calibration panel is fabricated by high-precision laser marking with an accuracy of +/- 0.0001 mm and a self-contained LED surface.
  • the light source provides illumination, uniform brightness, diffuse reflection on the surface, and the panel is non-reflective, suitable for extracting high-precision checkerboard corner points; the calibration method is based on the improved Zhang Zhengyou calibration algorithm to extract any number of corner points and center dots in the calibration plate. Establish the actual positional relationship of the corner points of the calibration plate to perform the camera Calibration.
  • the data display in the system of the invention comprises three-dimensional data display of the object, object detection report display; support surface area and volume measurement results output to the database, one-click printing measurement report, report containing the projection view of the object three-dimensional data, in order to obtain the physical size
  • the projection view with a ratio of 1:1 needs to convert the 3D coordinates through the model view matrix and the projection matrix to the 2D projection coordinate system, and then convert to the corresponding paper size according to the printer resolution and generate model image data for report printing.
  • the computer is connected to the controller, and sends a command to the controller, and the controller controls the movement of the stepping motor, thereby driving the rotating platform to rotate by a certain angle;
  • a different angle of view of the object to be tested can be captured, which is used to generate three-dimensional data of different viewing angles, and the three-dimensional data of different viewing angles are converted into the same coordinate system by the splicing algorithm, thereby obtaining complete three-dimensional data of the target object;
  • the three-dimensional data splicing supports three methods: mark stitching, no marker feature stitching and rotating platform stitching.
  • the three stitching methods complement each other and promote each other, thereby achieving the high speed and high precision stitching of three-dimensional data of different viewing angles.
  • the conveyor belt movement is controlled by the computer, the object is transmitted to the measuring center position for measurement, and sorting is performed according to the measurement result; and the three-dimensional measuring system is also controlled by the computer to move to a designated position on the rail.
  • the precision of the stepping motor driving the turntable is verified by a laser test method, and the three-dimensional data weight is applied to the mark points attached to the turntable. Construct a reverse rotation error and perform error correction.
  • the rotating platform supports horizontal rotation, lifting, and tilting multi-axis motion;
  • the rotating platform table is made of a silica gel plate with adsorption capacity or the like, and the object can be directly adsorbed and fixed on the upper surface to prevent the movement of the object from affecting the measurement accuracy;
  • the rotating platform can also be replaced by a conveyor belt, which supports the three-dimensional measurement of the object pipeline, and simultaneously performs object quality detection, and sorts according to the object quality detection result.
  • the bracket for mounting the camera as shown in FIG. 2 has two-dimensional freedom. Degree, mainly plays the role of support and angle adjustment.
  • the camera bracket is fixed on a rectangular parallelepiped three-dimensional measuring system fixing bracket in the mechanical mechanism, and the structural light generator is placed at a distance from the camera; a two-dimensional adjusting mechanism is installed at the bottom of the fixed bracket for driving the three-dimensional measuring system to rotate left and right and up and down Go to the specified location.
  • the three-dimensional measurement system in the three-dimensional measurement and surface area calculation subsystem, can be moved to the top, bottom, front, back and left and right sides of the cabinet through vertical and horizontal rails, thereby treating The object is measured for all-round data; when the 3D measuring system moves to the bottom, the object is scanned upwards, and the bottom turntable can be replaced with transparent glass, so that the 3D data at the bottom of the object can be easily obtained; the 3D measuring system can also directly install multiple sets to The top, bottom, front, rear and left and right sides of the cabinet directly measure the object in three dimensions.
  • the method for accurately measuring the surface area of an object based on the three-dimensional measurement technique in the system proposed by the present invention has the following specific steps:
  • Step 1 Calculate the internal and external parameter information and the rotation translation matrix of the camera by using a high-precision illumination calibration plate;
  • Step 3 performing a series of processing on the obtained three-dimensional data to obtain complete and clean three-dimensional data of the object to be measured;
  • Step 5 Export the measurement data and print the test report.
  • the upper left is a three-dimensional data graph of a cylinder
  • the upper right is a three-dimensional data graph of a quadrangular pyramid
  • the lower third is a three-dimensional data graph of a cone.
  • the actual surface area and actual volume of the object are calculated by the actual length, width and height of the object measured by the vernier caliper.
  • the four objects are placed in the measurement system at the same time, and the target software is used to model the three-dimensional data through the system software.
  • a measurement report is generated, and the three-dimensional measurement result is compared with the measurement result by the vernier caliper, and the three-dimensional measurement result is close.
  • the result of the vernier caliper calculation cannot be guaranteed due to the manual measurement length, so the maximum error is about 3%.

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Abstract

一种基于三维测量技术测量物体表面积的系统，包括三维测量与表面积计算子系统 (a1, b2), 控制子系统（3）和机械机构子系统（4）三个部分，通过对物体表面三维数据重建，完成物体表面积的准确测量，同时设计了一系列的快速处理流程；可同时扫描多个待测物体，采用多三维测量系统支持全方位三维数据同时采集，流水线作业，三维测量的数据一键优化，以及一键导出测量报告。该系统操作简单，能快速准确的完成测量任务，大大加快了物体表面积的检测测量流程。

Description

一种基于三维测量技术测量物体表面积的系统及方法 [技术领域]
本专利涉及计算机立体视觉、三维测量及物件质量检测测量领域，具体涉及一种基于三维测量技术的物体表面积和体积进行精确测量的系统及方法。
[背景技术]
随着信息技术的快速发展，计算机立体视觉技术、图像处理技术在各行各业的应用也日益广泛。利用视觉三维重建技术在工业测量检测领域的应用也得到人们的关注，该技术具有快速、高效、精确且对检测物体无损等优点，被广泛用于工业质量检测(缺陷检测、测量等)。其可以帮助企业提高产品质量及规范产品质量管理，更利于促进产品的销售。
表面积测量在食品安全、检测检疫、法院鉴定、医疗诊断等领域有广泛的应用，目前对表面积的测量主要是借助于人工的方法，利用传统的测量工具如游标卡尺、卷尺等工具测量出物体不同形状区域的长宽高以及直径等尺寸，然后根据物体表面不同区域实际的形状，对每一区域进行表面积近似计算后累加所有的区域，进而得到物体总的表面积，但这些方法存在以下问题：
(1)测量速度慢：对规则的物体如圆柱、圆锥、平面或其他单一规则几何形状的物体，测量出物体的长宽高或直径信息较容易计算出物体的表面积，而实际测量中，物体表面往往不是单一几何形状，而是很多个不同几何形状，如日常的饮料瓶、螺丝帽等，即是多个圆柱体状几何体的结合，目前的测量方法需要对每一部分圆柱体计算其直径、高度等信息，然后再将每一部分几何体表面积累加计算物体总的表面积，测量速度慢；
(2)测量精度低：除规则物体外，大部分物体为非规则几何形状的物体，如婴儿瓶的奶嘴、表面凹凸的饮料瓶、吃饭的叉子、勺子、人体的皮肤表面等大部分物品，表面为非规则复杂曲面，难以通过简单测量其长宽高或直径等信息计算其表面积，目前通常的做法是将非规则曲面近似为规则曲面，然后测量该曲面长宽高或直径等信息，进而近似计算其表面积，计算精度低；
(3)测量效率低：目前的测量方法主要通过人工的测量方法对物体的表面 积进行测量计算，由于物体表面往往包含多个面，且物体表面往往有多个非规则表面组成，现有的方法需借助人工对每一表面进行测量然后累加所有测量面的面积，测量效率低，难以满足实际需求中快速准确对物体表面积进行测量计算的要求。
为了解决物体表面积测量中上述实际的问题，本发明专利提出一种基于三维测量技术的物体表面积精确、快速测量系统，通过计算机立体视觉的方法，对物体的表面进行三维数据重建，进而得到物体的表面三维数据，然后对重建出的物体表面的三维数据进行分析测量计算，快速得到物体表面精确的表面积，一键生成检测报告存入档案。同时还解决了不同人员手工测量差异大，无法对检测结果进行追溯等问题。
[发明内容]
本发明的目的是为了快速准确的测量物体的表面积，提出了一种基于三维测量技术构建物体表面三维数据，测量物体尺寸(长度、表面积、体积等)的方法，设计了一套方便易用的测量系统装置。
本发明的技术方案是：一种基于三维测量技术的物体表面积精确测量系统由三维测量与表面积计算子系统，控制子系统和机械机构子系统三大部分组成。
(1)三维重建与表面积计算子系统由视觉处理计算机、高精度发光标定板、高清相机(单目、双目或多目相机)、结构光或激光发生器和系统软件组成，用用于生成三维数据及数据显示，其中高清相机、结构光或激光发生器和软件组成三维测量系统，该子系统包含至少一套三维测量系统。
(2)控制子系统，与三维测量与表面积计算子系统连接，其由步进电机、控制器、轴承与旋转平台组成，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据的拼接。
(3)机械机构子系统，与三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，其由机柜、电机支架、固定支架、调节机构组成，用于连接、安装、固定、调节设备的各个部件。
本发明所述的三维测量与表面积计算子系统，其原理是利用相机连续采集有结构光的图像数据，通过三维重建技术实现对待测量物体的表面三维数据重建， 得到物体表面的三维数据，进而将得到的三维数据，对三维数据进行一系列处理后，通过计算将其转化为三角面片数据，依据三角面片计算物体待测量区域的表面积；通过在物体内部任取一点，与所有三角面片建立连接形成三角锥，依据所有三角锥体积累加求和计算待测物体体积。
物体三维重建的主要过程包括相机标定、物体表面三维数据重建、三维数据拼接、三维数据处理、三角面片数据生成。
本发明所述的控制子系统主要目的为辅助三维测量与表面积计算子系统实现对测量物体各个角度的图像数据采集以及三维数据重建，各个位置角度的三维数据通过自动拼接算法合成物体完整的表面三维数据。通过计算机连接所述控制器，并给所述控制器发送命令，控制所述步进电机运动，进而带动所述旋转平台旋转一定角度；通过所述旋转平台带动物体转动，可以拍摄到待测物体不同视角的画面，以生成不同视角的三维数据，通过三维数据拼接算法将不同视角的三维数据转化到同一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据；所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式，三种拼接方式相互补充，相互促进，使得不同视角三维数据能够高速度、高精度拼接。
本发明所述的机械机构子系统由轴承、电机支架及用于安装摄像头和结构光发生器的固定支架组成，安装相机的支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用。具体构架为：一个、两个或多个高清相机固定在机械机构内的长方体形支架上，在距离相机一定距离处安放结构光发生器，在固定支架底部安装有一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动(XY轴方向)到指定角度。
为了获取物体三维数据，需要对相机进行标定，采用自制高精度标定板对相机进行标定，获取相机内、外参数。利用标定好的相机获取前方待测物体的一系列图像，通过结构光三维重建算法，得到物体的三维数据。通过控制子系统，实现对物体各个角度位置的三维数据重建，获取对应的三维数据，通过自动拼接算法实现对各个位置三维数据的拼接。对拼接后的三维数据，通过预处理算法，对重建出的物体三维数据进行处理，将处理好的数据转化为三角面片数据；对每一个三角面片利用三角形的面积计算法方法，计算每一个三角面片的面积数据，对所有的三角面片面积进行累积叠加，进而得到物体表面的面积数据。
物体表面积计算方法其原理相当于微积分求面积：对各种不规则的物体表面，将其划分为很多个小的三角面片，当细分的三角面片小到一点程度时，可以将不规则的表面近似为规则的三角面片来计算，然后利用微积分的思想对所有三角面片面积求和，得到物体的表面积。因为扫描物体重建得到的三维数据精度高(达0.02mm)，密度大的特点，所以由其生成的三角面片也是很微小的，利用微积分的思想保证了测量面积的高精度。
本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的标定方法中使用的标定面板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，适用于提取高精度的棋盘格角点；
本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式。
本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中，通过所述系统软件可以控制三维测量系统移动到指定位置，控制旋转平台上下、左右运动，并对物体三维数据进行一键扫描；所述的三维数据处理包括去重、滤波、平滑处理、采样、补洞、一键优化和生成三角面片等功能；所述的三维测量当采用两套三维测量系统同时工作时，可以涵盖物体小弧面细节数据采集和大弧面整体框架数据采集。
本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的表面积和体积计算包括测量结果输出到数据库，支持一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图(与实物大小比为1：1)。为了得到与实物大小比为1：1的投影视图，需要将3D坐标通过模型视景矩阵和投影矩阵转换到2D投影坐标系，然后根据打印机分辨率转换到对应纸张大小并生成模型图像数据进行报告打印。
本发明提出的控制子系统中，步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法，对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建与配准，反推旋转误差，进行误差矫正。所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板或其它类似材质制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，同时进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。
本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。
本发明的有益效果是：
1.精度高。提出了一个自动测量系统，通过对物体表面的三维重建得到物体的三维数据，利用得到的三维数据实现对任意复杂物体表面的面积计算，由于基于结构光的三维数据重建可以实现非常高的精度，且不需要通过人工计算的方法对物体表面非规则曲面近似为规则表面进行模拟计算，本发明专利提出的系统，计算精度更好。
2.速度快。本发明提出的系统可以单次实现对多个物体的同时三维数据重建及测量，避免人工的方法必须每次分别对每一物体进行测量，测量速度更快，同时支持一键式打印测量报告，以及流水线作业。
3.工艺简单。机械部分仅由两个自由度的电机和固定摄像头、结构光发生器和安装支架组成，加工、安装方便。
[附图说明]
图1为本发明的系统装置示意图(左、右为不同视角的示意图)，其中1、三维测量系统a，2、三维测量系统b，3、控制子系统，4、机械机构。
图2为本发明的基于双目相机的三维测量系统示意图，其中1、左摄像机(含相机固定支架)，2、结构光或激光发生器，3、右摄像机(含相机固定支架)，4、固定支架。
图3为控制子系统不同视角的剖视图，其中1、旋转平台，2、轴承，3、步进电机，4、电机控制器，5、电机电源，6、结构光或激光发生器电源。
图4为本发明的高精度发光标定板实物图。
图5为本发明的三维测量与表面积计算子系统流程图。
图6简单标准实物三维数据，其中左上为圆柱，右上为四棱锥，左下立方 体，右下为圆锥。
[具体实施方式]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。本发明涉及一种基于三维测量技术精确测量物体表面积的系统如图1所示，具体包括三维测量与表面积计算子系统，主要由图1中的三维测量系统a 1、三维测量系统b 2连接视觉处理计算机和系统软件(未示出)组成，用于生成三维数据；控制子系统3，与三维测量与表面积计算子系统连接，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据的拼接；机械机构子系统4，与三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，用于安装、固定、调节设备的各个部件。
图2为三维测量与表面积计算子系统中三维测量系统详细结构图，由两个高清相机1、3、结构光或激光发生器2和其调节固定支架4组成；实际测量应用中，根据用户需求，可以配置一个、两个或四个高清相机。图3为控制子系统，由旋转平台1、轴承2、步进电机3、电机控制器4、电机电源5和结构光或激光发生器电源6组成。
本发明所述视觉处理计算机，计算机直接通过数据线与系统设备连接，其由高性能计算机和相机同步触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集及数据运算，数据存储和数据显示；所述高清相机可以采用单目、双目或多目配置，通过相机同步触发控制器与计算机连接；通过标定板对相机进行标定，获取相机的内、外部参数及旋转平移矩阵；所述结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面进行三维数据重建；所述结构光发生器也可以用激光发生器进行替换；所述系统软件包括相机标定模块，高速三维测量模块，数据处理模块，数据分析模块，系统控制模块，通过该软件控制电机运动，采集图像数据进行分析计算，显示三维数据及结果展示。
图4为本发明提出的三维测量与表面积计算子系统中标定模块所使用的高精度标定板实物图，标定面板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，适用于提取高精度的棋盘格角点；标定方法基于改进的张正友标定算法，提取标定板中任意数量角点和中心圆点，建立标定板各角点的实际位置关系来进行相机 标定。
本发明中，三维测量与表面积计算子系统，其原理是利用相机连续采集带有结构光的图像数据，通过三维测量技术实现对待测量物体的表面三维数据重建，得到物体表面的三维数据，进而将得到的三维数据，对三维数据进行一系列处理后，通过计算将其转化为三角面片数据，依据三角面片数据计算物体待测量区域的表面积；通过在物体内部任取一点，与所有三角面片建立连接形成三角锥，依据所有三角锥体积累加求和计算待测物体体积。
在三维测量与表面积计算子系统中，通过所述系统软件可以控制三维测量系统移动到指定位置，控制旋转平台上下、左右运动，并对物体三维数据进行一键扫描；所述的三维数据其处理方法包括去重、滤波、平滑处理、采样、补洞、一键优化和生成三角面片等功能。所述的三维测量采用两套三维测量系统同时工作，可以涵盖物体小弧面细节数据采集和大弧面整体框架数据采集。
本发明系统中数据显示包括物体三维数据展示，物体检测报告展示；支持物体表面积和体积等测量结果输出到数据库，一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图，为了得到与实物大小比为1：1的投影视图，需要将3D坐标通过模型视景矩阵和投影矩阵转换到2D投影坐标系，然后根据打印机分辨率转换到对应纸张大小并生成模型图像数据进行报告打印。
本发明所提出的系统，在控制子系统中如图3所示，计算机连接控制器，给控制器发送命令，控制器控制步进电机运动，进而带动旋转平台旋转一定角度；通过旋转平台的带动物体转动，可以拍摄到待测物体不同视角的画面，用于生成不同视角的三维数据，通过拼接算法将不同视角的三维数据转化到同一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据；所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式，三种拼接方法相互补充，相互促进，进而达到不同视角三维数据的高速度、高精度拼接的目的。当旋转平台用传送带替换时，则通过计算机控制传送带运动，将物体传送到测量中心位置进行测量，并根据测量结果进行分拣；同时也可通过计算机控制三维测量系统移动到导轨上的指定位置。
本发明所提出的系统，在控制子系统中，所述的步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法，对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重 建反推旋转误差，进行误差矫正。所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；所述旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板或其它类似材质制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；所述旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，同时进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。
本发明所提出的系统，在机械机构子系统中，机柜内安装有水平、垂直导轨，用于安装三维测量系统，并由电机控其移动；如图2所示安装相机的支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用。相机支架固定在机械机构内的长方体形三维测量系统固定支架上，在距离相机一定距离处安放结构光发生器；在固定支架底部安装一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动到指定位置。
本发明所提出的系统，在三维测量与表面积计算子系统中，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。
如图5所示，本发明所提出系统中的基于三维测量技术精确测量物体表面积的方法，其实现的具体步骤如下：
步骤1：利用高精度发光标定板计算出相机内、外部参数信息及旋转平移矩阵；
步骤2：将待测量物体放置于测量区，利用三维测量方法实现对物体的三维数据重建，通过计算得到物体的三维数据；
步骤3：对得到的三维数据进行一系列处理，得到待测量物体的完整、干净三维数据；
步骤4：将上述步骤3得到的三维数据转化为三角面片数据，计算单个三角面片的面积，再累加物体待测量区域所有三角面片的面积之和，进而得到物体待测量区域总的表面积；
步骤5：导出测量数据，打印检测报告。
下面结合具体的实施例对本发明所描述的测量系统中表面积测量的准确性做详细说明：
本实施例中，因为所有复杂物体表面都可以看作为简单物体表面叠加而成，而且复杂物体表面的实际表面积数据也无法准确获取，所以选取四组简单规则物体进行测量，如图6所示，左上为圆柱体的三维数据图，右上为四棱锥的三维数据图，左下立方体的三维数据图，右下为圆锥的三维数据图。通过游标卡尺测得物体实际长宽高计算物体实际表面积和实际体积。
将四个被测物同时放到测量系统中，通过系统软件对目标物进行三维数据建模，进行一系列处理后生成测量报告，将三维测量结果与通过游标卡尺测量结果对比发现，三维测量结果接近游标卡尺计算结果，因手工测量长度也不能保证其准确性，所以最大误差在3％左右。
表1物体表面积和体积三维测量结果与手工测量数据对比
物体 系统测量表面积 系统测量体积 手工测量表面积 手工测量体积
圆柱体 92.3704cm2 67.6309cm3 91.2038cm2 66.7009cm3
四棱锥 58.2024cm2 27.4136cm3 58.7008cm2 26.3933cm3
立方体 95.3952cm2 64.9089cm3 96.4806cm2 64.4812cm3
圆锥体 50.1010cm2 22.0741cm3 49.3656cm2 21.4098cm3
本发明的保护内容不局限于以上实施例，在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

  1. 一种基于三维测量技术精确测量物体表面积的系统，其特征在于，该系统包括：
    三维测量与表面积计算子系统，由视觉处理计算机、高精度发光标定板、高清相机、结构光或激光发生器和系统软件组成，用于生成三维数据及数据显示，其中高清相机、结构光或激光发生器和软件组成三维测量系统，该子系统包含至少一套三维测量系统；
    控制子系统，与所述三维测量与表面积计算子系统连接，其由步进电机、控制器、轴承与旋转平台组成，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据拼接；
    机械机构子系统，与所述三维测量与表面积计算子系统和控制子系统连接，其由机柜、固定支架、二维调节机构组成，用于安装、固定、调节设备的各个部件。
  2. 如权利要求1所述的系统，所述视觉处理计算机由高性能计算机和相机触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集、数据运算、数据存储和数据显示；所述相机为单目、双目或多目高清相机，通过所述相机触发控制器与所述高性能计算机连接；所述高精度发光标定板采用高精度激光打标制作，精度高达+/-0.0001mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，适用于提取高精度的棋盘格角点；所述结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面；所述系统软件包括相机标定模块、高速三维测量模块、数据处理模块、数据分析模块以及系统控制模块，通过所述系统软件控制所述步进电机运动，采集图像数据进行分析计算，显示三维数据及结果展示。
  3. 如权利要求1所述的系统，所述三维测量与表面积计算子系统，利用相机连续采集有结构光的图像数据，通过三维重建技术实现对待测量物体的表面三维数据重建，得到物体表面的三维数据，进行处理后，通过计算将其转化为三角面片数据，根据所述三角面片数据计算物体待测量区域的表面积；通过在物体内部任取一点，与所有三角面片建立连接形成三角锥，根据所有三角锥体积累加求和计算待测物体体积。
  4. 如权利要求1所述的系统，在所述三维测量与表面积计算子系统中，通过所述系统软件可以控制三维测量系统移动到指定位置，控制旋转平台上下、左 右运动，并对物体三维数据进行一键扫描；处理所述三维数据的方法包括去重、滤波、平滑处理、采样、补洞、一键优化和生成三角面片；当前所述的三维测量采用两套三维测量系统同时工作时，可以涵盖物体小弧面细节数据采集和大弧面整体框架数据采集。
  5. 如权利要求1所述的系统，所述数据显示包括物体三维数据显示，物体检测报告显示；支持物体表面积和体积测量结果输出到数据库，一键打印测量报告，报告中包含物体三维数据的投影视图，所述投影视图需要将3D坐标通过模型视景矩阵和投影矩阵转换到2D投影坐标系，然后根据打印机分辨率转换到对应纸张大小并生成模型图像数据进行报告打印，以此得到所述投影视图与实物大小比例为1：1。
  6. 如权利要求1所述的系统，在所述控制子系统中，所述视觉处理计算机连接所述控制器，并给所述控制器发送命令，控制所述步进电机运动，进而带动所述旋转平台旋转一定角度；通过所述旋转平台带动物体转动，可以拍摄到待测物体不同视角的画面，以生成不同视角的三维数据，通过三维数据拼接算法将不同视角的三维数据转化到同一坐标系下，从而得到目标物体的完整三维数据；所述的三维数据拼接支持标志点拼接、无标志点特征拼接和旋转平台拼接三种方式，三种拼接方式相互补充，相互促进，使得不同视角三维数据能够高速度、高精度拼接。
  7. 如权利要求1所述的系统，在所述控制子系统中，所述步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建与配准，反推旋转误差，进行误差矫正；所述旋转平台支持水平旋转、升降、倾斜多轴运动；所述旋转平台台面使用带吸附能力硅胶板或其它类似材质制作而成，物体放在上面可以直接吸附固定，防止物体移动影响测量精度；所述旋转平台也可以使用传送带替换，支持物体流水线三维测量作业，同时进行物体质量检测，根据物体质量检测结果进行分拣。
  8. 如权利要求1所述的系统，在所述机械机构子系统中，所述机柜内安装有水平、垂直导轨，用于安装三维测量系统，并由电机控其移动；安装相机的相机固定支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用；多个相机支架固定在所述机械机构子系统内的长方体形固定支架上，在距离相机一定距离处安放结 构光或激光发生器；在所述固定支架底部安装一个所述二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动到指定位置。
  9. 如权利要求1所述的系统，所述的三维测量系统可以通过垂直、水平导轨上任意移动到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，从而对待测物体进行全方位数据测量；当三维测量系统移动到底部时，向上扫描物体，底部转台可以使用透明玻璃替换，使物体底部三维数据能轻易获取；所述三维测量系统也可以直接安装多套到机柜的顶部、底部、前部、后部和左右侧面，直接对待测物体进行全方位三维数据测量。
  10. 一种采用如权利要求1所述系统的基于三维测量技术精确测量物体表面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
    步骤1：利用所述高精度发光标定板计算出所述相机内、外部参数信息及旋转平移矩阵；
    步骤2：将待测量物体放置于测量区，利用三维测量方法实现对物体的三维数据重建，通过计算得到物体的三维数据；
    步骤3：对得到的所述三维数据进行一系列处理，得到待测量物体的完整、干净三维数据；
    步骤4：将上述步骤3得到的三维数据转化为三角面片数据，计算单个三角面片的面积，再累加物体待测量区域所有三角面片的面积之和，进而得到物体待测量区域总的表面积；
    步骤5：导出测量数据，打印检测报告。
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