一種基于偏軸成像的3D輪廓儀設(shè)計

朱文韜 南程哲 蔣穎峰 樊成 徐進

1.引言

隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，物體三維輪廓檢測和數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)有了很大的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、體積測量、質(zhì)量控制、逆工程仿真、機器視覺以及生物醫(yī)療等領(lǐng)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(yōu)點，成為現(xiàn)代三維曲面測量的重要途徑及發(fā)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(fù)雜的圖像處理設(shè)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(yīng)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(fù)雜度高的問題。因此，需要研究一種結(jié)構(gòu)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(shè)計思路

基于激光三角法的3D輪廓儀，其構(gòu)造主要由激光發(fā)射器和工業(yè)相機兩部分組成。激光發(fā)射器發(fā)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(qū)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(tǒng)輪廓掃描儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)有兩種，第一種是直接成像在感光元件上，其結(jié)構(gòu)簡單，但算法復(fù)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(xué)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜。本設(shè)計結(jié)合以上兩種方法，將感光元件角度調(diào)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(xué)結(jié)構(gòu)，并且能簡化被測物體相關(guān)數(shù)值計算，求解得到MN，光路圖如圖1所示。

3.實現(xiàn)效果

本作品的硬件設(shè)備主要由激光發(fā)射器、工業(yè)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(cè)可以看到主控芯片，圖片下方是移動履帶支架。

激光發(fā)射器發(fā)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(qū)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：

[1]基于輪廓傳感器的魚體表面重構(gòu)技術(shù)與誤差分析，食品工業(yè)，2020-10-20

[2]基于ROI-RSICP算法的車輪廓形動態(tài)檢測，中國激光，2020-08-28

[3]一種彈載單線激光雷達點云數(shù)據(jù)濾波算法，彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2020-08-14

[4]基于激光輪廓傳感器的鋼軌外形檢測系統(tǒng)，應(yīng)用激光，2014-06-01

[5]基于激光三角法的物體 三位輪廓測量系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)，2015-04-01

[6]朱妍. 基于激光三角法的三維輪廓測量系統(tǒng)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

（作者單位：衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）