專利名稱：曲面測量裝置和測量方法
曲面測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械光學測量裝置及方法，尤其涉及一種曲面測量裝置 和測量方法。
背景技術(shù)：
在某些特定場合，需要測量人體部位或者其它物件的不規(guī)則曲面，比如 人體腳底在承受體重狀態(tài)下的曲面形狀，但是由于這些曲面形狀的不規(guī)則 性，很難直接進行測量。
一種傳統(tǒng)的測量方法是接觸測量法，其主要是利用伺服控制，使測量頭 沿著被測物體的表面運動，并通過伺服系統(tǒng)獲得軌跡坐標，從而確定物體表 面的形狀。但是，此種測量方法的測量設(shè)備較昂貴，且測量效率低，不利于 大規(guī)模使用。
另一種傳統(tǒng)的測量方法是非接觸測量法，其共同點是都需要作圖像分 析，通常是采用純光學方法對物體表面進行拍照，從而測得物體表面形狀。 但是，這種測量方法的測量系統(tǒng)價格昂貴，不具備較好經(jīng)濟性。
從被測物體的材料特性方面看，上述二種傳統(tǒng)的測量方法，對剛性物體 都可獲得很好的測量效果，但對柔性物體來說，例如人體，只有非接觸測量 方法才能得到被測物體在自由狀態(tài)下的曲面數(shù)據(jù)。在一些特定的領(lǐng)域，需要
測量柔性物體受到均布壓力作用而變形的表面，例如人體腳底在承受體重狀 態(tài)下的形狀，這時二種傳統(tǒng)的測量方法都無法直接測量。
美國專利US5911126采用印有類似網(wǎng)格圖案的彈性包絡，包裹在^皮測物 體上，使包絡呈現(xiàn)出被測物體的形狀，再利用位于多個已知位置上的成像裝 置對包絡上的圖案進行拍攝，并通過分析包絡圖案在各個照片中的位置差 異，計算出曲面數(shù)據(jù)。該專利技術(shù)中彈性包絡在測量中并未精確定位，而且 如果對同一物體進行多次測量，包絡變形后，包絡上印制的圖案，也不具備 重復性，因此需要二張以上照片來計算曲面數(shù)據(jù)。
在其它已公開的專利和文獻中，對一次成像的非接觸測量方法提供了多 種實施方案，其共同點是需要特殊的光源，比較具有代表性的專利有中國公 開專利CN1590958A和CN1350633A。與拉索相比，特;朱光源的^殳備及4空制更 復雜，成本更高。另一方面，盡管特殊光源投射到被測物體上的條紋狀圖案 與拉索的形狀相似，但由于物理光學方面的原因，密集的條紋狀投影圖案在 被測物體曲面上，會發(fā)生干涉、強度不等的反射，使圖像不清晰。同時，由 于在被測曲面上投影成像的距離并不是處處相等，也進一步降低了投影圖像 的質(zhì)量。此外，被測物體的光學特性，也會影響投影圖案的質(zhì)量，例如，在 透明物體的表面，是不能形成有效的投影圖案的。
因此有必要設(shè)計一種新的曲面測量裝置和方法，以克服上述傳統(tǒng)測量裝 置和方法的缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測量效率高且成本低廉的曲面測量裝置和
測量方法。
為了達到前述目的，本發(fā)明所涉及的曲面測量裝置包括拉索、照相裝置， 其中拉索緊繃在被測物體的表面并與被測物體的輪廓曲線相吻合。 所述照相裝置安裝在被測物體的下前方。 所述拉索的顏色與被測物體顯著區(qū)別。 本發(fā)明中曲面測量裝置的測量方法包括以下步驟
第一步確定測量設(shè)備的參數(shù)集[a， p， 6， xf， yp， zf, y。， uM， 〗， 其中(xF， yF, zF)表示照相裝置的取景錐頂點安裝點，y。表
示拉索中心線圖像上的任意 一 點的Y軸坐標，^表示橫向像 素總數(shù)的一半，^表示縱向像素總數(shù)的一半，a表示照相枳j 的取景軸線與Y軸的夾角，e表示橫向取景角，卩表示縱向取 景角；
第二步將拉索緊繃在被測物體的表面； 第三步拍攝拉索照片，并將圖像輸入計算機； 第四步分析拉索圖像，計算出拉索中心線的曲線坐標數(shù)據(jù)； 第五步將拉索的中心線向被測物體一側(cè)作等距偏移計算處理，偏移 量等于拉索的半徑，得到一曲線，該曲線即為被測物體相應 部位的輪廓曲線。 利用 一定數(shù)量的拉索，即可得到被測物體的曲面數(shù)據(jù)。 所述測量裝置可以對照相裝置的位置、姿態(tài)和狀態(tài)進行調(diào)整、控制。 所述拉索中心線的曲線坐標計算數(shù)據(jù)為
x = xF + —F 0多u cos ^ tg 8
z = & + (yF-y0)tg(ot + tg-1 v p) 、 ,，其中u、 v分別表示拉索中心線圖像上的任
意 一 點的U軸和V軸坐標。
所述^t測物體在測量部位的輪廓曲線與4立索的中心線等效。 在第二步中可以光學方法在被測物的表面投射出線狀影像，用該線狀影 像代替拉索，通過對線狀影像進行測量測出被測物的曲面形狀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點為本發(fā)明的曲面測量裝置和測量方法 采用了一定數(shù)量的拉索與被測物體接觸，使拉索與被測表面的形狀相吻合， 再用光學成像，對測量區(qū)域一次成像，通過圖像處理，測量出拉索的形狀， 從而獲得被測物體的曲面數(shù)據(jù)，因此本發(fā)明是一種接觸式光學測量方法，不 僅測量效率高，而且設(shè)備成本低，同時適合測量剛性物體的曲面和柔性物體 受到均布壓力作用而變形的表面。

圖1是本發(fā)明曲面測量裝置測量被測物體曲面的主視圖。 圖2是本發(fā)明曲面測量裝置測量被測物體曲面的示意圖。 圖3是本發(fā)明曲面測量裝置測量被測物體時拉索中心線曲線坐標數(shù)據(jù)計 算示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1及圖2，本發(fā)明所曲面測量裝置包括拉索l、照相裝置3，拉索 l緊繃在被測物體2的表面，并與被測物體2的輪廓曲線相吻合。照相裝置3安
裝在拉索l的下前方，以利于清晰完整地拍攝拉索l的照片。拉索1和照相機3 在測量裝置中必須被嚴格定位，以保證光路的精確，并且拉索l的顏色須與 被測物體2顯著區(qū)別，以利于計算機作進一步處理。 采用上述測量裝置的測量方法包括以下步驟 第一步確定測量設(shè)備的參數(shù)集； 第二步將拉索1緊繃在被測物體2的表面； 第三步拍攝拉索l的照片，并將圖像輸入計算機； 第四步分析拉索l的圖像，計算出拉索中心線的曲線坐標數(shù)據(jù)； 第五步將拉索的中心線向被測物體2—側(cè)作等距偏移計算處理，偏移 量等于拉索的半徑，得到一曲線，該曲線即為被測物體相應部 位的輪廓曲線。
在本發(fā)明中，4立索l的中心線與^皮測物體2的相應l侖廓曲線可以互相轉(zhuǎn) 換，兩者等效，因此本發(fā)明只給出拉索l的中心線的計算方法。下面對中心 線的計算方法作出詳細說明
如圖3所示，拉索l兩端的中心點安裝在y-y。平面上，拉索l中心線上所有 點的y坐標皆為K照相機的取景錐頂點安裝在F (xp，好，zP)點。在計算機 中分析圖2中的照片4，得到圖3中的拉索中心線圖像5。拉索中心線圖像5的 曲線寬度為一個像素。拉索中心線圖像5上的任意一點P， (u, v)，對應拉 索l中心線的點P(x, y， z)。照片4的坐標原點位于中心，對黃向坐標為U軸， 縱向坐標為V軸，坐標值為像素數(shù)量。橫向像素總數(shù)為2UM，縱向像素總數(shù)為 2VM。照相機4的取景軸線與Y軸的夾角為a，橫向取景角為e,縱向取景角為
P。
上述各項數(shù)據(jù)，構(gòu)成測量裝置的參數(shù)集C1， [a,卩,6， xf, yp，印，y。, "m, vM ] (ci) 參數(shù)集C1在測量裝置的設(shè)計中確定。由于加工和裝配過程存在誤差，需 要對裝配好的測量設(shè)備進行標定，通過幾何測量檢測出參數(shù)集Cl各項數(shù)據(jù)的
實際值。也可對已知形狀的被測物體進行測量，再根據(jù)測量誤差修正參數(shù)集 各項數(shù)據(jù)。
為了提高測量效果，測量裝置可以對照相裝置3的位置F (^， &， zf)、 姿態(tài)a和狀態(tài)(p, 6, ， vM)進行調(diào)整、控制，以得到盡可能清晰、精密 的照片4。因此參數(shù)集C1可以是動態(tài)的，并與照相裝置3拍攝照片4時的位置、 姿態(tài)和狀態(tài)保持一致。
對于拉索中心線圖像5上的任意一點P， (u, v),利用公式F1，即可求 出拉索1中心線上相應點P ( x, y， z)的坐標
<formula>formula see original document page 9</formula>
利用計算機，對照片4進行分析，得到拉索中心線圖像5，再把拉索中心 線圖像5上的每一個像素的像素坐標代入公式(F1)，即可得到拉索l的中心線 的曲線坐標數(shù)據(jù)，從而得到被測物體輪廓曲線數(shù)據(jù)。
利用 一定數(shù)量的拉索，即可得到被測物體的曲面數(shù)據(jù)。
由上描述可知，本發(fā)明的曲面測量裝置和測量方法不僅設(shè)備成本^f氐廉，
而且還具有較高的測量效率和測量精度(
權(quán)利要求
1.一種曲面測量裝置，其特征在于該曲面測量裝置包括拉索、照相裝置，其中拉索緊繃在被測物體的表面并與被測物體的輪廓曲線相吻合。
2. 如權(quán)利要求1所述的曲面測量裝置，其特征在于所述照相裝置安裝在:帔測物體的下前方。
3. 如權(quán)利要求2所述的曲面測量裝置，其特征在于所述拉索的顏色與被 測物體顯著區(qū)別。
4. 采用權(quán)利要求1中曲面測量裝置的測量方法，其包括以下步驟 第一步確定測量設(shè)備的參數(shù)集[a， p, e， &， yF， zF, y。， 《M, vM ]，其中(xF， yF， 2f)表示照相裝置的取景錐頂點安裝點，y。表 示拉索中心線圖像上的任意一點的Y軸坐標，^表示橫向像 素總數(shù)的一半，、表示縱向像素總數(shù)的一半，a表示照相機的取景軸線與Y軸的夾角，e表示橫向取景角，p表示縱向取 景角；第二步將拉索緊繃在被測物體的表面；第三步拍攝拉索照片，并將圖像輸入計算機；第四步分析拉索圖像，計算出拉索中心線的曲線坐標數(shù)據(jù)；第五步將拉索的中心線向被測物體一側(cè)作等距偏移計算處理，偏移量等于拉索的半徑，得到一曲線，該曲線即為被測物體相應部位的輪廓曲線。
5. 如權(quán)利要求4所述的曲面測量方法，其特征在于測量裝置可以對照相 裝置的位置、姿態(tài)和狀態(tài)進行調(diào)整、控制。
6. 如權(quán)利要求5所述的曲面測量方法，其特征在于所述拉索中心線的的<formula>formula see original document page 3</formula> 曲線坐標計算數(shù)據(jù)為、 其中u、 v分別表示拉索中心線圖像上的任意 一 點的X軸和Z軸坐標。
7. 如權(quán)利要求6所述的曲面測量方法，其特征在于所述被測物體在測量部位的輪廓曲線與拉索的中心線等效。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種曲面測量裝置和測量方法，該測量裝置包括拉索、照相裝置，其中拉索緊繃在被測物體的表面并與被測物體的輪廓曲線相吻合；該測量方法包括第一步確定測量設(shè)備的參數(shù)集；第二步將拉索緊繃在被測物體的表面；第三步拍攝拉索照片，并將圖像輸入計算機；第四步分析拉索圖像，計算出拉索中心線的曲線坐標數(shù)據(jù)；第五步將拉索的中心線向被測物體一側(cè)作等距偏移計算處理，偏移量等于拉索的半徑，得到一曲線，該曲線即為被測物體相應部位的輪廓曲線。利用一定數(shù)量的拉索，即可得到被測物體的曲面數(shù)據(jù)。
文檔編號G01B11/24GK101354242SQ200810198158
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者翟泳通 申請人:翟泳通