光切法扫描测量策略及其数据合成

　　基于主动式三角测量原理，以激光线结构光作为编码光测量三维物体形面的光切法不是一种全场法，这种系统每次仅能测得物体表面与光刀面相交的一条轮廓线的数据，要实现要求数据密度的全形面测量，必须依靠辅助机械运动。实际工程遇到的测量对象无论几何形状还是表面曲率变化都不尽相同，若采用单一的测量方式对待，可能导致系统对有些测量质量(数据精度及完整性)较差或难以测量，因此应针对不同特征的测量对象采取不同的测量策略。本文将常见的测量对象分为三类:①盘盖类一扁平且薄的物体;②棱体类一长、宽、高差别不大但有较大的局部曲率变化;③回转体类一有明显的回转特征且曲率变化平缓(需要指出的是这三类测量对象的划分没有绝对的标准，除了参照物体形面的几何特征外还与测量人员的经验有关)，并分别采用平面扫描、四面扫描、旋转扫描测量策略及相应的数据合成方法。

　　1测量原理及系统结构

　　由于光切法是一种主动式光学三角测量法，系统构造必须满足可测条件:①物面上被测点不是光学投影编码死点;②被测点不在视觉传感器的盲区内;③被测点的光调制信息能满足轮廓解调的要求。系统构造应充分考虑这一原则。图1为光切法测量基本原理图，其中:R为参考面，PO为光切测量面，θ是CCD像面与成像光轴之间的夹角，A为光切面与被测物面交线上任意一点，a为A对应的像点。φ为成像光轴IO与光切面之间的夹角，它与系统测量范围及测量精度有关。由系统几何关系可得三维物空间高度OA与对应二维像空间像素坐标变化ao之间的关系。

　　式中，f为CCD镜头焦距。f、OA、φ、θ属于系统参数，可通过系统标定求得。若要满足可测条件，还须使tgφ=βtgθ，这里β为横向放大率。实际测量中，由于投射到物体表面上的激光线结构光具有一定的宽度，因而变形条纹的像在CCD像面上的宽度一般大于一个像素，为此可采用亚像素技术提高编码点定位精度。

　　从图1可知，最基本的光切测量系统仅能测得光切面与物面交线上点的坐标，这远远不能满足实际测量要求。如果在被测物体与激光条和探测器之间人为产生受控步进式相对运动，并测量每一个位置物面上变形光条编码点的坐标，只要选择合适的步距，测量结果就能够反映被测形面的几何特征信息。测量系统可采用机械上易于实现的直线运动和圆周运动的组合来实现大多数形面的测量。常见的结构有立式龙门结构及卧式结构，采用3一4轴CNc系统。

　　图2a为四轴(X、Y、Z三轴平动及T轴回转)卧式结构，测量对象置于回转工作台上，测量过程中回转载物台需进行分度，因而对测量对象不仅有定位要求，还有夹紧要求。这种卧式测量系统可完成扫描间距大于0.001~的平面扫描、双面扫描、四面扫描及0一360“任意角度范围、大于0.10角度间隔的旋转扫描。图2b为三轴(X、y、Z三轴平动)立式结构，被测对象置于工作台上，由于整个测量过程中被测对象无需运动，故仅有定位要求。这种系统仅能完成简单平面扫描测量。对于小型测量对象，由于测头(由CCD和激光线结构光发生器组成)体积较小，运动惯性亦较小，因此测量运动主要由测头的相对运动实现。下面主要讨论四轴卧式光切三维轮廓测量系统的几种扫描方式及其数据合成原理。