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复杂曲面零件面结构光扫描视点规划

任明阳 王立忠 赵建博 唐正宗

任明阳, 王立忠, 赵建博, 唐正宗. 复杂曲面零件面结构光扫描视点规划[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0026
引用本文: 任明阳, 王立忠, 赵建博, 唐正宗. 复杂曲面零件面结构光扫描视点规划[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2022-0026
REN Ming-yang, WANG Li-zhong, ZHAO Jian-bo, TANG Zheng-zong. Viewpoint planning of structured light scanning for complex surface parts[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0026
Citation: REN Ming-yang, WANG Li-zhong, ZHAO Jian-bo, TANG Zheng-zong. Viewpoint planning of structured light scanning for complex surface parts[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2022-0026

复杂曲面零件面结构光扫描视点规划

doi: 10.37188/CO.2022-0026
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No. 51865057)
详细信息
    作者简介:

    任明阳(1995—),男,河南周口人,硕士研究生,2017年于长安大学获得学士学位,主要从事三维光学测量方面的研究。Email:18829040656@163.com

    王立忠(1968—),男,山东梁山人,博士,教授,博士生导师,2004年于西安交通大学获得博士学位,主要从事三维光学测量技术的研究。Email:wanglz@mail.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP391.4;O348.1

Viewpoint planning of structured light scanning for complex surface parts

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51865057)
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  • 摘要: 为了实现复杂曲面零件高效自动化测量,本文提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划方法,并将其应用在汽车复杂曲面零件自动化测量中。首先,针对人工示教视点冗余严重,扫描完整性差的问题,提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划算法,根据面结构光扫描仪的有效测量范围,确定栅格尺寸,改进候选视点生成策略,并通过扫描仪的测量约束条件得到候选视点的有效测量范围,利用视点质量评价函数确定最优视点。其次,针对视点规划过程中算法耗时长,特征重建精度低的问题,采用体素网格法简化模型,通过八叉树算法分割复杂曲面模型,根据法向量一致性误差确定体素网格尺寸,并且对于几何特征不同的模型,分析权重系数对扫描质量的影响,给出最佳权重系数。最后,进行了汽车钣金件和减速器壳体扫描视点规划和测量实验,结果表明,汽车钣金件视点规划耗时21.93 s,扫描完整性为99.124%,扫描精度为0.025 mm;汽车减速器壳体视点规划耗时158.29 s,扫描完整性为93.231%,扫描精度为0.032 mm。本方法能快速完成复杂曲面视点规划,并且采用规划视点扫描的模型完整性好,精度高,能够满足复杂曲面零件自动测量的要求。

     

  • 图 1  面结构光三维扫描系统

    Figure 1.  Surface structured light 3D scanning system

    图 2  双目相机有效测量范围示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of effective measuring range of binocular cameras

    图 3  双目扫描仪有效测量范围和栅格单元示意图

    Figure 3.  Binocular scanner effective measurement range and grid cell schematic

    图 4  候选视点生成示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of candidate viewpoint generation

    图 5  光学参数约束判定

    Figure 5.  Determination of the optical parameter constraint

    图 6  单相机可视性

    Figure 6.  Single camera visibility

    图 7  双相机可视性

    Figure 7.  Dual camera visibility

    图 8  可视性约束的判断定示意图

    Figure 8.  A deterministic schematic diagram of visibility constraints

    图 9  遮挡约束的判断定示意图

    Figure 9.  Determination of occlusion constraints

    图 10  二维平面相交检测示意图

    Figure 10.  2D plane intersection detection schematic diagram

    图 11  最优视点筛选流程

    Figure 11.  Optimal view screening process

    图 12  待测检测工件

    Figure 12.  Workpiece to be tested

    图 13  法向量一致性示意图

    Figure 13.  Schematic diagram of normal vector consistency

    图 14  不同体素尺寸法向量一致性误差

    Figure 14.  Consistency error of the normal vector of voxel

    图 15  汽车钣金件扫描覆盖率

    Figure 15.  Auto sheet metal parts scanning coverage

    图 16  权重系数对钣金件扫描质量的影响

    Figure 16.  Influence of weight coefficient on scanning quality

    图 17  减速器壳体扫描覆盖率

    Figure 17.  Reducer housing scan coverage

    图 18  权重系数对减速器壳体扫描质量的影响

    Figure 18.  Influence of weight coefficient on the scanning quality ratio

    图 19  复杂曲面自动化测量实验系统

    Figure 19.  Experimental system for automatic measurement of complex surfaces

    图 20  汽车钣金件视点生成及扫描效果图示意图

    Figure 20.  Automobile sheet metal parts viewpoint generation and scanning effect diagram

    图 21  减速器壳体实际扫描效果图

    Figure 21.  Actual scanning rendering of reducer housing

    表  1  体素网格扫描质量评价指标

    Table  1.   Quality evaluation indexes of voxel mesh

    角度范围(度)0<φ<2525<φ<5050<φ<7575<φ
    扫描质量优秀良好中等
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  • 网络出版日期:  2022-06-16

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