1. 引言 光学三维形状测量是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结 构进行扫描，以获得物体表面点的三维空间坐标，与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、面、 形的三维测量，能实现非接触测量，在某些技术领域具有不可替代性，如复杂面形的快速三维彩色 数字化、柔软物体的测量等。 本实验基于激光三角测量原理，利用线激光作为光源 一次拍照可以获取一条线上各点的高度信 息，配以一维方向的扫描就可获得物体的三维信息。 2. 实验目的 通过本实验了解激光三角测量的基本原理：了解基于激光线光源的非接触式光学三维测量方法。 3. 实验原理 探测器 M探测像 接收光 被测物 极管 投射光 684 (a)测量仪 (b)探测的像 图1激光片光三角测量法 3.1、激光片光三维测量原理 点状激光垂直投射在柱透镜上，其透射光的剖面光强呈Gaussian分布，形成激光片光，也称之为线 光或光刀。激光片光被投射到被测物体表面，CCD探测器从另一角度观察由于面形引起的片光像中 心的偏移，并按三角测量原理获得剖面数据。图1显示了成像位置与面形高度的关系。 图2是光路原理图，日为成像光轴Q0与投影光轴PO的夹角，ā为CCD阵列与成像光轴的夹角，两光 轴交于O点，R为参考平面，H为面形上某一点，I和I'分别是成像系统的入瞳和出瞳，H点成像于 CCD面阵上N点，N点相对于中心像素M的偏移量△=MN。 在测量中，为了使被测范围内的物点都能清晰成像于CCD阵列上而不产生离焦，日和a必须满足 scheimpflug条件，即 tand=6tag (1) 式中B为横向放大率
1. 引言 光学三维形状测量是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结 构进行扫描，以获得物体表面点的三维空间坐标，与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、面、 形的三维测量，能实现非接触测量，在某些技术领域具有不可替代性，如复杂面形的快速三维彩色 数字化、柔软物体的测量等。 本实验基于激光三角测量原理，利用线激光作为光源，一次拍照可以获取一条线上各点的高度信 息，配以一维方向的扫描就可获得物体的三维信息。 2. 实验目的 通过本实验了解激光三角测量的基本原理；了解基于激光线光源的非接触式光学三维测量方法。 3. 实验原理 (a) 测量仪 (b) 探测的像 图1 激光片光三角测量法 3.1、激光片光三维测量原理 点状激光垂直投射在柱透镜上，其透射光的剖面光强呈Gaussian分布，形成激光片光，也称之为线 光或光刀。激光片光被投射到被测物体表面，CCD探测器从另一角度观察由于面形引起的片光像中 心的偏移，并按三角测量原理获得剖面数据。图1显示了成像位置与面形高度的关系。 图2是光路原理图，θ为成像光轴QO与投影光轴PO的夹角，α为CCD阵列与成像光轴的夹角，两光 轴交于O点，R为参考平面，H为面形上某一点，I和I’分别是成像系统的入瞳和出瞳，H点成像于 CCD面阵上N点，N点相对于中心像素M的偏移量△=MN。 在测量中，为了使被测范围内的物点都能清晰成像于CCD阵列上而不产生离焦，θ和α必须满足 scheimpflug条件，即 (1) 式中β为横向放大率
P 图2激光片光三角测量原理图 由简单的几何关系，可以得到面形高度OH与偏移量△间的关系为 OI·△sina OH-Tsin g+sim (a+) (2) 式中是成像系统的焦距。原则上计算出整个光条上所有像点的位置，代入(2)式就可以得到物体表面 被光条照明处的高度信息，垂直光条方向扫描整个物体表面即可得到物体表面的三维数据。 实际测量时，直接利用(2)式计算高度信息比较困难，原因在于无法准确测量系统的结构参数如焦 距、角度θ和角度ā等，因此需要通过标定确定物体表面的三维坐标与成像面间的对应关系。 3.2标定原理 如果要由光条像的位置计算出对应空间点的坐标，测量系统需先经过标定的程序。标定的目的是利 用已知空间中点坐标与其在CCD摄像机的像点坐标的对映关系（如图3所示）建立系统的标定参 光平面网格 图像平面上的像 图3空间坐标与其在CCD摄像机的像点坐标的对映关系 当空间点坐标(X,Y)投影至CCD的图像平面时，像平面上对应点的坐标可表示为线性关系 x=ao +ax +azY (3) y=bo +bX+b2Y (④) 其转换矩阵表示为 「ao [xy]=[1x y] bo La2 b2 (6 或
图2 激光片光三角测量原理图 由简单的几何关系，可以得到面形高度OH与偏移量△间的关系为 (2) 式中f是成像系统的焦距。原则上计算出整个光条上所有像点的位置，代入(2)式就可以得到物体表面 被光条照明处的高度信息，垂直光条方向扫描整个物体表面即可得到物体表面的三维数据。 实际测量时，直接利用(2)式计算高度信息比较困难，原因在于无法准确测量系统的结构参数如焦 距、角度θ和角度α等，因此需要通过标定确定物体表面的三维坐标与成像面间的对应关系。 3.2标定原理 如果要由光条像的位置计算出对应空间点的坐标，测量系统需先经过标定的程序。标定的目的是利 用已知空间中点坐标与其在 CCD 摄像机的像点坐标的对映关系（如图3所示）建立系统的标定参 数。 图3空间坐标与其在 CCD 摄像机的像点坐标的对映关系 当空间点坐标（X,Y）投影至CCD的图像平面时，像平面上对应点的坐标可表示为线性关系： (3) (4) 其转换矩阵表示为： （5） 或
[A]=[B][C] (6) 其中[A]=[xy] [B]=[1XY] 「aobo1 [C]=a bi La2 b2] 如果已知空间中3个不共线的点坐标以及所对应的3组CCD像面的投影图像坐标，则可以求出投影转 换矩阵 [C]=[B]1[A] (7) 若己知空间中至少3个不共线的点坐标以及所对应的CCD像平面的投影图坐标，则可求出投影转换矩 [C]=[B][B]-[B]T[A] (8) 则CCD像面坐标到空间坐标的转换关系为 [A]=[B][C] [A][C]r=[B][C][C]T (9) [B]=[A][C]T[C][C]P]- 当考虑摄影镜头的像差以及其他因素造成投影关系为非线性时，可以采用高次多项式计算对应关 系 .实验仪器 机器视觉平台、侧推平移台、磁座、侧推平移台。 5.实验步骤 系统标定实验： 步骤1、如图搭建系统。 步骤2、将镜架固定在侧推平移台上丝杆的远端，方向与平移台丝杆方向垂直。 步骤3、将标定板使用连接块固定在镜架上，标定板上固定孔使用最下边的2×2个孔。 步骤4、将线扫描头用螺钉拧在机器视觉平台云台上，使扫描激光束竖直出射，激光束在机器视觉平 台台面形成的激光线应该与机器视觉平台台面短边平行
（6） 其中 如果已知空间中3个不共线的点坐标以及所对应的3组CCD像面的投影图像坐标，则可以求出投影转 换矩阵 （7） 若已知空间中至少3个不共线的点坐标以及所对应的CCD像平面的投影图坐标，则可求出投影转换矩 阵 （8） 则CCD像面坐标到空间坐标的转换关系为 （9） 当考虑摄影镜头的像差以及其他因素造成投影关系为非线性时，可以采用高次多项式计算对应关 系。 4. 实验仪器 机器视觉平台、侧推平移台、磁座、侧推平移台。 5. 实验步骤 系统标定实验： 步骤1、如图搭建系统。 步骤2、将镜架固定在侧推平移台上丝杆的远端，方向与平移台丝杆方向垂直。 步骤3、将标定板使用连接块固定在镜架上，标定板上固定孔使用最下边的2×2个孔。 步骤4、将线扫描头用螺钉拧在机器视觉平台云台上，使扫描激光束竖直出射，激光束在机器视觉平 台台面形成的激光线应该与机器视觉平台台面短边平行
步骤5、将电控平移台置于机器视觉平台台面上。电控平移台移动方向应该与机器视觉平台台面长边 方向平行。当电控平移台台面在极限位置时，电控平移台台面应置于激光线左侧，光束与电控平移 台台面右边缘平行为宜。 步骤6、将标定组件（标定板、镜架和侧推平移台）固定在电控平移台台面上。注意，固定时应将侧 推平移台推至最大量程处，然后用螺钉将标定组件固定在电控平移台上。 步骤7、接通电控平移台电源，打开照明组件电源，并将扫描头相机USB接口连接到电脑：打开“激 光线扫描数字测量实验一>数据采集一>打开平移台一>打开CCD”，调节控制器控制按钮、移动电 控平移台位置和调整机器视觉平台竖直调节旋钮，当标定板图案完整清晰成像时，将电控平移台固 定在机器视觉平台台面上 步骤8、接通线扫描头激光器电源，点亮线激光器，调节镜架、侧推平移台旋钮，使得标定板图案面 与线激光光束面重合。 步骤9、双击运行“激光线扫描数字测量实验”应用软件。 步骤10、点击工具栏数据采集图标“” 步骤11、点击“打开CCD”，右侧图像显示窗口显示连续采集画面。 步骤12、点击“设置存放目录”，弹出对话框，新建文件夹并设置存放目录路径，在“设置存放目 录”下边的对话框里会显示采集图片存放的路径。 步骤13、打开照明组件电源，点亮条形光源，对标定板采集区域均匀照明。 步骤14、点击“单帧采集”，弹出对话框，直接打击“保存”，保存标定图像。 步骤15、点击工具栏系统标定按钮“多”-“选择文件”-选择步骤7保存的标定图案“提取角 点”，出现下图所示界面，关闭该界面并点击“标定”，完成标定数据保存，然后“退出”。 ▣ 5.2激光线扫描三维数字测量实验 步骤1、如图搭建实验系统
步骤5、将电控平移台置于机器视觉平台台面上。电控平移台移动方向应该与机器视觉平台台面长边 方向平行。当电控平移台台面在极限位置时，电控平移台台面应置于激光线左侧，光束与电控平移 台台面右边缘平行为宜。 步骤6、将标定组件（标定板、镜架和侧推平移台）固定在电控平移台台面上。注意，固定时应将侧 推平移台推至最大量程处，然后用螺钉将标定组件固定在电控平移台上。 步骤7、接通电控平移台电源，打开照明组件电源，并将扫描头相机USB接口连接到电脑；打开“激 光线扫描数字测量实验―>数据采集―>打开平移台―>打开CCD”，调节控制器控制按钮、移动电 控平移台位置和调整机器视觉平台竖直调节旋钮，当标定板图案完整清晰成像时，将电控平移台固 定在机器视觉平台台面上。 步骤8、接通线扫描头激光器电源，点亮线激光器，调节镜架、侧推平移台旋钮，使得标定板图案面 与线激光光束面重合。 步骤9、双击运行“激光线扫描数字测量实验”应用软件。 步骤10、点击工具栏数据采集图标“ ”。 步骤11、点击“打开CCD”，右侧图像显示窗口显示连续采集画面。 步骤12、点击“设置存放目录”，弹出对话框，新建文件夹并设置存放目录路径，在“设置存放目 录”下边的对话框里会显示采集图片存放的路径。 步骤13、打开照明组件电源，点亮条形光源，对标定板采集区域均匀照明。 步骤14、点击“单帧采集”，弹出对话框，直接打击“保存”，保存标定图像。 步骤15、点击工具栏系统标定按钮“ ”-“选择文件”-选择步骤7保存的标定图案-“提取角 点”，出现下图所示界面，关闭该界面并点击“标定”，完成标定数据保存，然后“退出”。 5.2激光线扫描三维数字测量实验 步骤1、如图搭建实验系统
步骤2、双击运行“激光线扫描数字测量实验”应用软件。 步骤3、点击工具栏数据采集图标“■”，打开数据采集对话框。 步骤4、连接电控平移台组件，选择串口，点击“打开平移台”，选择采集步长，设置采集总长度 连接扫描头，点击“打开CCD”,右侧图像显示窗口显示连续采集画面。 步骤5、点击“设置存放目录”，弹出对话框，设置存放目录路径，在“设置存放目录”下边的对话 框里会显示采集图片存放的路径。 步骤6、将待测试样品固定在电控平移台台面中央，按驱动器上控制按钮，将工件左边缘与扫描头出 射激光线对齐。 步骤7、点击“开始采集”，开始采集测量图像，测量图像将自动保存在预设置的路径下。采集对话 框右下角“保存路径”会实时显示正在采集的图片名称。采集完成后会弹出提示对话框，确认即 可。采集完成后点击“退出”，关闭采集对话框。 步骤8、点击工具栏数据处理按钮“”，打开数据处理对话框
步骤2、双击运行“激光线扫描数字测量实验”应用软件。 步骤3、点击工具栏数据采集图标“ ”，打开数据采集对话框。 步骤4、连接电控平移台组件，选择串口，点击“打开平移台”，选择采集步长，设置采集总长度； 连接扫描头，点击“打开CCD”，右侧图像显示窗口显示连续采集画面。 步骤5、点击“设置存放目录”，弹出对话框，设置存放目录路径，在“设置存放目录”下边的对话 框里会显示采集图片存放的路径。 步骤6、将待测试样品固定在电控平移台台面中央，按驱动器上控制按钮，将工件左边缘与扫描头出 射激光线对齐。 步骤7、点击“开始采集”，开始采集测量图像，测量图像将自动保存在预设置的路径下。采集对话 框右下角“保存路径”会实时显示正在采集的图片名称。采集完成后会弹出提示对话框，确认即 可。采集完成后点击“退出”，关闭采集对话框。 步骤8、点击工具栏数据处理按钮“ ”，打开数据处理对话框
数据处理 就量处理位图 透样文件目文件夹好 选择处理区 处理西片 打开标定文件处理区 停止处理退出 步骤9、点击“选择文件目录”选择步骤7采集到的图像中的任意一幅，点“打开”。 步骤10、点击“选择处理区域”选择需要处理的图像区域，如果需要处理全幅图片，则不需要操作 该项。注：选择处理区域的话可以提高图片处理速度，提高测量效率。 步骤11、点击“处理图片”，程序会弹出处理对话框，对话框上有进度条，当处理完毕后会提示载 入标定文件，点“确定”即可。 步骤12、点击“打开标定文件”，选择实验1最后输出的标定结果（默认存在之前保存标定图片的目 录下) 步骤13、点击“恢复高度信息”，处理完成后会显示测量的最终结果。 步骤14、查看测量结果。点击工具栏“八”，会弹出“高度曲线”对话框，选择采集序号，可查看任 意一次采集恢复出来的高度曲线信息。在“扫描平面结果”对话框上，可以通过拖拽对话框查看局 部高度细节。鼠标拖拽左上右下方框时，放大显示细节：鼠标右下左上拖拽方框时返回整体高度信 息图。 注：除了使用“高度曲线”对话框外，也可以通过主程序界面下显示的伪彩色三维显示图查看扫描 结果。按住左键拖拽可以使测得图像在平面内平移：按住“SHIFT”的同时，拖拽鼠标左键可以转 换立体视角：按住“Z”同时向上向下拖拽鼠标左键可以放大缩小测的目标。5.5结果分析 利用Matlab等软件读取测量结果，对结果进行分析
步骤9、点击“选择文件目录”选择步骤7采集到的图像中的任意一幅，点“打开”。 步骤10、点击“选择处理区域”选择需要处理的图像区域，如果需要处理全幅图片，则不需要操作 该项。注：选择处理区域的话可以提高图片处理速度，提高测量效率。 步骤11、点击“处理图片”，程序会弹出处理对话框，对话框上有进度条，当处理完毕后会提示载 入标定文件，点“确定”即可。 步骤12、点击“打开标定文件”，选择实验1最后输出的标定结果（默认存在之前保存标定图片的目 录下）。 步骤13、点击“恢复高度信息”，处理完成后会显示测量的最终结果。 步骤14、查看测量结果。点击工具栏“ ”,会弹出“高度曲线”对话框，选择采集序号，可查看任 意一次采集恢复出来的高度曲线信息。在“扫描平面结果”对话框上，可以通过拖拽对话框查看局 部高度细节。鼠标拖拽左上右下方框时，放大显示细节；鼠标右下左上拖拽方框时返回整体高度信 息图。 注：除了使用“高度曲线”对话框外，也可以通过主程序界面下显示的伪彩色三维显示图查看扫描 结果。按住左键拖拽可以使测得图像在平面内平移；按住“SHIFT”的同时，拖拽鼠标左键可以转 换立体视角；按住“Z”同时向上向下拖拽鼠标左键可以放大缩小测的目标。5.5 结果分析 利用Matlab等软件读取测量结果，对结果进行分析