搜索
非接触式三维数字化检测技术研究现状与关键技术问题探讨（广东工业大学机电工程学院广州510006）摘要：本文首先分析和对比接触式与非接触式三维数字化检测技术的优缺点，指出非接触式三维数字化检测技术是未来三维检测的发展方向。然后，简要介绍国内外非接触式三维数字化检测技术的研究现状，着重介绍非接触式三维数字化检测尤其是视觉检测方法，并深入探讨其存在的关键技术问题。最后，总结全文。关键词：非接触式检测研究现状视觉检测关键技术Astate-of-the-artreviewofNon-contact3-DDigitalDetectionandInquiryoftheKeyTechnologyProblemMEIQingYINSihuaLIUZhouLIUZeyuYUANWenqiang（SchoolofElectromechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou,510006）Abstract:Firstlythispapermakesananalasisandacomparisonofthefaultsandadv-antagesofcontactandnon-contact3-Ddigitaldetectiontechnology,pointsoutthatthenon-contact3-Ddigitaldetectiontechnologyisthedevelopmenttrentoffuture3-Ddetection.Thenwegiveabriefintroductionoftheartstateofnon-contact3-Ddigitaldetectionindomesticandoverseas，placeemphasisonthemethodfornon-contact3-Ddigitaldetectionparticularlyforopticaldetection,andmakeadeepinquiryintoitsexistingkeytechnicalissues.Finallythemainpointsofthispaperaresummarized.Keywords:non-contactdetectionartstateopticaldetectionkeytechnique0前言在现代制造业中，存在着大量的检测任务，如表面质量与缺陷检测、尺寸检测以及三维轮廓检测等[1]。随着工业自动化技术的不断发展，各种自动检测设备也孕育而生。目前广泛应用于三维轮廓检测的方式主要有两种：接触式和非接触式。早期的三维测量手段主要是采用接触式测量方法，通过传感测头与几何形体表面接触而记录形体表面点的三维坐标位置。运用最为广泛的接触式测量设备是三坐标测量机。（CoordinateMeasurementMachine,CMM）[2]这种方法由于采用的是接触式测量，因而，测头与被测表面接触会有摩擦、磨损以及弹性变形，此外，它还有测量速度低，不能测量柔软和易变形物体表面，需要进行测头半径补偿等缺点。非接触式测量方法主要是基于光学、声学和电磁学等领域的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换得到几何形体表面点的三维坐标值[2]。随着光电技术、微电子技术的发展，特别是光学、激光技术在测量上的突破性应用，非接触式测量技术与接触式相比有许多优点：(1)无需半径补偿；(2)非接触无损；(3)全场测量速度快；(4)适用样件材料范围广；(5)可测受接触探头半径限制的微细结构。通过以上比较可知，非接触式三维检测技术有着接触式无法超越的优点，它满足了现代工业生产生活对检测技术的高精度、快速、全场、动态、无损、智能等要求，代表了三维检测技术研究、应用的主流和方向[3]。1非接触式检测系统的国内外研究现状在国外，以视觉检测为代表的非接触式检测技术近年来发展迅速，已形成相当的产业规模。90年代，美国Michigan大学在政府支持下研制成功汽车车身尺寸视觉检测系统，它实际上是一台多测头的专用三坐标测量机，可实现车身部件及总成的在线自动检测，该系统已在美国三大汽车厂和欧洲知名汽车厂广泛使用[4]。瑞典Johansson公司生产的三坐标测量机，采用面阵CCD摄像机作为光电接收器件，用计算机进行非接触图像处理，能实现自动测量和高速的图像处理。英国3DScaner公司的REVERSA激光测头扫描速度达到15000点／秒，测量精度可达10～30um。日本三丰公司研制的三坐标CNC图像测量机QuickVisionke可利用其自身复杂的探测系统来测量形状复杂的工件，该系统能对工件进行自动调焦，其系统精度为（4.5+5L/1000）um。德国Mahr公司研制的探针式影像三坐标测量仪采用激光和光学非接触测头，利用YR-3T多功能影像、探针互锁量测软件，使得精度达到(3+L/200)um[5]。2008年，被公认为非接触和多元传感测量仪器的世界第一的美国OGP公司推出推出了高精度高性能的台式几何量测量系统SmartScopeVantage300，采用变焦系统，实现了可随时对系统进行标定的功能，使得单轴测量精度达到了（2.5+L/100）um[6]。图1—1美国OGP公司推出的视觉检测系统国内的各高校和研究机构对于计算机视觉检测系统的研究比国外要晚十多年才开始进行，但是随着近年来的飞速发展，国内视觉检测技术也已经取得了很大的进展[7]，针对各个领域对非接触视觉检测技术及仪器日益增长的需求，各院校、研究机构积极开展了对于三维非接触视觉检测技术的研究，如浙江大学、重庆大学、清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、国防科技大学、广东工业大学等，内容涉及逆向工程、快速原型制造、服装设计、自动加工、微小飞行器等不同行业，但尚未形成通用化的视觉检测系统和仪器。天津大学精密测量技术及仪器国家重点实验室研制成功了一套轿车车身在线检测系统，实现了整车的三维复杂型面的在线检测，其硬件部分采用视觉测量装置获取图像，速度很快，不过正如作者所说由于图形处理算法还处于实验室开发阶段，需要进一步提高算法的稳定性及准确性，以提高检测精度，同时视觉检测技术本身还有一系列问题需要解决，所以若真正投入生产现场需要对系统的软硬件进行不断完善[8]。张少军等利用数字图像处理技术进行零件尺寸测量，得到了很好的理论精度[9]。谭跃钢等利用视觉传感器对二维尺寸的精确测量进行了研究[10]。薛婷等采用双光条传感器增加图像轮廓信息，有效地提高了圆或椭圆拟合的精度[11]。目前已有的成型检测设备主要针对一些小型零件以及片状工件的尺寸及外观的检测。对于这些单一要素或同类、同方向要素的测量，视觉检测效率较高。但对于更复杂的零件检测，视觉检测的效率和精度还无法达到在线检测的节拍要求[7]。2非接触式三维测量方法根据测量原理不同，非接触式三维测量可分为光学测量、超声波测量和电磁测量等。图2—1三维数据测量方法????????????????????????????????????????CT???????超声波测量技术是一种传统的非接触测量方法。超声波测量技术的主要优点是不受周围光及电磁场的干扰、工作间隙大，对恶劣环境有一定的适应能力，价格适中。但是，这种测定方式的缺点是突出的，如受声速、环境介质等因素的干扰较大，抗干扰能力差，测试电路复杂，必须进行多种补偿才能获得较高精度等。工业CT与核磁共振采用射线的方法虽然在一定程度上克服了接触式测量法的部分局限性，但由于它们本身的特征，例如易受环境电磁波等因素的影响，响应速度慢，易对人体造成伤害等而阻碍了它们的普遍应用。光学非接触式测量技术比较成功地解决了上述问题，以其高速响应、高分辨率而备受重视，该方法具有受环境电磁波影响小、工作距离大、测量精度高以及测量非金属面等特点。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器、位置敏感器件PSD等的出现，光学非接触测量技术得到迅猛的发展，新型传感器不断出现，传感器的性能也大幅度提高。基于各种结构光的3D非接触式测量方法和装置的研究与研制已进行了多年，并且国内外己经成功运用该类型测量系统实现了各种自由曲面的三维测量，在许多场合该技术已趋向于成熟[12]。图2—2光学测量的分类2.1主动测距主动测距方法的基本思想是利用特定的、人为控制的光源和声源对景物目标进行照射，根据物体表面的反射特性及光学、声学特性来获取目标的三维信息。其特点是具有较高的测距精度、抗干扰能力和实时性。具有代表性的主动测距方法有结构光法、飞行时间法、和激光三角法。????????????????????????????????????????????????????????????????????????（1）结构光法（光条法）根据投影光束形态的不同，结构光法又可分为光点式结构光法、光条式结构光法和光面式结构光法等,如图2—3所示。图2—3三种结构光法测量原理图结构光法是一种既利用图像又利用可控制辐射源的测距方法，其基本思想是利用照明中的几何信息帮助提取景物中的几何信息。光条式结构光法是使用结构光的一种简单方法。结构光条测距器主要由光条发生器和相机组成，由光条发生器发射的结构光称为光平面，当光平面投射景物时，在景物中会出现一系列光条图案，因此相机获取的景物图像时一系列的光条图像，在这些光条里包含了图像所对应景物的几何信息。更精确的结构光测距方法有利用光干涉条纹性质的莫尔干涉条纹法、全息激光干涉法及光衍射效应的测距方法。图2—4线结构光下相机拍摄的图像结构光的优点是计算简单，测量精度较高，对于平坦的、无明显纹理和形状变化的表面区域都可进行精密的测量。其缺点是对设备和外界光线要求高，造价昂贵。目前，结构光法主要应用在条件良好的室内[13]。（2）飞行时间法（TOF）飞行时间法，又叫做雷达测距法。它将脉冲激光信号投射到物体表面，反射信号沿几乎相同路径反向传至接收器，利用发射和接收脉冲激光信号的时间差可实现被测量表面点的距离测量。用附加的扫描装置使激光光束扫描整个被测量表面即可获得三维形貌数据。飞行时间法主要有四种形式数字插入测量法、延迟线法、模拟插入法和差频测相法。飞行时间发直接利用光传播特性，不需要进行灰度图像的获取与分析，因此距离的获取不受物体表面性质的影响，可快速准确地获取景物表面完整的三维信息。但是它需要较复杂的光电设备，造价昂贵，且测量精度与设备的灵敏度有很大的关系。（3）三角测距法三角测距法又称主动三角法，是基于光学三角原理，根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系来确定空间物体各点的三维坐标。在实际测量过程中，它常用激光作为光源，用CCD相机作为检测器。三角测距法结构简单，其中激光三角测距法（如图2—4所示）是目前最成熟，应用最广的一种方法，它的测量速度较快，准确度高，测量精度可以达到1um，已广泛应用于工业、测控、航空、航天、军事等领域。其不足之处在于当光束投射到物体表面上时，由于被测表面散射光含有正反射成分且被测表面倾斜引起接收光功率的质心偏移，所以测量精度随入射角（光束与被测点法线的夹角）的增加而降低，有时甚至使测量失效。（a）直入射式（b）斜入射式图2—4激光三角法测量原理图图2—5基于激光三角法测量系统简图2.1被动测距被测物图像采集卡计算机相移控制驱动电路监视器摄像机光源lh1h2xyz镜头被动测距技术是目前研究最多、应用最广的一种距离感知技术。它不需要人为地设置辐射源，只利用场景在自然光照下的二维图像来重建景物的三维信息，具有适应性强、实现手段灵活、造价低的优点。但是这种方法是用低维信号来计算高维信号的，所以其计算复杂。被动测距按照使用的视觉传感器数量可分为单目视觉、双目视觉和三（多）目视觉三大类。（1）单目视觉单目视觉是指仅利用一台照相机拍摄一张相片来进行测量。因仅需要一台相机，所以该方法的优点是结构简单、相机标定容易，同时还避免了立体视觉的小视场问题和匹配困难问题。（如图2—6所示）图2—6单目视觉测量示意图单目视觉方法又可分聚