Способ бесконтактного измерения трехмерных объектов с помощью тени от тонкого стержня или нити

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и изготовления трехмерных объектов. Заявленный способ бесконтактного измерения трехмерных объектов предусматривает формирование на измеряемой поверхности световых линий, их регистрацию одной либо двумя камерами и дальнейшее определение геометрии объекта с помощью вычислительного устройства. При этом производится формирование на освещенной поверхности темных световых линий, для чего измеряемая поверхность равномерно освещается неподвижным точечным или удаленным источником света, а вблизи поверхности размещается тонкий стержень (или натянутая нить), тень от которого образует указанную темную линию на поверхности объекта и который перемещается вручную относительно поверхности, осуществляя ее сканирование. Причем одна либо две камеры, неподвижные относительно объекта, осуществляют регистрацию теневой линии и передачу этих данных на вычислительное устройство, где происходит вычисление координат точек отсканированной поверхности. Технический результат - уменьшение толщины проецируемых линий, увеличение точности и устранение помех от бликов. 6 ил.

 

Заявленное техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и изготовления трехмерных объектов.

Данное техническое решение реализует принцип подсветки измеряемой поверхности и принцип триангуляции для получения ее точек.

Известен способ (патент №2649420), реализация которого предусматривает данный принцип измерения. Здесь в качестве подсветки используется множество параллельных контрастных линий формируемых проектором.

Наиболее близким из известных по своему назначению является способ, реализованный в патенте №2365876.

Сущность этого способа заключается в формировании на измеряемой поверхности контрастной линии 4, проецируемой источником 1 плоского луча света, регистрации этой линии фотоприемником 2 и определении рельефа поверхности 7 в плоскости луча по степени искривления линии с помощью вычислительного устройства 8. При этом, с целью совмещения всех измеренных сечений в единую поверхность, предусматриваются две опорные линии 6, нанесенные на базовую панель 5, неподвижную относительно измеряемого объекта. (Фиг. 1)

Данный способ выбран в качестве ближайшего прототипа. Недостатком этого способа, а также способа, приведенного выше (2649420) является невозможность получения тонкой световой линии на поверхности объекта в широком диапазоне расстояний до этой поверхности. А, как очевидно, точность измерений напрямую зависит от толщины линии. Кроме того, на блестящих поверхностях могут появляться блики, являющиеся помехой полезному сигналу.

Сущность заявляемого способа заключается в равномерном освещении измеряемой поверхности точечным или удаленным источником света, получении темной линии на этой поверхности за счет тени от тонкого стержня (или натянутой нити), расположенного вблизи этой поверхности и регистрации этой линии фото приемным устройством.

Новизна предлагаемого способа усматривается в том, что с целью повышения точности измерений, а также с целью устранения помех от бликов, используется источник равномерного освещения всей поверхности измеряемого объекта, а тонкая темная линия на поверхности образуется за счет тени от натянутой нити или тонкого стержня, расположенного вблизи этой поверхности.

В качестве удаленного источника равномерного освещения может также использоваться солнечный свет в ясную погоду.

Наличие данных существенных признаков приводит к достижению технического результата, который выражается в повышении точности и надежности измерений.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками не обнаружено.

На Фиг. 2-4 показаны три варианта предлагаемого устройства. Здесь:

1 - точечный источник равномерного освещения измеряемого объекта (например, проектор),

1а - удаленный источник света (например, солнце),

2 - фото приемное устройство (камера),

3 - тонкий стержень, или натянутая нить,

4 - тень от стержня или нити,

5 - базовая плоскость,

7 - измеряемый объект,

8 - вычислительное устройство.

На Фиг. 5 показан процесс измерения устройством, приведенным на Фиг 2. На Фиг. 6 - результат измерения.

Устройство, показанное на Фиг. 2 иллюстрирует вариант с одной камерой. Оно содержит неподвижный точечный источник равномерного освещения 1, неподвижную камеру 2, подвижный стержень (или нить) 3, базовую плоскость 5 и вычислитель 8. Устройство работает следующим образом. С помощью точечного источника света 1 ярко освещают равномерным светом видимую поверхность объекта, одновременно перемещая стержень (или нить) 3 вдоль всей поверхности и производя съемку камерой 2, образующейся при этом, как на базовой плоскости 5, так и на поверхности объекта, теневой линии 4. Теневая линия прямолинейна на участках базовой плоскости и искривляется на поверхности объекта 7, в зависимости от ее кривизны. Результаты съемки поступают на вычислительное устройство 8, где для каждого кадра вычисляется положение теневой плоскости, которая проходит через оптический центр осветителя и прямую линию тени на базовой плоскости, и затем определяются координаты поверхности объекта.

В качестве точечного источника может использоваться, например, импульсный светодиод. В реализованном устройстве на Фиг. 5 в качестве точечного источника равномерного света использовался микропроектор Optoma PK320.

Устройство, показанное на Фиг. 3, отличается тем, что с целью исключения базовой плоскости 5 и, следовательно, устранения неудобств, связанных с ее применением, введена вторая камера 1, которая отстоит от первой на фиксированном расстоянии. Это позволяет вычислительному устройству 8 находить координаты поверхности объекта по результатам анализа изображений теневой линии на объекте с двух камер, не используя изображение на базовой плоскости. В остальном процесс измерения происходит аналогично описанному выше.

Устройство на Фиг. 4, в отличие от устройства на Фиг. 3, использует прямые солнечные лучи 1а, которые являются хорошим удаленным источником равномерного освещения и дают контрастную теневую линию, и, таким образом, не содержит проектора 1.

Способ бесконтактного измерения трехмерных объектов, предусматривающий формирование на измеряемой поверхности световых линий, их регистрацию одной либо двумя камерами и дальнейшее определение геометрии объекта с помощью вычислительного устройства, отличающийся тем, что с целью уменьшения толщины проецируемых линий, увеличения точности и устранения помех от бликов, производится формирование на освещенной поверхности темных световых линий, для чего измеряемая поверхность равномерно освещается неподвижным точечным или удаленным источником света, а вблизи поверхности размещается тонкий стержень (или натянутая нить), тень от которого образует указанную темную линию на поверхности объекта и который перемещается вручную относительно поверхности, осуществляя ее сканирование, при этом одна либо две камеры, неподвижные относительно объекта, осуществляют регистрацию теневой линии и передачу этих данных на вычислительное устройство, где происходит вычисление координат точек отсканированной поверхности.