一種不易接觸物體體積測量儀.doc

一種不易接觸物體體積測量儀 王克權(quán)戴鵬飛滕道祥張寧張騰苗永康 （徐州工程學(xué)院，江蘇徐州221111） 【摘要】介紹了一種體積測量儀，該測量儀可以在不接觸被測物體的情況下測量物體的體積。該測量儀首先對物體進(jìn)行四次激光掃描獲得物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后由計(jì)算機(jī)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建物體的三維模型，最后，由三維模型計(jì)算物體體積。 關(guān)鍵詞激光掃描；三維重建；體積測量 前言 體積測量是生產(chǎn)、科研中常用的技術(shù)手段。對于規(guī)則物體，如長方體，圓柱體，球等可以直接測量和計(jì)算。對于不規(guī)則的物體無法直接通過直接測量來計(jì)算體積。通常通過間接的方法來測量，如基于阿基米德原理的排水法等。但是，對于容易損壞、具有吸水性或易與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有毒有害物體，不能夠應(yīng)用排水法來測量體積。 本文所述的測量儀是基于逆向工程的一種體積測量方法，該方法通過三維激光掃描技術(shù)重建物體的三維模型。三維激光掃描技術(shù)具有速度快，非接觸性，實(shí)時(shí)性精度高，自動(dòng)化等特性1。本文介紹的體積測量儀可以在不接觸被測物體的情況下，通過重建被測物體的三維模型，間接的來測量被測物體的體積。本文著重介紹了用于物體三維重建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，物體的三維重建和體積計(jì)算可以直接由軟件完成。 1系統(tǒng)原理 系統(tǒng)框圖如圖1所示，物體體積計(jì)算共需三步。首先，控制激光器對物體的四個(gè)面進(jìn)行掃描，獲取物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建物體的三維模型；最后，再由計(jì)算機(jī)根據(jù)重建的三維模型計(jì)算物體的體積。 本文使用的激光掃描系統(tǒng)是基于結(jié)構(gòu)光法2，將一字形的激光照射到被測物體上形成光條紋，再由攝像頭獲取圖像信息，然后用軟件提取圖像中的光條紋信息，并對條紋中心進(jìn)行提取，由此得到物體一個(gè)面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使物體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90并再次掃描，獲得物體第二個(gè)面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟，直至獲得物體四個(gè)面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 接下來用獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建物體的三維模型。運(yùn)用DAVID軟件由攝像頭傳送的圖像信息獲取三維點(diǎn)云信息，并實(shí)現(xiàn)物體的三維模型重建。DAVID是一種低成本桌面式三維激光掃描系統(tǒng)，其系統(tǒng)核心是處理軟件。 最后，運(yùn)用Rhino軟件根據(jù)重建的三維模型，計(jì)算物體的體積。 2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取是通過攝像頭將激光掃描的圖像實(shí)時(shí)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理獲得物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了從二維的圖像中獲得物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先要對攝像頭進(jìn)行標(biāo)定，攝像機(jī)的標(biāo)定是研究二維圖像上的點(diǎn)與空間物體表面對應(yīng)的某點(diǎn)的三維幾何位置的對應(yīng)關(guān)系3，攝像頭的標(biāo)定可以由DAVID軟件完成，獲得的標(biāo)定參數(shù)用于求解三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 標(biāo)定完成之后，根據(jù)獲得的標(biāo)定參數(shù)運(yùn)用激光三角法求解三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)4。通過控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)和激光器的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對物體四個(gè)面的掃描。 圖像采集時(shí)，首先，按下掃描按鍵，MCU微處理器接收到命令后控制激光掃描模塊對物體進(jìn)行掃描，攝像頭采集掃描信息，并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。然后，按下旋轉(zhuǎn)按鍵，MCU微處理器接收到命令后控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90，接下來重復(fù)上述步驟，直至激光器對被測物體進(jìn)行四次掃描。并由攝像頭將四次掃描的圖像信息實(shí)時(shí)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。 .2物體的三維重建與體積計(jì)算 計(jì)算機(jī)根據(jù)送至的圖像數(shù)據(jù)，使用DAVID軟件對圖像信息進(jìn)行處理，獲得物體的三維重建模型，如圖2所示，左側(cè)為被測物體，右側(cè)為三維重建模型。 最后根據(jù)重建的三維模型，使用Rhino軟件求出模型的體積，從而間接求得被測物體的體積。 3測量結(jié)果 接下來使用該體積測量儀和排水法分別測量被測物體的體積，結(jié)果見表1。V1為排水法測得的物體體積，V2為測量儀測得的物體體積。 從圖3可知，該測量儀的測量值均略大于排水法的測量值，主要原因是測試儀器為手工制作，制作精度較差，導(dǎo)致誤差較大。從圖4可知，總體上隨著被測物體體積的增加，相對誤差逐漸減小。 4結(jié)論 本文介紹了一種不易接觸物體的體積測量儀，該測量儀能夠精確測量不易接觸物體的體積。使用該儀可以防止在測量過程中損壞被測物體。 參考文獻(xiàn) 畢銀麗,齊禮帥,陳書琳,等.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的株冠體積測量方法J.科技導(dǎo)報(bào),xx,31(27):31-36.DOI:10.3981/j.issn.1000-7857.xx.27.004. 任卿,刁常宇,魯東明,等.基于結(jié)構(gòu)光的文物三維重建J.敦煌研究,xx(5):102-106.DOI:10.3969/j.issn.1000-4106.xx.05.022. 付培.低成本三維激光掃描儀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),xx.