СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ОБЪЕКТА
METHOD FOR NONCONTACT MEASUREMENT OF SHAPE OF OBJECT

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пассивной фотометрии, и может быть использовано для бесконтактного измерения геометрии трехмерных объектов.
Известен способ определения координат точек и ориентации участков поверхности тела сложной формы [патент RU №2162591, МКИ G01B 11/24, G01B 11/16, опубл. 27.01.2001], включающий размещение плоских меток на контролируемых участках поверхности тела сложной формы и получение изображения меток. В качестве меток используют элементы одинаковой формы и размеров. Восприятие изображения поверхности тела сложной формы осуществляют оптическим фиксирующим прибором, например видеокамерой. Сравнивая изображения метки и эталонной метки, расположенной таким образом, что координаты всех точек метки известны, судят о координатах точек поверхности тела сложной формы, а также об ориентации участка поверхности, на котором расположена метка, учитывая угол его наклона. Технический результат: повышение эффективности определения координат точек и ориентации участков поверхности тела сложной формы путем упрощения анализа результатов измерений воспринимаемого изображения этой поверхности.
Недостатком данного способа является малый диапазон применения. При определении формы криволинейных поверхностей снижается точность, необходимо увеличение числа меток, размещаемых на контролируемых участках поверхности.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ использования фотометрической стереометрии по модели-примеру ["Example-Based Photometric Stereo: Shape Reconstruction with General, Varying BRDFs” // Aaron Hertzmann, Steven M. Seitz, IEEE 2005], включающий предобработку объекта и модели-примера с известной геометрией (например, сферы), получение изображений объекта и модели-примера. С помощью программной обработки изображений объекта и модели-примера производят сравнение оптических показателей участков поверхностей объекта и модели-примера. По результатам сравнения оптических показателей участков поверхностей объекта и модели-примера устанавливают форму объекта. Предобработка объекта и модели представляет собой равномерное нанесение краски на всю поверхность объекта и модели-примера соответственно.
Равномерное нанесение краски на всю поверхность объекта для последующего установления формы данного объекта не подходит, например, для объектов с мелкими деталями, что ограничивает диапазон применения данного способа. Другим недостатком данного способа является зависимость точности установления формы объекта от качества окраски: степени неравномерности окрашивания и толщины слоя краски, а также от степени освещенности объекта и модели-примера и чувствительности оптического фиксирующего прибора. Кроме того, уменьшает точность степень отклонения реальной формы модели-примера от формы, используемой в вычислениях.
Задача изобретения заключается в расширении диапазона применения способа и увеличении точности измерения формы объекта путем изменения процедуры предобработки объекта и программной обработки изображений поверхностей объекта.
Поставленная задача достигается тем, что способе бесконтактного измерения формы объекта, заключающемся в том, что на этапе предобработки формируют опорную искусственную текстуру поверхности объекта, представляющую собой совокупность плоских меток, в произвольном порядке нанесенных на выделяемый участок поверхности и/или совокупность плоских меток, наносимых по контуру выделяемого участка поверхности, при этом на мелкие детали поверхности объекта наносят дополнительное число плоских меток, размер и плотность которых зависят от чувствительности оптического фиксирующего устройства, затем при помощи оптического фиксирующего устройства, установленного с возможностью перемещения вокруг измеряемого объекта, получают его изображения, причем координаты оптического фиксирующего устройства для каждого получаемого изображения известны, после чего при помощи сопоставления оптических характеристик всех изображений объекта находят координаты каждой распознанной точки объекта на различных изображениях и по результатам сопоставления определяют форму объекта, при этом вычисление координат конкретной точки производят при помощи определения центра области нахождения данной точки, полученной вычитанием друг из друга областей нахождения данной точки по различным изображениям объекта, а область нахождения каждой точки по каждому изображению вычисляют с учетом данных о координатах оптического фиксирующего устройства для каждого получаемого изображения.
Способ бесконтактного измерения формы объекта осуществляется в несколько этапов.
Первоначально, на этапе предобработки формируют опорную искусственную текстуру, представляющую собой совокупность плоских меток, нанесенных на участок измеряемой поверхности объекта.
В зависимости от цели нанесения плоских меток на участок поверхности объекта различают по крайней мере два вида опорной текстуры поверхности объекта:
1. Для изменения оптических свойств участка поверхности используют сплошную опорную текстуру, представляющую собой совокупность плоских меток, в произвольном порядке нанесенных на выделяемый участок поверхности. Использование сплошной опорной текстуры позволяет проводить измерения формы объекта с прозрачными, отражающими и другими неудобными для методов пассивной фотометрии поверхностями. В отличие от полного окрашивания, нанесение сплошной текстуры при достаточной разреженности элементов позволяет сохранить текстуру поверхности.
2. Для выделения участка поверхности объекта используют контурную опорную текстуру, представляющую собой совокупность плоских меток, наносимых по контуру выделяемого участка поверхности. Применение контурной опорной текстуры служит для фиксирования на снимках вершин, граней, плоскостей, скруглений с постоянным радиусом и т.п., которые будут учитываться при проведении измерений, построении модели измеряемого объекта в системах компьютерного моделирования.
Размер плоской метки должен быть пропорционален размеру данного участка поверхности объекта.
При этом на мелкие детали поверхности, где требуется большая точность измерения, наносят дополнительное число плоских меток, размер и плотность которых зависят от чувствительности оптического фиксирующего прибора.
Затем с помощью оптического фиксирующего устройства, установленного с возможностью перемещения вокруг измеряемого объекта, производят съемку измеряемой поверхности объекта, при этом координаты оптического фиксирующего устройства для каждого получаемого изображения известны.
После получения изображений поверхностей измеряемого объекта в ходе программной обработки при помощи сопоставления оптических характеристик изображений находят координаты каждой распознанной точки объекта на различных снимках и по результатам сопоставления определяют форму объекта
С учетом данных о координатах оптического фиксирующего устройства для каждого получаемого изображения вычисляют область нахождения каждой точки по каждому изображению, где она была распознана. Вычисление координат конкретной точки производят при помощи определения центра области нахождения данной точки, полученной вычитанием друг из друга областей нахождения данной точки по различным изображениям объекта и в результате получают данные о форме объекта в виде облака координат точек.
На фиг.1, а представлен измеряемый объект; на фиг.1, б - измеряемый объект со сплошной текстурой; на фиг.1, в - измеряемый объект с контурной текстурой;
на фиг.1, г - измеряемый объект, подготовленный к измерению, с нанесенными на его поверхность сплошной и контурной текстурами.
Пример конкретного выполнения способа.
Измеряемый объект (см. фиг.1, а) представляет собой стеклянную вазу с прозрачными криволинейными стенками. Условно поверхность объекта можно разделить на прозрачную (гладкий участок) и непрозрачную (узор на поверхности вазы в виде выпуклых волнистых линий).
На всю прозрачную поверхность измеряемого объекта (см. фиг.1, б) в произвольном порядке наносят плоские метки в виде красных точек, изготовленные из непрозрачного матового материала.
Производят выделение примитивов формы (вершин, граней и т.п.) и узор на поверхности измеряемого объекта (см. фиг.1, в) путем нанесения на контур выделяемого участка поверхности плоских меток в виде линий, наносимых красящим веществом красного матового цвета.
В результате предобработки (см. фиг.1, г) получают измеряемый объект, с нанесенной на его поверхность сплошной и контурной текстурами.
С помощью оптического фиксирующего устройства, установленного с возможностью перемещения вокруг измеряемого объекта, расположенного на горизонтальной базовой поверхности (стол), получают изображение поверхностей объекта. При этом расстояние между оптическим фиксирующим устройством и измеряемым объектом известно.
Далее, при помощи программной обработки, сопоставляют все полученные изображения объекта и с учетом данных о координатах оптического фиксирующего устройства для каждого получаемого изображения вычисляют область нахождения каждой распознанной точки по каждому изображению. Производят вычисление координат конкретной точки при помощи определения центра области нахождения данной точки, полученной вычитанием друг из друга областей нахождения данной точки по различным изображениям объекта. Получают данные о форме объекта в виде облака координат точек.