李玥華 周京博 劉利劍

摘要：線結(jié)構(gòu)光傳感器由線激光器和相機(jī)組成，通過(guò)分析拍攝的調(diào)制光條圖像獲得被測(cè)對(duì)象的輪廓數(shù)據(jù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、非接觸、效率高、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。從光條圖像質(zhì)量控制及中心提取、傳感器標(biāo)定、多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器協(xié)同測(cè)量、傳感器和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸結(jié)合4個(gè)方面對(duì)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了綜述，概括了目前線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)研究和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并指出進(jìn)一步提升測(cè)量精度、增強(qiáng)測(cè)量的適應(yīng)性，以及研制基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的智能測(cè)量系統(tǒng)是線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：光學(xué)技術(shù)與儀器； 線結(jié)構(gòu)光傳感器；中心提?。粋鞲衅鳂?biāo)定；協(xié)同測(cè)量；運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸

中圖分類號(hào)：TB92文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：20171205；修回日期：20180103；責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51705130）；河北省自然科學(xué)基金（E2016208084）；河北省教育廳青年基金（QN2015123）

第一作者簡(jiǎn)介：李玥華（1983—），女，河北邯鄲人，講師，博士，主要從事線結(jié)構(gòu)光測(cè)量及復(fù)雜曲面加工方面的研究。

通信作者：周京博講師，博士。Email：zhoujingbo@hebust.edu.cn

李玥華，周京博，劉利劍. 線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（2）：115124.

LI Yuehua， ZHOU Jingbo， LIU Lijian. Research progress of the line structured light measurement technique[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：115124.Research progress of the line structured light measurement technique

LI Yuehua， ZHOU Jingbo， LIU Lijian

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract： Line structured light sensor （LSLS） is composed of a laser line projector and a camera. The profile data of the measured object can be obtained by analyzing the perturbed stripe images captured by the camera. The sensors have the advantages of simple construction， low cost， noncontact， high efficiency and flexible application. Thus， they have gained extensive application prospects in research and industry. The measuring technique by use of the LSLSs is reviewed in four aspects as quality control of stripe images and center extraction， sensor calibration， collaborative measurement via multiple sensors， and the integration of the sensor with motion axes. The current problems in the research and the application of this measuring technique are summarized， and the future research trends can be concluded as further improving the measuring accuracy， enhancing the sensor adaptability， and developing the structured light sensor based intelligent measuring system.

Keywords：optical technique and instrument； line structured light sensor； center extraction； sensor calibration； collaborative measurement； motion axes

形狀測(cè)量是對(duì)物體進(jìn)行定位、質(zhì)量評(píng)價(jià)、逆向制造的關(guān)鍵，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、藝術(shù)品保護(hù)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的需求[12]。測(cè)量方式通常可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)量主要以坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為手段，控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量頭與被測(cè)對(duì)象接觸時(shí)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)記錄當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果不受被測(cè)對(duì)象表面光學(xué)特性的影響，其主要有成本高、速度慢、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格等不足[3]。非接觸式測(cè)量主要以光電、電磁、超聲技術(shù)為基礎(chǔ)，在測(cè)量設(shè)備不與被測(cè)對(duì)象發(fā)生接觸的情況下獲取表面的幾何信息[4]。結(jié)構(gòu)光測(cè)量是非接觸式測(cè)量研究中的一個(gè)重要方向，它具有原理簡(jiǎn)單、速度快、柔性好、精度適中等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[57]。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2018年第2期李玥華，等：線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展結(jié)構(gòu)光傳感器采用激光三角原理，根據(jù)投射到被測(cè)表面光強(qiáng)圖樣的不同可分成3類，如圖1所示。激光位移傳感器通過(guò)將激光點(diǎn)投射到被測(cè)表面，分析像點(diǎn)在感光元件上的位置變化，得到被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于傳感器的距離，但每次只能測(cè)量一個(gè)位置點(diǎn)[8]。線結(jié)構(gòu)光傳感器將線光條投射到被測(cè)表面，分析經(jīng)由被測(cè)表面調(diào)制得到的變形光條圖像，獲得被測(cè)表面的二維輪廓[9]。光柵投影傳感器通常采用投影儀將光柵圖形投射到被測(cè)表面上，通過(guò)分析由被測(cè)表面調(diào)制得到的光柵圖像直接得到表面的三維面形[10]。

相對(duì)于激光位移傳感器，線結(jié)構(gòu)光傳感器單次測(cè)量可得到被測(cè)輪廓的二維數(shù)據(jù)，測(cè)量效率得到了顯著提高。光柵投影傳感器無(wú)需與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相結(jié)合即可直接得到被測(cè)表面的三維數(shù)據(jù)，當(dāng)采用高速投影儀和攝像機(jī)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)三維測(cè)量，在工業(yè)生產(chǎn)和科研中具有重要的應(yīng)用前景[1112]。光柵投影測(cè)量需要對(duì)投影圖案編碼，并對(duì)拍攝的編碼圖像進(jìn)行解碼運(yùn)算，成本及圖像處理的復(fù)雜程度相對(duì)于線結(jié)構(gòu)光傳感器均顯著增加[13]。線結(jié)構(gòu)光傳感器每幅圖像只包含1條光條圖案，圖像處理算法也更為簡(jiǎn)單，但其只能獲得被測(cè)對(duì)象表面的一條二維輪廓數(shù)據(jù)，為得到被測(cè)對(duì)象的三維表面其至少需要與一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸相結(jié)合。很多時(shí)候由于被測(cè)表面對(duì)光條圖案的遮擋，光柵投影傳感器亦必須與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸相結(jié)合，并將從多個(gè)角度測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，才能獲得完整的被測(cè)表面[14]。點(diǎn)云拼接算法復(fù)雜、計(jì)算量大，精度難以保證[15]。線結(jié)構(gòu)光傳感器單次測(cè)量可獲得一條二維輪廓，雖獲取的數(shù)據(jù)量小于面結(jié)構(gòu)光傳感器，但遠(yuǎn)大于點(diǎn)激光位移傳感器，其組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)量速度快，易于與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相集成，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面完整測(cè)量的理想選擇。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量過(guò)程是：將光條投射到被測(cè)對(duì)象表面，采用相機(jī)拍攝光條圖像，提取光條中心，根據(jù)光條中心的像素坐標(biāo)計(jì)算被測(cè)輪廓的世界坐標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于復(fù)雜截面廓形的測(cè)量需要將多個(gè)傳感器組合成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)三維曲面測(cè)量則需要將單個(gè)傳感器與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)結(jié)合。因此，線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)的研究可主要分為以下4個(gè)方面：光條圖像質(zhì)量控制及中心提取、傳感器標(biāo)定、多個(gè)傳感器協(xié)同測(cè)量及傳感器與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的結(jié)合。

1.1光條圖像質(zhì)量控制及中心提取

拍攝具有良好質(zhì)量的光條圖像是實(shí)現(xiàn)中心精確提取的前提，尤其是對(duì)高反光表面的測(cè)量，獲得高質(zhì)量的光條圖像比較困難。近年來(lái)，為保證光條圖像質(zhì)量，ZHANG等[16]通過(guò)控制曝光時(shí)間得到多幅光條圖片，進(jìn)而將圖片進(jìn)行融合以得到改善質(zhì)量后的光條圖像；EKSTRAND等[17]通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象表面分析預(yù)估曝光時(shí)間，獲得較好的光條圖像；BABAIE等[18]通過(guò)分析捕獲到的光條圖像，并在像素級(jí)別上實(shí)時(shí)調(diào)整投影光條的強(qiáng)度，使圖像達(dá)到理想的測(cè)量效果；YANG等[19]通過(guò)增加可控的LCoS（liquid crystal on silicon）來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)大動(dòng)態(tài)范圍的成像；宋佳等[20]通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)激光光條的強(qiáng)度保證對(duì)電路板錫膏測(cè)量時(shí)光條圖像的質(zhì)量；唐瑞尹等[21]則通過(guò)雙樹(shù)小波變換的方法調(diào)節(jié)光條強(qiáng)度，使線結(jié)構(gòu)光相對(duì)于背景有較好的高低能量比。圖像質(zhì)量控制的目的就是為光條中心的可靠、準(zhǔn)確提取打下基礎(chǔ)。

相機(jī)拍攝的線結(jié)構(gòu)光圖像中，光條寬度通常為幾個(gè)到幾十個(gè)像素，而輪廓計(jì)算時(shí)僅需要光條中心像素坐標(biāo)，提取光條中心是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的關(guān)鍵步驟[22]。根據(jù)所提取光條中心坐標(biāo)的最小單位，算法可分為像素級(jí)中心提取算法和亞像素級(jí)中心提取算法。極值法為一種像素級(jí)中心提取算法，其選擇每個(gè)光條截面上灰度值最大的像素點(diǎn)作為中心點(diǎn)，算法簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算效率高，不足之處為精度低、對(duì)噪聲點(diǎn)敏感[23]。方向模板法[24]和改進(jìn)的方向模板法[25]計(jì)算得到的光條中心也為像素級(jí)別，其能顯著降低噪聲對(duì)中心提取結(jié)果的影響，但是提取時(shí)圖像像素與方向模板間的大量互相關(guān)運(yùn)算限制了計(jì)算效率的提高。

隨著對(duì)測(cè)量精度要求的提高，亞像素級(jí)的光條中心提取算法逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。灰度重心法是一種常用的亞像素提取算法，具有算法簡(jiǎn)單、編程容易等優(yōu)點(diǎn)，其不足之處在于對(duì)噪聲較為敏感，對(duì)光滑對(duì)象輪廓的測(cè)量結(jié)果通常也非常粗糙[2627]。Steger方法采用 Heissen矩陣獲得光條的中心法向量，進(jìn)而通過(guò)泰勒展開(kāi)求得光條中心的亞像素坐標(biāo)[28]。 為采用Steger方法得到的亞像素光條中心，其在光條與背景對(duì)比度較好的情況下，中心提取結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種中心提取算法。其不足之處為中心提取結(jié)果對(duì)特征值閾值的選取比較敏感，且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，通常難以滿足光條實(shí)時(shí)提取的需求。QI等[29]對(duì)Steger方法光條中心提取結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了研究，并通過(guò)優(yōu)化的高斯核函數(shù)進(jìn)一步提高光條中心的提取精度，其不足之處在于計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且必須要求光條截面能量為高斯分布形式。針對(duì)Steger方法計(jì)算效率低的問(wèn)題，孫軍華等[30]提出一種基于卡爾曼濾波和Hessian矩陣相結(jié)合的光條中心提取方法，此方法通過(guò)減小計(jì)算時(shí)選定的圖像區(qū)域，使得每幀提取時(shí)間可縮小到1.6 ms。蔡懷宇等[31]采用主成分分析確定線結(jié)構(gòu)光初始中心點(diǎn)的法線方向，進(jìn)而利用二階泰勒展開(kāi)求得條紋中心的精確位置，相對(duì)于Steger方法，此方法的速度得到了顯著提升。

基于高斯拉普拉斯變換的曲線擬合方法也可以用來(lái)提取光條的中心，此方法假定光條截面的灰度值為對(duì)稱分布，但是光條截面的灰度值并非都是對(duì)稱分布[32]。USAMENTIAGA等[33]在提取每個(gè)光條截面中心時(shí)，以此截面為中心沿像素列方向選定一個(gè)固定大小的窗口，如圖3[34]中的R1所示，在此窗口內(nèi)采用灰度重心法計(jì)算光條中心點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而通過(guò)分割與多項(xiàng)式擬合完成對(duì)光條的提取，提取結(jié)果如圖3所示。由于窗口方向不是光條的法線方向，計(jì)算得到的光條中心相對(duì)于Steger方法存在較大的偏差。LI等[34]提出了一種基于移動(dòng)最小二乘的改進(jìn)的灰度重心法（IGWM），其通過(guò)移動(dòng)最小二乘準(zhǔn)確計(jì)算出了光條上每一個(gè)點(diǎn)的方向量和曲率值，并據(jù)此構(gòu)建了沿法向量的自適應(yīng)窗口，如圖3中的R2所示，顯著提高了光條中心的提取精度。江永付等[35]對(duì)采用加權(quán)灰度重心法得到的線結(jié)構(gòu)光中心點(diǎn)采用三次多項(xiàng)式曲線進(jìn)行擬合，得到了光滑的光條中心亞像素坐標(biāo)，提高了中心提取的精度?；诨ハ嚓P(guān)的曲線擬合法[36]和多尺度分析法[37]能夠顯著提高光條中心提取的魯棒性，但是通常由于算法復(fù)雜，光條中心提取所需要的時(shí)間較長(zhǎng)。光條方向引導(dǎo)法通過(guò)給定光條提取的起始點(diǎn)，并沿著此起始點(diǎn)搜索下面光條中心點(diǎn)的坐標(biāo)，能夠顯著提高計(jì)算的效率，但是初始點(diǎn)的確定過(guò)程較為復(fù)雜，不合理的初始點(diǎn)的選取將會(huì)影響光條中心提取的結(jié)果[38]。

上述光條中心提取算法的研究極大地推動(dòng)了線結(jié)構(gòu)光傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程，但由于應(yīng)用場(chǎng)合的差異和被測(cè)量對(duì)象表面光學(xué)特性的不同，在特定情況下需要選擇不同的算法才能達(dá)到較好的提取結(jié)果。開(kāi)發(fā)精度更高、計(jì)算效率更好、可靠性更強(qiáng)的光中心提取算法，依然是線結(jié)構(gòu)光傳感器研究中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定技術(shù)

系統(tǒng)標(biāo)定是線結(jié)構(gòu)光測(cè)量研究的核心問(wèn)題，標(biāo)定的目的是得到線結(jié)構(gòu)光傳感器從像素坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的參數(shù)變換矩陣，實(shí)現(xiàn)光條中心像素坐標(biāo)到被測(cè)輪廓世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。早期的標(biāo)定方法中比較有代表性的有拉絲法[39]、微分標(biāo)定法[40]、消隱點(diǎn)法[41]、鋸齒靶標(biāo)法[42]、雙重交比不變法[43]等。拉絲法獲得的標(biāo)定特征點(diǎn)較少，特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)誤差較大，影響了標(biāo)定精度。微分標(biāo)定法通過(guò)二維工作臺(tái)帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)塊運(yùn)動(dòng)時(shí)CCD像面上的位置差實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器參數(shù)的標(biāo)定，其測(cè)量結(jié)果相對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果誤差小于0.15 mm。消隱點(diǎn)法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，可避免繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，簡(jiǎn)化標(biāo)定過(guò)程，保證標(biāo)定精度，其靜態(tài)標(biāo)定精度可達(dá)±0.03 mm。上述兩種方法尚未考慮鏡頭的畸變，限制了傳感器測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。鋸齒靶標(biāo)法則需要對(duì)傳感器姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)整，使激光平面與棱線相垂直，因此操作較為復(fù)雜。雙重交比不變法中所需的靶標(biāo)制作復(fù)雜，成本較高，限制了其在工業(yè)應(yīng)用中的推廣。上述早期的線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法雖然存在一定的不足之處，但是對(duì)線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。韓建棟等[44]基于三點(diǎn)透視模型實(shí)現(xiàn)了傳感器標(biāo)定，方法簡(jiǎn)單、快速，平均相對(duì)測(cè)量誤差約為0.72%。劉震等[45]通過(guò)將靶標(biāo)在不同位置擺放兩次以上，激光投射器在平面靶標(biāo)上形成光條，計(jì)算圖像坐標(biāo)，求解光條的 Plucker矩陣，然后采用非線性優(yōu)化方法得到結(jié)構(gòu)光平面方程的最優(yōu)解。該方法使光條上所有的點(diǎn)參與運(yùn)算，精度較高，但計(jì)算復(fù)雜，標(biāo)定結(jié)果直接依賴于光條物理特性參數(shù)。孫軍華等[46]先由靶標(biāo)上的特征點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的圖像點(diǎn)求得同射變換矩陣，再求解光條上的點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，但如何求得同射變換矩陣仍是標(biāo)定的關(guān)鍵。

近年來(lái)，WEI等[47]提出了基于消隱點(diǎn)和消隱線的標(biāo)定方法，在200 mm×200 mm范圍內(nèi)標(biāo)定誤差優(yōu)于0.09 mm。陳天飛等[48]提出了一種基于共面靶標(biāo)的線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法，通過(guò)多次移動(dòng)共面靶標(biāo)，計(jì)算不同方向激光條紋直線的消隱點(diǎn)，并對(duì)其擬合得到光平面的消隱線，完成光平面法向標(biāo)定。LIU等[49]基于平行圓柱的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法所能達(dá)到的標(biāo)定精度為0.07 mm，與基于平面靶標(biāo)的標(biāo)定方法相當(dāng)。此外LIU等[50]通過(guò)分析光平面與標(biāo)準(zhǔn)球的相交輪廓并求解非線性優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，精度可達(dá)0.04 mm。陸敏恂等[51]提出采用雙重虛擬圓以標(biāo)定激光平面，此方法采用的基本原理仍為交比不變?cè)?。吳慶華等[52]通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明即使在標(biāo)定時(shí)考慮鏡頭徑向、切向畸變，仍不能完全消除畸變對(duì)測(cè)量的影響。為了進(jìn)一步提高標(biāo)定的精度，鄒媛媛等[53]采用標(biāo)準(zhǔn)量塊制作標(biāo)定靶標(biāo)，并結(jié)合精密工作臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，但量塊倒角反光所引起的特征點(diǎn)提取誤差、插值誤差等對(duì)標(biāo)定精度產(chǎn)生了重要影響。LI等[54]提出了一種線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)值標(biāo)定方法，此方法通過(guò)對(duì)標(biāo)定靶標(biāo)圖像的三角剖分，直接建立了像素坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的映射關(guān)系，避免了相機(jī)鏡頭的畸變對(duì)結(jié)果的影響，有效保證了測(cè)量精度。目前，在不降低精度的情況下，如何使標(biāo)定過(guò)程更加簡(jiǎn)單，求解更容易，更易于現(xiàn)場(chǎng)使用和維護(hù)，并充分考慮鏡頭畸變的影響是結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定需要研究的問(wèn)題。

1.3多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器協(xié)同測(cè)量技術(shù)

線結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)復(fù)雜廓形測(cè)量時(shí)，為保證結(jié)果的完整性，通常采用多個(gè)相機(jī)從不同角度拍攝光條或采用多個(gè)傳感器協(xié)同完成測(cè)量。肖華軍等[55]提出了采用一個(gè)激光光條和兩個(gè)相機(jī)拍攝相同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)輪廓測(cè)量的方法，并給出了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相機(jī)圖像融合的方法。王鵬等[56]通過(guò)雙線投影模型，實(shí)現(xiàn)了具有2個(gè)相機(jī)和1個(gè)激光器的線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定，其在工作范圍內(nèi)的測(cè)量精度優(yōu)于0.08 mm。ZHOU等[57]給出了一種基于平面靶標(biāo)的線結(jié)構(gòu)光傳感器數(shù)值標(biāo)定方法，并通過(guò)將兩個(gè)傳感器集成到一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形截面的精確測(cè)量。ZHAN等[58]采用多組線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車隧道的測(cè)量，其在水平和垂直方向上的最大偏差分別為-1.47 mm和1.43 mm，能夠滿足隧道工程的測(cè)量精度要求。黃風(fēng)山等[59]采用兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形連鑄坯截面的測(cè)量，進(jìn)而與長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，滿足了連鑄坯現(xiàn)場(chǎng)定重的需求。高巖等[60]采用兩個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)火車車輪廓形參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，得到了車輪直徑、輪緣厚、輪輞寬等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)車輪質(zhì)量評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。TIAN等[61]采用4個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)截面廓形的測(cè)量，給出了標(biāo)定方法，并對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行了分析，其測(cè)量誤差優(yōu)于5 mm。MOLLEDA等[62]采用4個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了鐵軌截面的完整測(cè)量，給出了基于圓柱陣列的標(biāo)定方法，系統(tǒng)最大測(cè)量誤差優(yōu)于0.12%。王中亞等[63]采用4個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了熱軋圓鋼截面輪廓及直徑的在線測(cè)量，給出了一種快速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，系統(tǒng)對(duì)圓鋼直徑的測(cè)量精度可達(dá)0.2 mm。馬旭等[64]采用4個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)密封條360°截面輪廓的在線監(jiān)測(cè)，并設(shè)計(jì)了用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的立體靶標(biāo)，給出了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方法。李濤濤等[65]采用一個(gè)線激光光源與多個(gè)相機(jī)相結(jié)合，有效擴(kuò)大了傳感器的測(cè)量尺度，通過(guò)圖像配準(zhǔn)得到了不同相機(jī)間的變換矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的融合。

系統(tǒng)標(biāo)定是多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器協(xié)同測(cè)量的核心問(wèn)題，即確定各傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而能夠?qū)⒚總€(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到一個(gè)相同的世界坐標(biāo)系當(dāng)中。被測(cè)截面的大小、復(fù)雜程度不同，則為了實(shí)現(xiàn)完整測(cè)量所需要的傳感器的個(gè)數(shù)也不同。通常截面輪廓越大、截面復(fù)雜程度越高，所需要的傳感器的個(gè)數(shù)也就越多，系統(tǒng)標(biāo)定和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理就會(huì)越復(fù)雜。

1.4線結(jié)構(gòu)光傳感器與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的結(jié)合

每次測(cè)量時(shí)線結(jié)構(gòu)光傳感器只能獲得被測(cè)對(duì)象的一條截面輪廓，而工業(yè)中應(yīng)用的許多重要的零件（例如渦輪葉片、整體葉輪等）均為具有復(fù)雜面型的整體式曲面，故為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的完整、高精度測(cè)量，必須要將線結(jié)構(gòu)光傳感器與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相結(jié)合。在線結(jié)構(gòu)光傳感器與運(yùn)動(dòng)復(fù)合研究方面，周會(huì)成等[66]通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鏡片掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)零件三維尺寸的快速測(cè)量。SON等[67]將線結(jié)構(gòu)光傳感器與一維直線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)逆向工程應(yīng)用的自由曲面的測(cè)量。線結(jié)構(gòu)光傳感器與一維直線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合時(shí)，傳感器沿激光平面法向方向運(yùn)動(dòng)，依次獲取自由曲面上的二維輪廓，如圖4所示[67]。王中任等[68]將線結(jié)構(gòu)光和維直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的三維測(cè)量，對(duì)齊平均誤差為0.065 mm，最大對(duì)齊殘差為0.145 mm。CARBONE等[69]將線結(jié)構(gòu)光傳感器與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自由曲面的測(cè)量，為逆向工程設(shè)計(jì)提供了對(duì)象的三維數(shù)據(jù)模型。李鵬飛等[70]將線結(jié)構(gòu)光傳感器與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體進(jìn)行了測(cè)量，其測(cè)量的最大正向誤差為0.118 mm，最大負(fù)向誤差為0.095 mm。GESTEL等[71]圖4傳感器與直線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合

Fig.4Integration of the sensor with linear motion

圖5傳感器與4個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸相結(jié)合

Fig.5Integration of the sensor with four motion axes

給出了一種基于CMM的線結(jié)構(gòu)光傳感器評(píng)價(jià)方法，并對(duì)一商品化的線結(jié)構(gòu)光傳感器的精度進(jìn)行了評(píng)定，在對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定后測(cè)量誤差在10 μm左右。ISHEIL等[72]提出了通過(guò)測(cè)量機(jī)械樣件實(shí)現(xiàn)對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器進(jìn)行校正的方法，在對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量時(shí)通過(guò)將線結(jié)構(gòu)光傳感器和一維直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)相結(jié)合完成樣件表面三維數(shù)據(jù)的獲取。

為進(jìn)一步提升結(jié)果的完整性，XIE等[73]通過(guò)將線結(jié)構(gòu)光傳感器與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和以一旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜零件的完整測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示[73]，此外他們還將線結(jié)構(gòu)光傳感器與5個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸相結(jié)合，給出了系統(tǒng)標(biāo)定的方法[74]。OZAN等[75]采用2個(gè)激光器與單個(gè)相機(jī)構(gòu)成線結(jié)構(gòu)光傳感器，并與兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，雖然線激光器的增加能夠在一定程度上減小光條被遮擋所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失程度，但是測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性還有待提高。MARANI等[76]通過(guò)將線結(jié)構(gòu)光傳感器與一維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)絲錐三維形貌的測(cè)量。SANTOLARIA等[77]將線結(jié)構(gòu)光傳感器與關(guān)節(jié)臂測(cè)量系統(tǒng)集成到一起，給出了系統(tǒng)集成的方法。ZHOU等[78]通過(guò)圓柱樣件將線結(jié)構(gòu)光傳感器與一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺旋曲面的三維測(cè)量。實(shí)現(xiàn)傳感器與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相結(jié)合所要解決的問(wèn)題就是標(biāo)定傳感器測(cè)量坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的個(gè)數(shù)越多，測(cè)量系統(tǒng)的靈活度就會(huì)越大，越容易保證被測(cè)表面結(jié)果的完整性，但其標(biāo)定方法也越復(fù)雜。

2當(dāng)前研究存在的問(wèn)題

線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量時(shí)，光條圖像質(zhì)量受被測(cè)表面光學(xué)特性影響，描述光束與粗糙表面相互作用的Nayar模型如圖6 a）所示，被測(cè)對(duì)象的表面光潔度越高，反射光在彌散區(qū)的能量就越小，在主鏡面反射區(qū)能量就越大。如果相機(jī)拍攝的是彌散區(qū)，光條圖像就會(huì)非常微弱，如果拍攝主鏡面反射區(qū)就可能出現(xiàn)飽和，因此測(cè)量角度會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生重要影響，如圖6 b）所示。此外，被測(cè)對(duì)象還可能遮擋光條，導(dǎo)致無(wú)法獲取被測(cè)截面的數(shù)據(jù)，如圖6 c）所示。

圖6線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題

Fig.6Problems of the line structured light measurement technique

線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)目前存在的問(wèn)題主要可總結(jié)為以下3個(gè)方面。

1）測(cè)量精度有待進(jìn)一步提高測(cè)量精度是線結(jié)構(gòu)光傳感器的一個(gè)核心指標(biāo)。目前線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量精度通常在十幾到幾十微米之間，滿足了許多對(duì)精度要求不高的測(cè)量需求，例如零件表面殘缺檢測(cè)、汽車蒙皮三維形貌測(cè)量等。但其難以滿足對(duì)精密齒輪的廓形、螺桿空壓機(jī)螺桿的齒形線、精密模具等有嚴(yán)格公差要求零件的測(cè)量。目前上述零件的測(cè)量主要為以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的接觸式測(cè)量，存在測(cè)量設(shè)備昂貴、效率低、環(huán)境要求苛刻等問(wèn)題。如果線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量精度能夠被提高至與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相當(dāng)，將會(huì)極大地推進(jìn)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。

2）測(cè)量的適應(yīng)性不強(qiáng)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)屬于視覺(jué)測(cè)量的范疇，準(zhǔn)確獲取調(diào)制光條圖像是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的基礎(chǔ)。不同被測(cè)對(duì)象具有不同的材質(zhì)、表面粗糙度、幾何形狀等，這些均會(huì)影響光條圖像的質(zhì)量。尤其是對(duì)具有不同反光強(qiáng)度的零件表面，當(dāng)被測(cè)表面反光性較好時(shí)，光條圖像會(huì)出現(xiàn)飽和，反之所拍攝的光條圖像灰度值過(guò)低，甚至難以完成對(duì)中心的提取。除此之外，在對(duì)內(nèi)孔、V型槽等進(jìn)行測(cè)量時(shí)，孔的內(nèi)部和V型槽的底部會(huì)由于光的多次反射出現(xiàn)干擾光斑，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，環(huán)境中還可能存在其他各種光源。干擾光不僅會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響，甚至可能直接導(dǎo)致測(cè)量的失敗。

3）復(fù)雜零件測(cè)量的智能性不足線結(jié)構(gòu)光傳感器必須與其他的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的三維測(cè)量，被測(cè)曲面復(fù)雜程度越高，所需要結(jié)合的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸個(gè)數(shù)越多。目前所研發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)，在測(cè)量時(shí)通常需要人工編寫運(yùn)動(dòng)程序，使被測(cè)對(duì)象相對(duì)線結(jié)構(gòu)光傳感器產(chǎn)生要求的運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的掃描。對(duì)于所需要控制的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)較少的簡(jiǎn)單曲面，如沖壓模具等單側(cè)曲面，通常只需控制1～3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸即可實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于整體渦輪葉片的整體測(cè)量，則需要結(jié)合更多的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，通過(guò)合理調(diào)整傳感器的測(cè)量位置和姿態(tài)，才能避免測(cè)量某些區(qū)域時(shí)葉片上的其他部分對(duì)光條的遮擋，這使得測(cè)量軌跡的規(guī)劃也變得更為復(fù)雜。并且測(cè)量前被測(cè)對(duì)象的幾何參數(shù)通常是未知的，難以編寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)程序，也無(wú)法保證測(cè)量結(jié)果的完整性。

3研究展望

線結(jié)構(gòu)光傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)量速度快、易于與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，在科研和生產(chǎn)中有巨大的需求。根據(jù)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量過(guò)程和應(yīng)用場(chǎng)合，本文從線結(jié)構(gòu)光光條質(zhì)量控制和光條中心提取、線結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定、多個(gè)線結(jié)構(gòu)光傳感器協(xié)同測(cè)量和線結(jié)構(gòu)光與其他運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的融合4個(gè)方面分析了線結(jié)構(gòu)光測(cè)量研究的現(xiàn)狀，總結(jié)了線結(jié)構(gòu)光傳感器研究當(dāng)前存在的測(cè)量精度需進(jìn)一步提升、測(cè)量適應(yīng)性不強(qiáng)、測(cè)量系統(tǒng)智能性不足等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，認(rèn)為未來(lái)的研究方向如下。

1）進(jìn)一步提升線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量精度精度是線結(jié)構(gòu)光傳感器的核心指標(biāo)，提升傳感器的測(cè)量精度是線結(jié)構(gòu)光傳感器研究的核心問(wèn)題。開(kāi)發(fā)具有微米/亞微米測(cè)量精度的線結(jié)構(gòu)光傳感器，將會(huì)極大促進(jìn)線結(jié)構(gòu)光傳感器在科研和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。為進(jìn)一步提升測(cè)量精度，在測(cè)量原理上可嘗試將線結(jié)構(gòu)光激光三角測(cè)量原理與全息測(cè)量等干涉測(cè)量方法相融合，在硬件上可開(kāi)發(fā)光條更細(xì)、更直、均勻程度更好的線激光器，使用更高分辨率的相機(jī)、畸變更小的鏡頭等。除此之外，還應(yīng)繼續(xù)研究更高精度的亞像素光條中心提取算法，開(kāi)發(fā)更高精度的標(biāo)定方法，研究測(cè)量誤差在測(cè)量系統(tǒng)中的產(chǎn)生和傳播規(guī)律等。

2）增強(qiáng)線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量適應(yīng)性 增強(qiáng)線結(jié)構(gòu)光傳感器測(cè)量的適應(yīng)性，就是將其改進(jìn)為智能傳感器。傳感器首先能夠?qū)λ臄z到的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制，以達(dá)到理想的光條拍攝效果。為此，可根據(jù)光條截面的能量分布特性，建立光條質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，分析在不同的激光光強(qiáng)、曝光時(shí)間、相機(jī)模擬增益和傳感器曲面相對(duì)位姿等多可控參數(shù)下所獲光條的優(yōu)劣，得到光條質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)與傳感器可控參數(shù)之間的聯(lián)系規(guī)律，通過(guò)建立自適應(yīng)控制模型，使傳感器的多個(gè)可控系統(tǒng)參數(shù)能夠根據(jù)不同表面的反光特性自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而獲取具有良好質(zhì)量的線結(jié)構(gòu)光圖片，為光條中心的高精度提取打下良好的基礎(chǔ)。

3）研制智能線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng) 智能線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一鍵式測(cè)量，極大地提高使用的便捷性。測(cè)量基礎(chǔ)為線結(jié)構(gòu)光傳感器與多軸運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，這就要準(zhǔn)確標(biāo)定傳感器坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，并通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)樣件及傳感器樣件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，完成將傳感器與多軸系統(tǒng)的集成，研究標(biāo)準(zhǔn)樣件的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)樣件的測(cè)量方案和標(biāo)定算法對(duì)標(biāo)定精度的影響規(guī)律。分析在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，圖像采集延時(shí)對(duì)測(cè)量精度的影響，并對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償，從而保證測(cè)量精度。通過(guò)建立曲面的完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)，預(yù)測(cè)每次測(cè)量后空缺部分曲面的位姿參數(shù)，在傳感器測(cè)量范圍、坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)范圍、不發(fā)生干涉等多約束條件下自動(dòng)規(guī)劃測(cè)量軌跡，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)測(cè)量。

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