(1.北京海關(guān)技術(shù)中心,北京 100026；2.上海匯像信息技術(shù)有限公司，上海，200240；3.國(guó)家肉類(lèi)食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京，100068)

1 引言

目前市場(chǎng)上的常見(jiàn)飾品如戒指、耳環(huán)、項(xiàng)鏈等，作為提升現(xiàn)代人氣質(zhì)及陶冶性情的重要載體，越來(lái)越受到現(xiàn)代女性的青睞。為提升飾品的質(zhì)量與使用年限，鎳被廣泛用于飾品的制作與生產(chǎn)中。一定條件下，飾品中所含鎳元素會(huì)進(jìn)入人體，從而影響人體健康如引起接觸性皮炎等[1]，因此國(guó)際上制定了常見(jiàn)飾品的鎳釋放量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。我國(guó)也對(duì)常見(jiàn)飾品的鎳限量、檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法做了明確規(guī)定[3-5]。飾品的鎳釋放量檢測(cè)中，制品的表面積參數(shù)測(cè)定是鎳釋放檢測(cè)工作中的重要技術(shù)組成部分，表面積測(cè)量的準(zhǔn)確性和精密度會(huì)直接影響鎳含量或鎳釋放量的檢測(cè)的準(zhǔn)確性[6]，對(duì)飾品質(zhì)量控制具有重要意義。目前傳統(tǒng)的飾品表面積測(cè)量方法大多為人工測(cè)量：通過(guò)將飾品進(jìn)行區(qū)域分割和形狀近似求取表面積。但由于飾品形狀復(fù)雜多樣，且大多數(shù)飾品體積較小，僅用人工測(cè)量的方法無(wú)法滿(mǎn)足飾品表面積的測(cè)定精密度要求，并且測(cè)量時(shí)步驟繁瑣、測(cè)量效率不高。劉卓欽等利用三維掃描儀測(cè)量仿真飾品的表面積的方法，雖然測(cè)量精度有所提高，但仍存在測(cè)量過(guò)程較為復(fù)雜等問(wèn)題[7]，推廣較為困難。

為了克服上述不足，上海匯像信息技術(shù)有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)不規(guī)則物體表面積測(cè)量問(wèn)題的全自動(dòng)測(cè)定裝置平臺(tái)，又稱(chēng)為3D面積測(cè)定儀。該面積測(cè)定儀設(shè)有基于三維重建技術(shù)的物體表面積精確測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的方法，可對(duì)物體的表面進(jìn)行三維采集重建，進(jìn)而得到物體的表面點(diǎn)云；通過(guò)對(duì)重建出的物體表面的三維點(diǎn)云進(jìn)行分析測(cè)量計(jì)算，可以快速得到物體表面精確的表面積，并一鍵生成檢測(cè)報(bào)告。檢測(cè)報(bào)告中所包含的樣品圖像、數(shù)據(jù)等信息，可以很好的解決人工測(cè)量時(shí)無(wú)法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行追溯的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)將以9種常見(jiàn)飾品為例，同時(shí)利用3D面積測(cè)定儀和傳統(tǒng)的人工方法測(cè)量飾品表面積，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行匯總和分析。

2 儀器介紹

1.1 原理

3D面積測(cè)定儀在進(jìn)行三維測(cè)量時(shí)，先利用雙目相機(jī)采集物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體表面重建，并利用點(diǎn)云優(yōu)化技術(shù)進(jìn)一步獲取物體表面三維模型，最后計(jì)算出物體表面積。該裝置可進(jìn)行批量樣品表面積全自動(dòng)測(cè)定，信號(hào)由USB傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和記錄。

1.2 結(jié)構(gòu)

3D面積測(cè)定儀由三維測(cè)量及計(jì)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)與三維測(cè)量及計(jì)算系統(tǒng)連接，機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)與三維測(cè)量及計(jì)算系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)連接。儀器主機(jī)外觀圖和主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 3D面積測(cè)定儀外觀及結(jié)構(gòu)圖a.設(shè)備外觀圖；b.設(shè)備結(jié)構(gòu)圖(1.結(jié)構(gòu)光發(fā)生器；2. 固定支架；3. 攝像機(jī)；4.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；5.控制電機(jī))

1.3 三維測(cè)量與計(jì)算系統(tǒng)

三維測(cè)量與計(jì)算系統(tǒng)由視覺(jué)處理計(jì)算機(jī)、高精度發(fā)光標(biāo)定板、高清相機(jī)、結(jié)構(gòu)光發(fā)生器或激光發(fā)生器和相應(yīng)軟件組成。視覺(jué)處理計(jì)算機(jī)由高性能計(jì)算機(jī)和相機(jī)觸發(fā)控制器組成，負(fù)責(zé)多相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的同步采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)顯示；高清相機(jī)為雙目高清相機(jī)，通過(guò)相機(jī)觸發(fā)控制器與高性能計(jì)算機(jī)連接；高精度發(fā)光標(biāo)定板采用高精度激光打標(biāo)制作，精度可達(dá)到±0.0001 mm，同時(shí)自帶LED面光源提供照明，亮度均勻，表面經(jīng)漫反射處理，面板無(wú)反光，用于提取高精度的棋盤(pán)格角點(diǎn)；結(jié)構(gòu)光發(fā)生器產(chǎn)生相移、格雷碼或兩種融合的結(jié)構(gòu)光投射到待測(cè)物表面，結(jié)構(gòu)光發(fā)生器可用激光發(fā)生器進(jìn)行替換。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、控制器、軸承與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成，與三維測(cè)量表面積計(jì)算系統(tǒng)連接，用于配合物體多視角圖像數(shù)據(jù)獲取及三維數(shù)據(jù)拼接。視覺(jué)處理計(jì)算機(jī)與控制器相連，并給控制器發(fā)送命令；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)的精度采用激光測(cè)驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)對(duì)貼在轉(zhuǎn)盤(pán)上的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重建反推旋轉(zhuǎn)誤差，進(jìn)行誤差矯正；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)物體轉(zhuǎn)動(dòng)，可使相機(jī)拍攝到待測(cè)物體不同視角的畫(huà)面，以生成不同視角的三維數(shù)據(jù)。將不同視角的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一坐標(biāo)系之下，從而得到目標(biāo)物體的完整三維數(shù)據(jù)。三維數(shù)據(jù)拼接支持志點(diǎn)拼接、無(wú)志點(diǎn)特征拼接和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)拼接3種方式，三種拼接方式相互補(bǔ)充，互相促進(jìn)，使得不同視角三維數(shù)據(jù)能夠高速、高精度拼接。

1.5 機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)柜、固定支架及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，與三維測(cè)量表面積計(jì)算系統(tǒng)及控制系統(tǒng)連接。機(jī)柜內(nèi)安裝有水平、垂直導(dǎo)軌，用于安裝三維測(cè)量系統(tǒng)，并由電機(jī)控制三維測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)；固定支架具有二維自由度，主要起支撐和角度調(diào)節(jié)的作用；多個(gè)相機(jī)支架固定在機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的長(zhǎng)方體形支架上，在距離相機(jī)一定距離處安放結(jié)構(gòu)光或激光發(fā)生器；在固定支架底部安裝一個(gè)二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)三維測(cè)量系統(tǒng)左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。

2 常見(jiàn)飾品表面積的測(cè)定

2.1 材料與設(shè)備

2.1.1測(cè)試樣品

長(zhǎng)期與皮膚接觸的9種常見(jiàn)飾品：耳釘、發(fā)卡、戒指、龍蝦扣、包帶扣、皮帶扣、項(xiàng)鏈、眼鏡、紐扣(圖2)。

2.1.2設(shè)備

PHS620LT型3D面積測(cè)定儀及裝有X-imaging軟件的計(jì)算機(jī)，上海匯像信息技術(shù)有限公司。

2.1.3其他

FC-5型反差增強(qiáng)劑，中國(guó)宏達(dá)公司。

圖2 9種常見(jiàn)飾品a.耳釘；b.發(fā)卡；c.戒指；d.龍蝦扣；e.包帶扣；f.皮帶扣；g.項(xiàng)鏈；h.眼鏡；i.紐扣

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1前處理方法

測(cè)試對(duì)象參考GB/T 28485-2012《鍍層飾品鎳釋放量的測(cè)定磨損和腐蝕模擬法》的要求進(jìn)行處理。飾品的測(cè)量面積按已磨損或使用過(guò)的輪廓做標(biāo)記確定[4]，單位為cm2。對(duì)于由圓線材(d < 3mm)制成的飾品，測(cè)量面積為全部有效面積的投影面積。對(duì)于由圓線材(d≥3mm)制成的飾品，測(cè)量面積可認(rèn)為飾品壓入周?chē)つw達(dá)2mm深，進(jìn)而計(jì)算飾品測(cè)量面積。耳環(huán)等飾品的測(cè)量面積為穿過(guò)皮膚的實(shí)際面積[4]。

2.2.2其他步驟

儀器法測(cè)試時(shí)，表面反光的飾品如戒指、手鐲、項(xiàng)鏈等測(cè)量前需在表面均勻噴涂反差增強(qiáng)劑，保證測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.3 儀器測(cè)試步驟

(1)開(kāi)啟設(shè)備，用標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行設(shè)備穩(wěn)定性檢查(當(dāng)相對(duì)測(cè)量誤差小于±～時(shí)認(rèn)為測(cè)量結(jié)果可信)。

(2)將9種常見(jiàn)飾品放于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中央，啟動(dòng)儀器并設(shè)定曝光時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)(表1)。

(3)使用X-imaging軟件完成一鍵優(yōu)化并計(jì)算飾品表面積，每個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱尾⒂?jì)算平均值。

表1 3D面積測(cè)定儀參數(shù)設(shè)置

2.3 手工測(cè)試步驟

將待測(cè)樣品的表面按形狀不同進(jìn)行區(qū)域分割。利用經(jīng)第三方計(jì)量的游標(biāo)卡尺、卷尺等測(cè)量工具，測(cè)量出待測(cè)樣品不同形狀區(qū)域的長(zhǎng)、寬、高、直徑等尺寸。然后，根據(jù)物體表面不同區(qū)域的實(shí)際形狀，對(duì)每一區(qū)域進(jìn)行表面積近似計(jì)算后，累加所有的區(qū)域，進(jìn)而得到物體的總表面積。每個(gè)樣品手動(dòng)測(cè)量?jī)纱?，?jì)算表面積數(shù)據(jù)的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)量效率對(duì)比

3.1.1操作過(guò)程對(duì)比

在用傳統(tǒng)人工方法測(cè)量飾品的表面積檢測(cè)時(shí)，必須二人一起進(jìn)行。一人負(fù)責(zé)用工具測(cè)量，另一人負(fù)責(zé)監(jiān)督測(cè)量過(guò)程、記錄測(cè)量過(guò)程中的各個(gè)數(shù)據(jù)并計(jì)算。如果僅有一人操作，很有可能會(huì)因?yàn)闇y(cè)量、記錄、計(jì)算的數(shù)據(jù)量過(guò)多而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。而利用3D面積測(cè)定儀測(cè)定制品表面積時(shí)，實(shí)驗(yàn)員只需要對(duì)樣品進(jìn)行處理后放置在儀器工作臺(tái)上，設(shè)置好參數(shù)并點(diǎn)擊測(cè)定后，即可離開(kāi)工作臺(tái)。儀器掃描過(guò)程結(jié)束后，測(cè)試結(jié)果會(huì)自動(dòng)保存在電腦和軟件數(shù)據(jù)庫(kù)之中供實(shí)驗(yàn)人員查閱。實(shí)驗(yàn)人員也可以在其他終端查看所有測(cè)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)測(cè)定步驟進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)儀器測(cè)定時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員的工作量明顯比手工測(cè)試時(shí)減少。

3.1.2測(cè)量平均時(shí)間對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)人員對(duì)樣品表面積的測(cè)定全過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)并統(tǒng)計(jì)后，可以更加直觀的反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)人員用兩種不同方法測(cè)定飾品表面積時(shí)的效率。從圖3中可以看出，在測(cè)定發(fā)卡、戒指、包帶扣、紐扣等形狀相對(duì)比較規(guī)則的飾品時(shí)，人工方法的測(cè)定時(shí)間值比儀器測(cè)定方法稍長(zhǎng)。但在測(cè)定耳釘、龍蝦扣、皮帶扣、眼鏡等形狀復(fù)雜、部件較多的樣品時(shí)，人工方法用時(shí)大幅增長(zhǎng)，而儀器方法的測(cè)定時(shí)間并未明顯增加。并且，通過(guò)統(tǒng)計(jì)兩種方法的用時(shí)，得出儀器平均測(cè)定一個(gè)樣品的消耗時(shí)間為2.2分鐘，人工測(cè)定時(shí)間為22分鐘。因此從效率上來(lái)講，儀器測(cè)定的效率比人工測(cè)量更高。

圖3 儀器測(cè)量與人工測(cè)量時(shí)長(zhǎng)對(duì)比圖

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

儀器測(cè)量結(jié)果和人工測(cè)量結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 儀器測(cè)量結(jié)果

表3 人工測(cè)量結(jié)果

從以上兩數(shù)據(jù)表可以看出，在儀器測(cè)定方法中，只有龍蝦扣結(jié)果的RSD稍大，為5.33%，其他飾品的數(shù)據(jù)的RSD均小于3%。而在人工測(cè)量結(jié)果中，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)以及RSD值，可以發(fā)現(xiàn)RSD的最小值也已經(jīng)達(dá)到了1.37%。而發(fā)卡、龍蝦扣等飾品，測(cè)定結(jié)果的RSD值已經(jīng)達(dá)到16.44%和16.06%，已經(jīng)超過(guò)了實(shí)驗(yàn)可接受的范圍。因此可以看出，儀器測(cè)定表面積時(shí)的數(shù)據(jù)精密度優(yōu)于傳統(tǒng)的手工測(cè)定，可以滿(mǎn)足日常實(shí)驗(yàn)的需求。

4 結(jié)論

在依據(jù)飾品鎳釋放方法對(duì)飾品表面積的測(cè)定中，通過(guò)對(duì)測(cè)定過(guò)程耗時(shí)、測(cè)定數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行對(duì)比表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工測(cè)定表面積， 3D面積測(cè)定儀對(duì)飾品表面積的測(cè)定步驟更加簡(jiǎn)單，節(jié)約更多人力的同時(shí)提高了工作效率，同時(shí)測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。并且，儀器在開(kāi)機(jī)之后可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行校正，能進(jìn)一步的保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，提高數(shù)據(jù)的可靠性。相比較而言，儀器法所測(cè)的數(shù)據(jù)不僅比手工方法更加穩(wěn)定，并且通過(guò)檢測(cè)報(bào)告包含的信息，可以做到對(duì)檢測(cè)樣品和數(shù)據(jù)的溯源，從而保證了檢測(cè)過(guò)程的可追溯性。因此可以得出：在對(duì)飾品鎳釋放的檢測(cè)中，國(guó)產(chǎn)3D面積測(cè)定儀可顯著提升對(duì)樣品表面積測(cè)量的效率，并且檢測(cè)數(shù)據(jù)較人工方法更為可靠，在飾品鎳釋放的日常檢測(cè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。