一种基于圆锥阵列校准的线激光三角测量方法，用于测量自由曲面，且该方法不受运动设备精度的限制

《Optics and Lasers in Engineering》：A cone array calibration-based line laser triangulation method for freeform surface measurement independent of motion device precision

基于圆锥阵列校准的线激光三角测量方法提出并实验验证，通过实时校准消除运动精度对测量结果的影响，实现复杂曲面高精度单次扫描测量。

　　在自由曲面测量领域，线激光三角测量是一种广泛应用的技术，能够通过单次扫描获取高精度的深度信息。然而，整个测量过程中对扫描路径的严格限制却显著影响了测量性能。本文提出了一种基于锥形阵列标定目标的新型线激光三角测量方法。通过利用这种标定目标，可以实时校准线激光相机的位置，从而实现单相机的表面测量。这一方法的重要特点是，其测量精度不再依赖于线激光相机的运动精度和安装精度。本文提供了该方法可行性的严谨数学证明，并详细阐述了完整的测量流程。为了验证所提出的方法，研究团队利用计算机辅助技术构建了一个完整的测量平台，并进行了广泛的实验测试。结果表明，锥形阵列标定方法能够有效地进行表面测量，为在空间受限或容易受到干扰的环境中提供高精度的测量解决方案。

在现代制造过程中，越来越多的复杂自由曲面加工任务成为常态，例如流线型船体、舵面、螺旋桨和飞机机翼等。相较于传统的几何曲面（如平面、阶梯面、圆柱面和球面），自由曲面的制造和测量需要更先进的技术手段。然而，传统的测量方法通常依赖于接触式采样来评估表面精度，这限制了对整个表面进行全面评估的能力。此外，这些方法往往需要大量的手动干预，阻碍了数据采集和后续处理的自动化进程。它们还难以与CAX（计算机辅助设计、制造和检测）生态系统良好集成，因此无法建立涵盖设计、制造和检测的完整闭环流程。

基于机器视觉的测量技术能够获取三维数据并生成三维模型，这一过程通常被称为三维重建技术。该领域已成为计算机视觉研究的核心内容，推动了视觉测量技术的发展与应用。1997年，Varady等人将三维重建方法分为接触式和非接触式两大类。2005年，Isgro等人进一步将非接触式方法细分为主动式和被动式。主动式视觉技术通过向场景投射结构光，然后分析投影信息以确定光源与目标物体表面之间的相对位置，从而实现三维重建。常见的主动视觉技术包括结构光、飞行时间（TOF）和激光三角测量。结构光方法具有紧凑的设计、高分辨率和高精度的优势，但其对计算资源的需求较高，且在大范围的重建过程中，精度往往会下降，从毫米级到微米级不等。近年来，结构光测量成为重要的研究方向。为了适应日益多样化的结构光成像模式，研究者投入了大量努力，通过算法优化来提升分辨率、改善重建精度并降低计算复杂度。这些进展使得结构光技术能够广泛应用于各类工业和科研场景。

飞行时间（TOF）技术广泛应用于雷达、声呐和激光雷达系统，能够获取低分辨率和精度的深度图，无法满足需要高质量、密集深度信息的应用需求。其精度通常处于毫米级别。相比之下，激光三角测量能够提供微米级别的测量精度，使其成为一种高精度的测量方法，与坐标测量机（CMM）相媲美。该技术对目标场景的要求较低，操作简单直观，且图像重建依赖于基础的矩阵空间变换，计算复杂度相对较低。然而，其更广泛的应用却受到对扫描路径的严格要求的限制，这成为了一个显著的瓶颈。这一限制不仅限制了激光三角测量系统的部署，也阻碍了线激光三角测量技术的进一步发展。即使像结构光方法一样，持续进行优化和改进，线激光三角测量固有的优势在实际应用中仍难以完全实现。

基于主动视觉的线激光三角测量方法利用激光的高能量密度和窄带宽特性，能够在单次扫描中实现亚毫米至微米级别的高精度深度测量。该技术操作简单直观，具有显著优势。然而，在测量整个物体的表面时，所获得的深度信息会受到相机运动的影响，因为激光线投影器是刚性地连接在相机上的。这种影响导致对激光扫描路径提出了严格的限制。为了在统一的坐标系统中获取物体的轮廓信息，需要进行空间变换，而这依赖于相机的运动参数（即位置）。因此，需要高精度的运动设备来确保线激光相机的运动轨迹精确。常见的解决方案包括使用高精度运动系统移动相机，或者采用多相机配置，但这些方法在成本和空间布局方面都存在较大挑战。即使运动设备本身具有高精度，运动误差和安装误差仍然不可避免，这对复杂自由曲面的测量精度产生显著影响。此外，外部干扰也可能改变相机的姿态，引入进一步的误差。

在视觉测量系统中，相机校准对于提高成像精度至关重要。在各种校准方法中，使用标定物体的传统方法是最常采用的。具体而言，基于三维标定物体的校准方法依赖于已知的三维空间位置信息来进行校准。当前关于三维校准的研究主要集中在相机成像校准上，这需要高精度的校准点和严格的制造标准，从而导致较高的成本。因此，基于三维校准的方法在实际应用中较少使用，仅在特定应用中被采用。本文介绍了一种基于线激光三角测量的创新自由曲面测量技术，利用特殊形状的锥形参考物体进行三维测量，这种方法被称为锥形阵列校准方法。与传统的三维校准方法不同，该方法直接利用锥形参考物体进行测量，避免了依赖相机成像校准所带来的限制。通过利用标定物体的优越性能，该方法不仅最大化了系统的价值，还提供了一种成本效益高的解决方案。所提出的方法使用单个线激光相机，并直接利用锥形参考物体进行校准，确保测量精度不受相机运动参数或安装精度的影响。因此，系统不再依赖运动设备来获取相机姿态信息，从而缓解了传统线激光三维重建所施加的限制。这种方法消除了对昂贵高精度运动设备的需求，降低了对相机安装和运动精度的依赖，显著缩小了测量系统的整体体积。因此，它特别适用于在狭小空间中的高精度测量。通过保持单次测量的超高精度并消除对相机运动参数的依赖，该技术使得对复杂自由曲面的现代超高精度测量成为可能。

本文提出的方法基于锥形阵列校准器，采用非接触式线激光三角测量方式。该方法利用线激光相机向物体表面投射高能激光线，从而在相机的视野中产生光迹，进而计算物体表面的深度坐标。通过使用锥形阵列校准器实时校准线激光相机的位置，可以准确地确定激光平面在世界坐标系中的位置。这一过程的关键在于，通过校准目标的几何特性，能够提供精确的参考点，从而提升整个测量系统的准确性。同时，这种方法避免了传统线激光测量中对运动设备的依赖，使得测量过程更加灵活和高效。

在测量平台的构建方面，锥形阵列校准方法通过将光学平面移动并与其相交，获取椭圆形的截面数据。不同的椭圆曲线对应于不同的光平面位置信息。由于完整的曲线信息是通过椭圆拟合技术获得的，因此需要确保在光平面移动过程中，椭圆曲线能够发生显著变化。这种变化对于准确提取物体表面的深度信息至关重要。因此，有必要研究在不同光平面位置下椭圆曲线的变化规律，从而优化测量过程的精度和稳定性。

为了验证锥形阵列校准方法的准确性，本文基于上述虚拟测量平台进行了实验测量和精度分析。根据锥形阵列校准方法的测量原理和流程，进行了光学平面求解、变量标定测量和复杂表面测量等实验。这些实验不仅验证了该方法的可行性，还评估了其在不同场景下的测量精度。实验结果表明，该方法能够在复杂自由曲面的测量中保持较高的精度，同时减少对运动设备和安装精度的依赖，从而在实际应用中展现出显著的优势。

在实验过程中，首先进行了光学平面求解的实验。为了评估三维重建的准确性，最直观的方法是可视化重建结果。通过将锥形阵列校准目标投射到物体表面，并利用线激光相机捕捉光迹，可以精确计算出物体表面的深度坐标。在这一过程中，校准目标的几何形状和分布对光迹的捕捉和深度信息的提取起到了关键作用。实验结果表明，通过使用锥形阵列校准目标，可以有效提高光学平面求解的精度，从而提升整个测量系统的可靠性。

此外，本文还进行了变量标定测量和复杂表面测量的实验。这些实验验证了锥形阵列校准方法在不同场景下的适用性。通过调整锥形阵列校准目标的位置和角度，可以获取不同位置下的光迹信息，从而实现对复杂自由曲面的全面测量。实验结果表明，该方法能够有效处理不同曲率和形状的自由曲面，同时保持较高的测量精度。这种能力使得锥形阵列校准方法在实际应用中具有广泛的前景，尤其是在空间受限或环境复杂的情况下。

综上所述，本文提出了一种基于锥形阵列校准目标的线激光三角测量方法，该方法能够有效提高测量精度，同时减少对运动设备和安装精度的依赖。通过利用锥形参考物体的几何特性，该方法在保持高精度的同时，降低了成本，提高了系统的灵活性和适用性。这种技术不仅适用于现代制造中的复杂自由曲面测量，也为在狭小空间或干扰较多的环境中提供了新的解决方案。未来，随着该方法的进一步优化和应用，其在工业检测、产品质量控制和精密制造等领域的价值将得到更充分的体现。