基本信息
- 项目名称：
- 三维光学数字化测量系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 随着科技和工业的发展，三维测量技术在反求工程、工业自动检测、古文物保护、质量控制和医学美容等各个领域的应用日益重要。传统测量方法存在着测量速度慢、与物体表面接触、不易操作、应用范围狭窄等缺点。而基于光学全场的三维测量技术由于不和物体表面接触、测量和处理速度快等优点正成为三维检测领域的热点。本作品正是基于这一想法进行相关研究和探索，设计一套三维光学数字化测量系统。
- 详细介绍：
- 随着科技和工业的发展，三维测量技术在反求工程、工业自动检测、古文物保护、质量控制和医学美容等各个领域应用日益广泛。传统测量方法存在着测量速度慢、与物体表面接触、不易操作、应用范围狭窄等缺点。而基于光学全场的三维测量技术由于不和物体接触，测量和处理速度快等优点，正成为三维检测领域的热点。正是基于这样一种想法，我们进行了相关的研究和探索，设计了这套三维光学数字化测量系统。 首先介绍我们设计的基本思路。在传统的相移系统中，条纹通常是通过物理光栅得到，同时条纹图的相位移动也是由光栅的机械移动来实现，利用这种方法得到的数据精度低。而我们设计的系统采用了光学数字条纹投影技术，利用计算机编程和数字投影仪产生和投影高亮度与高对比度的标准正弦条纹，从而提高了系统的分辨率和测量精度。由于利用软件精确控制条纹图间相位移动，避免了传统相移系统带来的各种误差，同时利用软件编程可以产生任意间隔的条纹模式图像。 在得到数字化的条纹图后，利用差频的方法获取展开的相位，并标定系统建立展开相位图和三维数据之间的数学关系，从而获取待测物体的三维形貌。 为了提高该系统的使用性能，我们还利用计算机软件编程，开发了简单实用的应用操作平台，包括数字图像的采集，处理和显示等功能。与其他现有的测量装置相比较，该测量系统具有体积小、便于携带、测量准确、结果精确等优点。 为了检验装置的测量精度，我们在实验室进行了相关的实验，所设计系统测量场的大小为30厘米（宽）x20厘米（高）x10厘米（深），测量精度为40-60 微米，数据处理时间30秒以内，测量数据具有散乱点、网格和光照显示的功能。这些关键数据说明了该测量装置的优良性能。 目前在国内开展对于这种三位非接触测量系统研究的院校还比较少，主要集中在天津大学，华中科技大学和上海交通大学等少数院校，而市场上成熟的产品还比较少，并且这些产品主要是国外的一些品牌，例如德国的GOM公司开发的ATOS系列光栅照相式扫描系统。因此我们这套测量系统的开发具有显著的科技意义和经济意义，并且有良好的市场前景。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 基本思路：本系统采用光学数字条纹投影技术，利用计算机和数字投影仪产生和投影高亮度与高对比度的标准正弦条纹，从而提高系统的分辨率与测量精度。由于利用软件精确控制条纹图间相位移动，避免了传统相移系统带来的各种误差。同时，通过软件编程可产生任意间隔的条纹模式。 创新点：软件编程和光学投影系统相结合产生任意间隔的正弦条纹模式图。 技术关键：利用差频的方法获取展开相位的技术；展开相位图和三维数据之间关系的建立；三维数据的不同显示方式。 主要技术指标：测量场的大小为30厘米（宽）x20厘米（高）x10厘米（深），测量精度为40~60 微米，数据处理时间30秒以内，测量数据的散乱点、网格和光照显示
科学性、先进性
- 在传统的相移系统中，条纹图通常是通过物理光栅得到，同时条纹图的相位移动也是由光栅的机械移动实现，从而利用此种方法得到的数据精度低。而本系统利用计算机软件编程产生不同间隔的标准正弦条纹模式，通过数字投影仪投影高亮度与高对比度的条纹模式到待测物体表面，从而提高系统的分辨率与测量精度（测量精度可以达到40到60微米）。同时结合计算机软件编程，开发了简单实用的应用操作平台，包括数字图像的采集、处理和显示等功能。与其他现有的测量装置相比较，我们的测量装置具有体积小，便于携带，测量准确，结果精确等显著特点。同时使用的范围比较广泛，适合于各种传统测量装置无法准确测量的场合。
获奖情况及鉴定结果
- 获得河北工业大学2011大学生课外科技作品学术竞赛校级一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 作品实物，相关学术论文，ppt,现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本测量系统的技术优势主要体现在采用了数字相移条纹投影技术，测量具有非接触、精度较高以及快速的特点。与传统的测量技术相比，该系统测量范围广，尤其是在测量一些体积小，或者质地松软的物体，具有明显的优势。同时本系统简化了三维光学测量仪器的结构，具有体积小，装置简单，便于携带等多种优点，具有明显的经济意义，适合于进行大规模的正规化生产。目前市场上类似的成熟产品还比较少，因此本套系统具有很大的开发前景。
同类课题研究水平概述
- 光学三维形貌测量系统是是近年来发展迅速并得到广泛应用的一种全新的测量系统，该系统具有使用方便、操作简单、测量快速等特点。这种科技含量高、技术先进的产品，目前主要由英国、德国、日本等国外大公司所垄断。例如德国Steinbichler公司的COMET-400激光三维扫描仪，精度达到0.02mm，并且具有体积小，便于携带的特点。德国GOM公司的ATOS系列光栅照相式扫描系统，是目前中国市场上比较常见的光学扫描系统。目前国内开展三维非接触测量的院校，主要有清华大学、华中科技大学、天津大学、四川大学和上海交通大学等，目前市场上销售的成熟产品还比较少，而且以国外产品为主。
