一种面结构光三维测量系统的不确定度分析评定_李双.pdf
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1、 国外电子测量技术北大中文核心期刊D O I:1 0.1 9 6 5 2/j.c n k i.f e m t.2 2 0 4 4 1 7一种面结构光三维测量系统的不确定度分析评定李 双 王中宇(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院 北京 1 0 0 1 9 1)摘 要:面结构光三维测量方法是一种典型的非接触式测量方法,在扫描测量领域具有广泛的应用,为了定量评估其测量结果的质量、可靠性,需要对不确定度进行评定。结合传统误差分析方法对面结构光测量系统的原理进行探究,采用基于测量系统分析(M S A)方法对不确定度来源进行分析并建立相应的分析模型;针对各不确定度分量设计对应的量化评定方案;分别使用
2、测量不确定度表示指南(GUM)法与自适应蒙特卡洛方法(AMCM)对测量不确定度做出评定,并对评定结果进行分析比较。通过工件尺寸测量不确定度评定实例的结果表明,AMCM的评定结果较GUM法的结果更加可靠。同时,通过验证程序表明,对于本测量任务,在不确定度保留一位有效数字时,GUM法依然适用;但是在不确定度保留两位有效数字时,GUM法未通过验证,说明使用AMCM进行替代是有必要的。关键词:面结构光测量系统;非接触式测量;不确定度评定;自适应蒙特卡洛方法中图分类号:T B 9 2文献标识码:A国家标准学科分类代码:4 6 0.4 0 3 0U n c e r t a i n t y a n a l
3、y s i s a n d e v a l u a t i o n o f a s u r f a c e s t r u c t u r e d l i g h t 3 D m e a s u r e m e n t s y s t e m L i S h u a n g W a n g Z h o n g y u(S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n d O p t o e l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,B e i h a n g U n i v e r s i t y,B e i j i n g
4、1 0 0 1 9 1,C h i n a)A b s t r a c t:S u r f a c e s t r u c t u r e d l i g h t 3 D m e a s u r e m e n t i s a t y p i c a l n o n-c o n t a c t m e t h o d,w i t h a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s i n s c a n n i n g m e a s u r e m e n t f i e l d.I n o r d e r t o q u a n t i t
5、a t i v e l y e v a l u a t e t h e q u a l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s,i t i s n e c e s s a r y t o e v a l u a t e t h e u n c e r t a i n t y.C o m b i n e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l e r r o r a n a l y s i s m e t h o d,t h e p r i
6、n c i p l e o f t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m i s e x p l o r e d.T h e u n c e r t a i n t y s o u r c e s a r e a n a l y z e d b y u s i n g t h e M S A m e t h o d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g m o d e l i s e s t a b l i s h e d.T h e q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o
7、n s c h e m e i s d e s i g n e d f o r e a c h u n c e r t a i n t y c o m p o n e n t,a n d GUM a n d AMCM a r e r e s p e c t i v e l y u s e d t o e v a l u a t e t h e m e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t y,a n d t h e r e s u l t s a r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d.T h e e x p e
8、 r i m e n t o f d i m e n s i o n m e a s u r e m e n t s h o w s t h a t t h e AMCM i s m o r e r e l i a b l e t h a n t h e GUM m e t h o d.A t t h e s a m e t i m e,t h e v e r i f i c a t i o n p r o c e d u r e s h o w s t h a t GUM m e t h o d i s s t i l l a p p l i c a b l e w h e n t h e
9、u n c e r t a i n t y r e t a i n s o n l y o n e s i g n i f i c a n t d i g i t.H o w e v e r,w h e n t h e u n c e r t a i n t y r e t a i n s t w o s i g n i f i c a n t d i g i t s,GUM m e t h o d f a i l s t o b e v e r i f i e d,i n d i c a t i n g t h a t i t i s n e c e s s a r y t o u s e
10、AMCM i n s t e a d.K e y w o r d s:s u r f a c e s t r u c t u r e d l i g h t m e a s u r e m e n t s y s t e m;n o n-c o n t a c t m e a s u r e m e n t;u n c e r t a i n t y e v a l u a t i o n;a d a p t i v e M o n t e C a r l o m e t h o d 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 70 引 言随着精密仪器、精密加工制造等领域的发展,零部组件的结构趋于更
11、加复杂,轮廓的表面形状也趋于不规则,这就对零件三维轮廓的测量提出了更高的要求1。目前,随着机器视觉、图像处理等技术的快速发展,基于光学的非接触式的测量方法有了很大的进展2。面结构光三维测量是一种典型的光学测量技术,具有扫描速度快、精度高、操作简单和环境要求宽泛等优势3。但目前在使用商用面结构光三维扫描测量系统时,通常仅能给出被测量的估计值,而估计值的测量不确定度却很容易被忽视。这样的测量结果不仅是不完整和不可靠的,而且还大大地降低了面结构光测量系统的使用价值。因此对面结构光三维测量系统进行不确定度分析和评定,对于85北大中文核心期刊国外电子测量技术 合理地给出被测对象的性能指标、扫描测量的质量
12、和提高扫描测量的精度都起着至关重要的作用。本文对影响面结构光三维测量系统精度的主要因素进行分析。首先基于传统误差理论和测量系统分析方法(m e a s u r e m e n t s y s t e m s a n a l y s i s,M S A)对可能的不确定度来源进行探究,建立不确定度分析的数学模型;针对模型中的不同分量提出了相应的量化评定方案;其次基于测量不确定度表示指南(g u i d e t o t h e e x p r e s s i o n o f u n c e r t a i n t y i n m e a s u r e m e n t,GUM)方 法 和 自 适 应
13、 蒙 特 卡 洛 方 法(a d a p t i v e M o n t e C a r l o m e t h o d,AMCM)分别建立不确定度评定模型,并且对测量不确定度进行评定;最后给出面结构光三维测量系统的不确定度评定结果。1 测量原理及不确定度来源分析1.1 面结构光测量系统的基本原理面结构光测量系统主要分为图像采集系统与图像处理系统两大部分。其中图像采集系统通常由成一定角度放置的投影仪、一个或两个C C D相机构成;图像处理系统往往借助计算机完成。面结构光测量方法的基本原理是投影仪将某相位信息已知的条纹图案投射到被测物体的表面,因物体表面高度不同,条纹受到不同程度的调制并在物体表
14、面形成调制图像4,图像经表面漫反射后由相机获取,如图1所示。图1 面结构光测量原理图像处理系统通过特定的解相、相位展开和系统标定技术提取到图像中每一点(m,n)对应的相位。根据图像中每一点(m,n)与物体空间坐标(X,Y)之间的映射关系,可建立相位与该点的物体空间位置(X,Y)之间的对应关系。通过测量系统的数学模型建立被测物体表面点的相位与高度信息Z之间的映射关系。进而通过被测物体表面点的相位求解出各点的空间位置坐标(X,Y,Z)。综合以上步骤,可以将面结构光测量原理简化为:=f(Z)=f(m,n)(X,Y)=f(m,n)=f(X,Y,Z)(1)1.2 基于M S A的测量不确定度来源分析基于
15、面结构光测量系统的原理,结合经典误差理论与不确定度理论,可以从测量装置、测量方法及原理、测量环境、测量人员及被测量对象等方面来分析影响测量结果的因素。1)测量装置投影仪引入伽马值导致的非线性响应5、投影光栅图像的质量和光栅条纹的周期数6选择会对测量结果产生影响。相机的非线性响应、高斯噪声7、量化误差、边缘成像质量8、相机参数设置(如灰度参数、曝光时间等)也会对测量结果产生影响。2)测量方法(1)系统测量模型误差由于分析模型的近似性和局限性、测量过程存在复杂的非线性关系等,建立的系统测量模型与实际测量过程不可避免地存在着一定程度的差异,从而导致三维重建数据的误差。(2)测量系统标定误差测量系统几
16、何模型中的未知参数是通过标定来求解出来的,系统标定方法的准确性以及算法的精度都会对标定精度产生影响,进而影响测量系统的精度。(3)软件算法误差测量系统借助软件根据不同图像中的同一特征点进行拼接,图像之间的匹配精度会对最后的测量结果产生影响。同时,软件在处理测量得到点云数据的过程(平滑、优化、补齐、过滤、对齐等)中也可能引入误差9-1 0。3)环境因素环境因素包括温度1 1、电源的变化、振动、光的变化及均匀性1 2等。4)被测对象被测对象中最主要的因素是被测表面的光学特性。若被测表面过于光亮而发生镜面反射,就会导致相机接收不到部分反射光线;即使接收到反射光线,镜面反射也会使相机饱和从而表现为曝光
17、过度,造成解相误差。必要时需要喷涂显像剂进行辅助测量;但是由于显像剂进行本身颗粒的大小且喷涂的不均匀,也会对被测表面轮廓产生干扰1 3。5)测量人员及测量策略(1)参考点粘贴有些面结构光系统在测量时会通过参考点对多次、多方位拍摄的图像进行拼接来构建完整的三维形貌,参考点分布与个数设置的差异可能会对图像间的匹配精度产生影响1 4。(2)测量距离及体积为保证图像拍摄的质量,需要根据测量系统镜头的光圈、焦距等选择合理的测量距离,根据被测对象的尺寸选择合适的测量体积。(3)点云处理策略在使用点云软件处理测量数据的过程中,选取测量数据点、处理策略等的不同可能会对测量结果产生影响。95 国外电子测量技术北
18、大中文核心期刊通过上述分析可以看到,影响测量系统精度的因素很多,这些因素与测量结果之间的传递关系很难确切掌握,并且即使掌握了但影响的程度却难以量化。因而传统的不确定度分析方法难以奏效。基于测量系统分析的量值特性分析方法提供了新思路,并 逐 渐 被 应 用 于 测 量 系 统 不 确 定 度 的 分 析 与 评定1 5-1 6。由于规避了对测量系统复杂模型的建立,忽略了复杂的测量过程与不确定度来源分析,因而大大地降低了面结构光系统测量结果不确定度评定的难度。任何一个测量过程实质上都是一种量值传递的过程,该过程也伴随着误差的传递。误差对测量结果量值的影响就可以通过一系列量值的特征指标来表示,通过对
19、测量结果的特性指标分析同样可以达到不确定度分析之目的,如图2所示。在Q S 9 0 0 0配套手册 测量系统分析 中提出了评价测量系统的分析方法,给出了量值统计特性的6个指标,即偏移、线性、稳定性、分辨力、重复性和复现性。在对测量系统进行不确定度研究时,可以将6个精度指标转化为相应的不确定度分量。这些指标比较全面和充分地体现了各主要误差源对测量结果不确定度的影响程度。图2 测量系统不确定度来源分析流程1)偏移、线性引入的不确定度偏移反映了系统误差分量的综合影响。在设备测量范围内偏移的不同被称为线性。对于面结构光测量系统,主要关注某一具体测量体积内的测量能力,所以虽然偏移和线性是不同的精度指标,
20、但是在面向具体的测量任务时,其对结果的影响可以一并考虑,因此,在进行测量不确定度评定时,这两个分量可以看为一个分量。2)分辨力、重复性引入的不确定度分辨力指测量系统识别并如实反映被测量微小变化的能力。重复性主要反映测量条件不变时随机误差对测量结果的影响(图3)。分辨力对测量结果的重复性测量有影响,在测量不确定度评定中可以只考虑其中较大项。3)复现性、稳定性引入的不确定度复现性主要反映了测量条件改变时的随机误差对测量结果的影响(图4)。稳定性反映测量系统保持其计量特性随时间恒定的能力。在复现性引入的不确定度评定中,改变的测量条件可以包括时间,即包括了稳定性引入的不确定度。因此,在进行面结构光系统
21、测量不确定度评定时,可以只评定复现性引入的不确定度。图3 重复性图4 复现性综上,基于测量系统分析的量值特性方法,面结构光测量系统的不确定度来源主要考虑偏移、重复性、分辨力和复现性,同时可以建立测量系统面向测量任务的不确定度分析模型:Y=y+B+m a x(r,R E)+R(2)式中:Y表示被测量,如被测工件的半径、球径、平面度、轮廓度等;y表示被测量最佳估计值;B表示偏移引入的不确定度;r表示重复性引入的不确定度;R E表示分辨力引入的不确定度;R表示复现性引入的不确定度。不确定度分析模型中的指标能够比较全面充分地体现各主要误差源对于面结构光测量系统不确定度的影响程度,如表1所示。表1 面结
22、构光测量系统的不确定度来源分析不确定度来源来源性质特性指标符号投影仪非线性相机非线性量化误差建模误差软件算法误差测量系统本身的系统误差偏移B图像噪声光照不均匀被测物表面光学特性测量条件不变时的随机误差重复性r分辨力不足分辨力不足导致的随机误差分辨力R E时间效应测量人员测量策略环境短期时间效应导致的随机误差 测量条件变化时的随机误差复现性R06北大中文核心期刊国外电子测量技术 2 测量不确定度评定2.1 不确定度分量的量化评定方案1)偏移引入的不确定度量化评定偏移是测量平均值与参考标准值之差,它反映了测量系统自身的测量能力,而示值误差、探测误差等指标也同样反映系统的测量能力,因此可采用两种方案
23、对偏移进行量化。方法1,采用与被测物体相近的标准器进行示值误差的校准,以示值误差表征测量系统的偏移。例如测量对象是被测物体的长度,可以采用对相近尺寸的标准量块进行测量来标定示值误差使用测量系统对标准器连续多次测量取平均值,示值误差计算如下式:BE=?E-E(3)式中:?E表示平均示值;E表示标准器的标称值。方法2,面结构光系统的尺寸测量能力可以由尺寸测量误差、球间距测量误差等来表示,而形状探测的能力则以探测误差来表征。所以可以参照国际视觉测量系统检测标准V D I/V D E 2 6 3 4-P a r t 31 7来设计偏移的量化试验。(1)基于球间距测量误差量化尺寸测量能力采用球棒作为被测
24、物体,计算测量得到的球间距与参考值之差称为球间距测量误差。标准器可选用陶瓷、钢的或者其他合适的材料,尺寸最好满足Lp0.3L0(L0是测量体积的体对角线的长度)。球间距测量误差用于表征测量系统的长度测量能力,而且球间距测量误差是整个测量体积内的,所以应在多个位置被探究,球棒的位置如图5所示。图5 测量空间内球棒的分布对于所有测量位置,使用定半径拟合法拟合球棒两个球体的球心,并计算在该位置下的球间距。第i个位置的球间距测量误差BLi,为两个球体中心之间距离的测量值与参考值之差:BL i=li-l0(4)式中:li是第i个位置的球间距测量值;l0是球间距参考值。取各位置得到的球间距测量误差绝对值最
25、大值作为球间距测量误差:BL=m a x(BLi)(5)(2)基于球探测误差量化形状测量能力采用标准球作为被测物体,各测量点与最小二乘拟合球球心之间径向距离的变化范围被称为形状探测误差。标准球可以选用陶瓷、钢的或者其他合适的材料,直径最好满足(0.0 20.2)L0。测量时,至少保证在3个不同的任意位置测量被测球体,且在整个测量范围内测量位置的分布尽可能均匀,标准球的位置如图6所示。图6 测量空间内标准球的分布用最小二乘法拟合标准球,所有点到拟合球心距离的最大值rm a xi与 最 小 值rm i ni之 差 为 该 位 置 的 形 状 探 测误差:BP F i=rm a xi-rm i ni
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