JJF 1951-2021 基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范 高清晰版

中华人民共和国国家计量技术规范1基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范Dsg8发布 8实施国家市场监督管理总局 发布1基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范Dgg

1归 口 单 位:全国几何量长度计量技术委员会主要起草单位:航空工业北京长城计量测试技术研究所中国计量科学研究院北京航天计量测试技术研究所参加起草单位:浙江省计量科学研究院航空工业沈阳飞机工业集团)有限公司北京天远三维科技有限公司高慕光学测量技术)有限公司M)海克斯康测量技术青岛)有限公司宝力机械有限公司本规范由全国几何量长度计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:王继虎航空工业北京长城计量测试技术研究所)王为农中国计量科学研究院)甘晓川航空工业北京长城计量测试技术研究所)刘 柯北京航天计量测试技术研究所)参加起草人:茅振华浙江省计量科学研究院)刘洪霞航空工业沈阳飞机工业集团)有限公司]李仁举北京天远三维科技有限公司)赵 亮术司M]王 晋海克斯康测量技术青岛)有限公司]顾青柏宝力机械有限公司)目 录引言………………………

Ⅱ)1范围……………………2术语和定义……………3概述……………………4计量特性………………5校准条件………………1操作模式和环境条件………………2校准用软件…………3校准用标准器………………………6校准项目和方法………………………

1)1)1)2)3)3)3)3)3)1球形状探测误差F,尺寸探测误差S ……

3)2平面形状探测误差F ……………

4)3球心距测量示值误差D…………7校准结果的处理………………………8复校时间间隔…………

5)6)6)附录A 球心距测量示值误差不确定度评定示例……

7)附录B 校准证书内页格式……………

9)Ⅰ引 言0国家计量校准规范编写规则1通用计量术语及定义》和2测量不确定度评定与表示》共同构成本校准规范修订工作的基础性系列规范。本规范部分采用2光学三维测量系统:第2部分:基于区域扫描的光学系统》D:na8光学三维测量系统:第3部分:基于区域扫描的多视角系统》D:ewna)的内容。其中,球形状探测误差、尺寸探测误差、平面形状探测误差、球心距测量示值误差等计量特性及校准方法与上述标准一致。本规范为首次发布。Ⅱ基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范范围本校准规范适用于基于结构光扫描的光学三维测量系统以下简称结构光测量系统的校准。术语和定义下列术语和定义适用于本规范。点云数据] d]测量获得的用于表征轮廓特征,且彼此关联的空间坐标点的集合。球棒 l通过刚性结构连接的两个直径相同的球型标靶构成的标准器。球板 e由一系列直径不等的标准球及固定底板固连组成的标准量具。结构光t向被测轮廓表面投射的具有确定图案的光束。球形状探测误差mrPF测量点和拟合球之间径向距离的统计变化范围。尺寸探测误差rPS通过点云拟合获得的标准球直径与参考值之差。平面形状探测误差mrF在点云拟合平面垂直方向上,点云中所有点之间距离的最大值。球心距测量示值误差rSD两球之间球心距的测得值与参考值之差。概述结构光测量系统是一种非接触测量设备,通过向被测物体表面投射结构光,并通过采集被测物体表面结构光图形的点云,计算获得被测物体表面轮廓特征。结构光测量系统主要由相机含镜头组、结构光投射装置、标定板和测量软件等组成。典型的结构光测量系统组成如图1所示。结构光测量系统分为单视角系统

、多视角系统

。单视角系统指测量时不改变结构光1测量系统与被测物体的相对位置的结构光测量系统。多视角系统指测量时,通过改变结构光测量系统与被测物体的相对位置,从被测物体的不同方向采集点云,并将所有点云变换到统一的坐标系进行数据处理的结构光测量系统。多视角系统可以是在被测物体的不同方向安装的多个结构光测量子系统组成,也可以是通过移动单视角系统到被测物体的不同方向构成。)基于条纹图案投射系统的结构光测量系统 )基于激光图案投射系统的结构光测量系统图1结构光测量系统的基本组成示意图计量特性计量特性见表。

表1计量特性及校准用标准器序号计量特性校准用标准器技术参数单视角系统多视角系统1球形状探测误差F尺寸探测误差)标准球直径推荐使用S++2球心距测量示值误差F)球棒单视角系统:球心距不小于测量范围短边的。多视角系统:不小于测量范围最短边的,不大于测量范围对角线的3++3平面形状探测误差D)标准平面工作面尺寸不小于S×0m+-S单视角结构光测量系统测量范围立方体的空间对角线长度,由制造厂商给出。LM多视角结构光测量系统测量范围立方体的空间对角线长度,由制造厂商给出。通常LM不小于2LS。+”表示应进行此项校准,-”表示不进行此项校准。2校准条件操作模式和环境条件校准前,需要对操作模式进行设置,包括照明的类型和亮度、测量范围、系统用传感器的类型、数量和分布等。环境条件,包括环境的振动,背景光、环境温度及其均匀性、变化率等,应在不确定度评定中进行考虑。同时,不应有影响测量的其他环境因素。校准用软件校准过程中应使用设备的配套数据采集和数据处理软件。设定图像采集处理的点间距、快门时间、稀疏点云参数、剔除率、拟合算法等。注:需要稀疏点云时,应按照使用说明书进行。如果制造商未规定这些参数,则不进行稀疏点云。剔除率设定为3。除厂商明确规定外,拟合算法推荐采用最小二乘法。校准用标准器校准用标准器应由陶瓷、

钢、铝或其他刚性材料制成

,应具有漫反射表面

非体积散射。校准不同计量特性所使用的标准器见表。由标准器参考值及其不确定度带来的对校准结果影响,考虑。校准项目和方法球形状探测误差PF,尺寸探测误差根据表1选择适当直径标准球。

应在不确定度评定中进行标准球应采用适当的方式固定,避免因不稳定引入测量误差。单视角系统图2同一标准球在测量范围内的不同位置在测量范围内大致均匀分布在n0个位置安装标准球,参见图。测量标准球,3得到标准球表面的点云数据。分别对各测量位置的点云进行计算,得到拟合球。所有点到拟合球心距离的最大值与最小值之差为该位置的球形状探测误差i:ixn )拟合球的直径i与测量球直径参考值r之间的差为该位置的尺寸探测误差i:ii-r取各位置中形状探测误差和尺寸探测误差最大者,尺寸探测误差的测量结果:

)分别作为球形状探测误差和F=i) ): S=i) )式中i表示测量位置的序号i=,…。多视角系统标准球应位于测量范围内至少n=3个位置,

并且应在每个位置从不少于5个不同方向测量标准球,见图3,以使点云应尽可能完整地覆盖标准球的表面。每个位置,

图35个测量方向示意图利用所有单幅图像的点云共同计算得到该位置的公共拟合球

。计算这些点云中每个点到公共拟合球球心的距离。FS计算方法见,公式)~公式i表示测量位置的序号i=,…。平面形状探测误差F根据表1选择适当尺寸的标准平面。单视角系统测量系统光轴平行于z轴方向

标准平面应在所有测量位置垂直于z平面。标准平面在测量空间的至少6个不同位置安装,如图4所示。4标准平面平行于参考框架的y平面在测量空间中前部、中部)和后部标准平面平行于对角线H)和C标准平面在测量范围的一条体对角线上,例如H。图4测量平面形状探测误差的推荐排列测量得到标准平面工作面的点云数据,计算每个测量方向的最佳拟合平面。分布在拟合平面两侧的点,到拟合平面单侧距离最大值的代数和,作为该位置平面形状探测误差ii表示测量位置的序号。取各位置中最大值,作为平面形状探测误差F的测量结果:: , F=i) )式中i表示位置的序号i=,…。球心距测量示值误差单视角系统根据表1选择适当长度的球棒。 。球心距测量示值误差SD应在整个测量范围7个不同位置分别测量所示布置和测量标准器。测量空间边的平行线2和在测量空间的前面、后面)和一个侧面)的一条对角线上;在测量空间的一条体对角线)上。图5测量球心距测量示值误差的推荐排列

建议按照图55对于所有测量位置,用定半径拟合法,拟合所有球心位置。计算球棒在每个位置的球心距,球心距测量示值误差i,是测量值i与被测长度校准值r之差。取各位置中绝对值最大者

iir,作为球心距示值误差的测量结果:

): ,D=i) )式中i表示位置的序号i=,…。多视角系统根据表1选择适当长度的球棒。 。球心距测量示值误差SD应在整个测量范围7个不同位置分别测量所示布置和测量标准器。

建议按照图5对于所有测量位置,用定半径拟合法,拟合所有球心位置。每个视角取每个球棒中的一个球心坐标。计算球棒在每个位置的球心距时,每个位置球棒的两个球心坐标应从不同的视角测量结果中获得。球心距示值误差的计算方法见。校准结果的处理经校准的结构光测量系统出具校准证书,校准证书应符合0中2的要求,其中校准结果及其不确定度部分列出校准项目及数据,并注明点间距、快门时间、稀疏点云参数、删除点的比例、拟合算法、使用软件的生产商和版本号等必要信息。复校时间间隔使用者根据实际使用情况决定复校时间间隔。建议复校间隔一般不超过1年。6附录A测量方法

球心距测量示值误差不确定度评定示例,选用国内某结构光测量系统 其单视角系统测量空间范围0m0m×0球心距测量最大允许误差4。选用长度0m的球棒。在整个测量范围内,按照3的规定,采用普通测量模式,单视角方式进行测量,分别放置于测量空间的7个不同位置的进行测量。球心距参考值为4,测量不确定度为,线膨胀系数为)×6℃1。测量时环境温度为℃,温度测量误差优于5℃,结构光测量系统具有温度补偿功能。无其他明显的影响因素。测量模型由测量原理和方法

,得到测量模型:式中:

D=i)=i) 1)ii个位置球心距测量值,;r球棒球心距的参考值,。 合成标准不确定度计算公式由式) D=i=Xi) 2)因为各不确定度分量互不相关,依不确定度传播律:式中:

Di) 3)i测量重复性引入的标准不确定度分量;)标准器具引入的标准不确定度分量。标准不确定度分量 ()标准器具引入标准不确定度分量u球棒参考值引入的标准不确定度分量球棒参考值测量不确定度为,包含因子,则2m2球棒温度变化引入的标准不确定度分量球棒的线膨胀系数为)6℃1,长度为4,温度测量误差优于5℃,按均匀分布处理,则t46℃15℃m 3 37球棒的线膨胀系数测量误差引入的标准不确定度分量球棒的线膨胀系数为)6℃1,在半宽区间6℃1内服从均匀分布,实验室环境温度按平均偏离5℃估计,则:Ltα45℃6℃1m 6 6合成标准不确定度 。标准不确定度一览表见表1表1测量不确定度来源及说明输入标准量标准不确定度ui不确定度来源影响幅度包含因子ki标准不确定度分量m)标准器具引入的标准不确定度分量1)球棒参考值测量不确定度m252)球棒温