基于线激光扫描的齿轮三维轮廓测量系统设计及实现(4)
1.4 本课题研究的内容
本课题主要需要综合运用所学的光学测量以及数字图像处理技术等专业理论完成基于线激光扫描的齿轮三文轮廓测量系统。 包括原理的掌握，系统的搭建以及图像处理技术的运用。本文的章节安排如下：
第一章为引言，主要介绍了齿轮的基本概念，齿轮测量技术的发展历程以及三文轮廓测量技术的发展状况等。
第二章为原理分析，主要对激光三角法的原理进行了介绍，并介绍了激光三角法在轮廓测量系统中的应用以及一般的三文轮廓测量系统的结构。根据一般的三文轮廓测量系统，设计了本课题的总体系统方案。
第三章为实验系统的搭建与研究，分别介绍了实验中使用的各个仪器，包括线激光器、待测齿轮、转台、CCD摄像机、图像采集卡等。并对本课题方案的整个实验系统进行了介绍。
第四章为课题方案的图像处理部分，对本课题所用的图像处理软件进行了简单介绍，并详细介绍了课题方案中用到的主要的图像处理方法。
第五章为实验数据处理部分，根据前几章的介绍对采集的图像数据进行处理，得到最终结果，并进行误差分析，分析了该系统的不足之处。
2 三文轮廓测量原理分析和总体方案设计
2.1 激光三角法原理
本课题以线激光扫描的方式测量齿轮的三文轮廓，主要使用了激光三角法的原理。激光三角法是非接触测量的一种主要方法，由于其结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便，在工业中的长度、距离以及三文形貌等检测中具有广泛的应用 [ ]。
激光三角法从光路上可以分为斜射法和直射法两种，其共同优点是分辨率高、工作距离大。斜射法指投射光束和待测物体表面的法线成一个夹角，主要接收正反射光，用于测量表面粗糙度接近镜面的物体，且测量精度较高，但传感器装置较大，难以应用于高速测量。而直射法指投射光束垂直于待测物体表面，主要接收散射和漫反射光，用于表面粗糙度不太大的被测物，直射式的传感器在结构上也易做到小而紧凑，因而受到人们重视，更多的应用于工程中[5，9]。
激光三角法的基本原理是：光源发出的激光束照射在被测物体上，再由检测器接收反射的光线。当物体表面的深度信息发生改变时，在检测器上产生的像的位置也会发生相应的位移。通过实际位移与像移间的关系，当我们测得所成像在检测器上的位移时，即可得到物体表面的深度信息。
如图2.1所示：o为参考点，D为激光器到参考点的距离，d为传感器上成像点的位移，δ为物体表面的偏移，s和s′分别为物镜的物距和像距，α和β分别为投影激光方向与物镜光轴的夹角以及物镜光轴与检测器平面的夹角。由下图可知，从光点C作一垂线交物镜光轴于点E，同理，由光点C在检测器上的像点A向物镜光轴作一垂线交于点F，则△BCE∽△BAF：
2.1 激光三角法原理图
2.2 激光三角法在轮廓测定系统中的应用
以上的激光三角法中，激光器发出的是点激光，由此可以得到沿着投影激光点方向上的待测物体的深度信息。如果将点激光器换为线激光器，投影到待测物体表面，那么检测器将得到这条线的成像位置，从而得到待测物体表面这条线上的深度信息。若物体表面线激光照射的位置与激光器的距离相同，则检测器上所成像应为一条直线；否则将得到一条曲线。通过组成这条曲线的各点与参考点所成像的距离可以求得实际物体的表面信息。
而为了得到物体的三文轮廓信息，可以将物体放置在一个旋转台上，由激光器发出一束线激光，垂直照射在放在旋转台上的物体，线激光的方向平行于旋转轴。检测器安装在垂直于旋转轴的位置。当物体旋转一周时，线激光在待测物体表面投影一周，通过对检测器拍下的视频处理计算，即可得到待测物体的三文轮廓信息[13]。该轮廓测定系统的大概结构如图2.2所示：