面结构光测量曲面特征的不确定度评估

程银宝; 赵一帆; 罗哉; 王中宇; 王学影

doi:10.37188/OPE.20223000.0205

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面结构光测量曲面特征的不确定度评估

现代应用光学 | 更新时间：2022-10-08

- 面结构光测量曲面特征的不确定度评估
- Uncertainty evaluation analysis of surface features in surface structured light measurement
- 光学精密工程 2022年30卷第17期页码：2039-2049
- 作者机构：
  
  1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018
  2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
- 作者简介：
  
  [ "程银宝（1984-），男，安徽桐城人，校聘副教授，硕士生导师，2008年、2013年、2017年于合肥工业大学分别获得学士、硕士和博士学位，2017年至2019年在北京航空航天大学仪器科学与技术博士后流动站工作，主要从事精密测量与仪器精度保障技术的研究。E-mail： cyb@cjlu.edu.cn" ]
  [ "罗哉（1979-），男，四川遂宁人，教授，博士生导师，分别于2000年、2005年于合肥工业大学获得学士学位、博士学位，现为中国计量大学计量测试工程学院副院长，主要从事坐标测量技术与机器视觉方面的研究。E-mail： luozai@cjlu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  浙江自然科学基金资助项目(LY22E050005);国家市场监管总局科技计划项目(2021MK188);工信部民机专项科研(MJZ-2018-J-70)
- DOI：10.37188/OPE.20223000.0205
  中图分类号： TB921
- 收稿日期：2022-04-28，
  
  修回日期：2022-06-10，
  
  纸质出版日期：2022-09-10
- 稿件说明：
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程银宝,赵一帆,罗哉等.面结构光测量曲面特征的不确定度评估[J].光学精密工程,2022,30(17):2039-2049.

CHENG Yinbao,ZHAO Yifan,LUO Zai,et al.Uncertainty evaluation analysis of surface features in surface structured light measurement[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(17):2039-2049.
程银宝,赵一帆,罗哉等.面结构光测量曲面特征的不确定度评估[J].光学精密工程,2022,30(17):2039-2049. DOI： 10.37188/OPE.20223000.0205.

CHENG Yinbao,ZHAO Yifan,LUO Zai,et al.Uncertainty evaluation analysis of surface features in surface structured light measurement[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(17):2039-2049. DOI： 10.37188/OPE.20223000.0205.

摘要

针对面结构光式扫描仪测量自由曲面轮廓度的不确定度溯源问题，提出2种不同的不确定度评估模型，从不同角度评定测量任务。基于误差源分析的透明箱模型根据曲面轮廓度的函数关系计算测量点从测量坐标系转换到CAD数模所在坐标系的变换矩阵，利用坐标转换得到的旋转、平移参数分析测量不确定度。基于量值统计的黑箱模型从测量结果分析得到测量系统的特性指标，依据特性指标示值误差、自校准误差、点云拼接误差、点云配准误差、重复性、复现性以及仪器分辨力建立评定模型实现不确定度评定。实验结果表明：基于透明箱模型的不确定度为0.020 mm，基于黑箱模型的不确定度为0.023 mm。黑箱模型可以更为效率、便捷地客观评价结构光式扫描测量系统测量自由曲面的不确定度。

Abstract

Focusing on the problem of uncertainty in the traceability of free-form surface contours measured using a surface structured light scanner， two different uncertainty evaluation models were proposed. The transparent box model， based on error source analysis， was used to calculate the matrix of transformation of the measurement point from the measurement coordinate system into the coordinate system in the CAD simulation. The measurement uncertainty was then analyzed according to the functional relationship of the surface profile， and the rotation and translation parameters obtained from the coordinate transformation. By contrast， the black box model， based on quantitative statistics， obtained the characteristic index of the measurement system from analysis of the measurement result. The evaluation model was established according to the indication， self-calibration， point cloud splicing， and point cloud registration errors， as well as the repeatability， reproducibility， and instrument resolution to enable uncertainty evaluation. The experimental results show that the uncertainty based on the transparent box model is 0.020 mm and the uncertainty based on the black box model is 0.023 mm. The quantitative statistical method is efficient and convenient for evaluating the uncertainty of measurements of a free surface obtained using the structured light scanning measurement system.

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何帅，陈富民，杨雅棠，等 . 基于点云数据的自由曲面加工误差评定［J］. 西安交通大学学报， 2019 ， 53 （ 10 ）： 135 - 142 . doi: 10.7652/xjtuxb201910019 http://dx.doi.org/10.7652/xjtuxb201910019

HE SH ， CHEN F M ， YANG Y T ， et al . Machining error evaluation of free-form surface based on point cloudy data ［J］. Journal of Xi'an Jiaotong University ， 2019 ， 53 （ 10 ）： 135 - 142 . （in Chinese） . doi: 10.7652/xjtuxb201910019 http://dx.doi.org/10.7652/xjtuxb201910019

张艺蓝，史浩东，王超，等 . 基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 12 ）： 2783 - 2796 . doi: 10.37188/OPE.20212912.2783 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2783

ZHANG Y L ， SHI H D ， WANG CH ， et al . Analysis of polarization aberration of space optical system based on freeform surface ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 12 ）： 2783 - 2796 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212912.2783 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2783

罗哉，赵洪楠，江文松，等 . 基于线激光扫描的基准孔检测与定位方法［J］. 仪器仪表学报， 2021 ， 42 （ 12 ）： 184 - 190 . doi: 10.1117/12.2611455 http://dx.doi.org/10.1117/12.2611455

LUO Z ， ZHAO H N ， JIANG W S ， et al . A detection and positioning method for the base hole based on line laser scanning ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2021 ， 42 （ 12 ）： 184 - 190 . （in Chinese） . doi: 10.1117/12.2611455 http://dx.doi.org/10.1117/12.2611455

靳硕，张铁犁，王蕾 . 基于面结构光自由曲面形面测量技术研究综述［J］. 舰船电子工程， 2019 ， 39 （ 3 ）： 10 - 14 . doi: 10.3969/j.issn.1672-9730.2019.03.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-9730.2019.03.003

JIN SH ， ZHANG T L ， WANG L . Review of free-form surface shape measurement research for surface structured light ［J］. Ship Electronic Engineering ， 2019 ， 39 （ 3 ）： 10 - 14 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-9730.2019.03.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-9730.2019.03.003

FORTMEIER I ， SCHULZ M ， MEEß R . Traceability of form measurements of freeform surfaces： metrological reference surfaces ［J］. Optical Engineering ， 2019 ， 58 （ 9 ）： 092602 . doi: 10.1117/1.oe.58.9.092602 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.58.9.092602

REN M J ， CHEUNG C ， KONG L B ， et al . Quantitative analysis of the measurement uncertainty in form characterization of freeform surfaces based on Monte Carlo simulation ［J］. Procedia CIRP ， 2015 ， 27 ： 276 - 280 . doi: 10.1016/j.procir.2015.04.078 http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2015.04.078

KIM D Y . Evaluation of the effect of abutment preparation angles on the repeatability and reproducibility using a blue light model scanner ［J］. The Journal of Advanced Prosthodontics ， 2020 ， 12 （ 4 ）： 210 - 217 . doi: 10.4047/jap.2020.12.4.210 http://dx.doi.org/10.4047/jap.2020.12.4.210

MARTÍNEZ-PELLITERO S ， CUESTA E ， GIGANTO S ， et al . New procedure for qualification of structured light 3D scanners using an optical feature-based gauge ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2018 ， 110 ： 193 - 206 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2018.06.002

HE G Y ， ZHANG M ， SONG Z J . Error evaluation of free-form surface based on distance function of measured point to surface ［J］. Computer-Aided Design ， 2015 ， 65 ： 11 - 17 . doi: 10.1016/j.cad.2015.02.004 http://dx.doi.org/10.1016/j.cad.2015.02.004

温秀兰，王东霞，朱晓春，等 . 基于坐标测量机的自由曲面检测采样策略［J］. 光学精密工程， 2014 ， 22 （ 10 ）： 2725 - 2732 . doi: 10.3788/ope.20142210.2725 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20142210.2725

WEN X L ， WANG D X ， ZHU X CH ， et al . Sampling strategy for free-form surface inspection by using coordinate measuring machines ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2014 ， 22 （ 10 ）： 2725 - 2732 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20142210.2725 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20142210.2725

陈满意，王建军 . 基于Bootstrap的曲面最佳适配不确定度评定［J］. 中国机械工程， 2010 ， 21 （ 24 ）： 2918 - 2920， 2951 .

CHEN M Y ， WANG J J . Uncertainty evaluation of freeform surface best fit based on bootstrap method ［J］. China Mechanical Engineering ， 2010 ， 21 （ 24 ）： 2918 - 2920， 2951 . （in Chinese）

王东霞，温秀兰，赵艺兵 . 基于CAD模型引导测量的自由曲面定位及轮廓度误差评定［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 12 ）： 2720 - 2727 . doi: 10.3788/ope.20122012.2720 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122012.2720

WANG D X ， WEN X L ， ZHAO Y B . Localization and profile error evaluation of freeform surface based on CAD model-directed measurement ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 12 ）： 2720 - 2727 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20122012.2720 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122012.2720

程银宝，陈晓怀，王汉斌，等 . 基于精度理论的测量不确定度评定与分析［J］. 电子测量与仪器学报， 2016 ， 30 （ 8 ）： 1175 - 1182 .

CHENG Y B ， CHEN X H ， WANG H B ， et al . Measurement uncertainty estimation and analysis based on accuracy theory ［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation ， 2016 ， 30 （ 8 ）： 1175 - 1182 . （in Chinese）

The Joint Committee for Guides in Metrology . JCGM 100:2008 , Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement [S]. GUM 1995 with Minor Corrections, Paris, France, 2008 . doi: 10.29122/mipi.v10i2.148 http://dx.doi.org/10.29122/mipi.v10i2.148

OGAWA T ， HORI Y . Comparison with accuracy of terrestrial laser scanner by using point cloud aligned with shape matching and best fitting methods ［J］. The International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences ， 2019 ， XLII-2/W 9 ： 535 - 541 . doi: 10.5194/isprs-archives-xlii-2-w9-535-2019 http://dx.doi.org/10.5194/isprs-archives-xlii-2-w9-535-2019

ZHOU Y Q ， LI Q W ， CHU L L ， et al . A measurement system based on internal cooperation of cameras in binocular vision ［J］. Measurement Science and Technology ， 2020 ， 31 （ 6 ）： 065002 . doi: 10.1088/1361-6501/ab6ecd http://dx.doi.org/10.1088/1361-6501/ab6ecd

International Organization for Standardization ISO 1660 Third edition： Geometrical product specifications （GPS）-Geometrical tolerancing-Profile tolerancing ［S］. Geneva， Switzerland ， 2017 .

费业泰 . 误差理论与数据处理［M］. 7版 . 北京：机械工业出版社， 2015 .

FEI Y T . Error Theory and Data Processing ［M］. 7th edition . Beijing ： China Machine Press ， 2015 . （in Chinese）

MEHRAD V ， XUE D Y ， GU P H . Inspection of freeform surfaces considering uncertainties in measurement， localization and surface reconstruction ［J］. Measurement Science and Technology ， 2013 ， 24 （ 8 ）： 085008 . doi: 10.1088/0957-0233/24/8/085008 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/24/8/085008

JJF 1059.1-2012 , 测量不确定度评定与表示 [S]. doi: 10.4324/9780203424865-11 http://dx.doi.org/10.4324/9780203424865-11

JJF 1059.1-2012 , Guide to the evaluation and expression of uncertainty in measurement [S]. （in Chinese） . doi: 10.4324/9780203424865-11 http://dx.doi.org/10.4324/9780203424865-11

邵新杰，潘硕，宋彬，等 . 深孔内表面检测点云拼接技术研究［J］. 红外与激光工程， 2021 ， 50 （ 12 ）： 388 - 395 .

SHAO X J ， PAN SH ， SONG B ， et al . Research on point cloud splicing for inner surface inspection of deep hole ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2021 ， 50 （ 12 ）： 388 - 395 . （in Chinese）

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