用于高反光表面測量的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法（征求意見稿）

1T/CSOE0008—2025用于高反光表面測量的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法本標(biāo)準(zhǔn)給出了高反光球標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法、高反光球棒標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法、高反光平面標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法、高反光三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法校準(zhǔn)高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量精度的校準(zhǔn)原理、校準(zhǔn)裝置、校準(zhǔn)條件和校準(zhǔn)方法。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果和復(fù)校時(shí)間間隔要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用于以高反光表面、多次反光表面為測量對象時(shí)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量精度的校準(zhǔn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語及定義》JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》JJF1071-2010《國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》JJF1951-2021《基于結(jié)構(gòu)光掃描的光學(xué)三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》ISO10360-13-2021Geometricalproductspecifications(GPS)acceptanceandreverificationtestsforcoordinatemeasuringsystems(CMS)Part13:Optical3DCMS3術(shù)語和定義JJF1951-2021《基于結(jié)構(gòu)光掃描的光學(xué)三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1鏡面反射率SpecularReflectance在特定入射角條件下，材料表面沿鏡面反射方向（反射角=入射角）的反射光通量與入射光通量的百分比比值。3.2漫反射率DiffuseReflectance在朗伯體近似下，材料表面在半球空間內(nèi)所有方向反射光通量的積分與入射光通量的百分比比值。3.3高反光表面High-reflectiveSurface指在結(jié)構(gòu)光三維測量場景中呈現(xiàn)以下反射特性的物體表面：.物體表面經(jīng)過加工或鍍膜后，呈現(xiàn)反射光線強(qiáng)烈的特征；.物體表面的反射特性不同于漫反射與鏡面反射，其反射光主要是由漫反射波瓣、鏡面反射波瓣以及鏡面反射波尖組成；.相機(jī)接收到表面反射的鏡面反射波尖遠(yuǎn)超漫反射波瓣亮度；.結(jié)構(gòu)光投射到物體表面后，相機(jī)拍攝獲得的表面圖像呈現(xiàn)過曝或過暗的特點(diǎn)。T/CSOE0008—20252圖1高反光表面反射光示意圖3.4多次反射表面MultipleReflectionSurface多次反射表面是指投射光線在其表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)上連續(xù)發(fā)生兩次及以上反射的表面，其特性通常由表面反射特性和幾何形狀等決定。3.5平面測量完整率CompleterateofplanemeasurementComp有效點(diǎn)云覆蓋面積與目標(biāo)平面理論面積的比值。4高反光球標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法4.1校準(zhǔn)原理4.1.1單視角系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)大致均勻分布的n=8個(gè)位置安裝標(biāo)準(zhǔn)球，參見圖2。測量標(biāo)準(zhǔn)球，得到標(biāo)準(zhǔn)球表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7位置8圖2標(biāo)準(zhǔn)球在測量范圍內(nèi)的安裝位置示意圖分別對各測量位置的點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算，得到擬合球。所有點(diǎn)到擬合球心距離的最大值rmax與最小值rmin之差為該位置的球形狀探測誤差PFiPmax-rmin 擬合球的直徑Dai與測量球直徑參考值Dr之間的差為該反射率標(biāo)準(zhǔn)球尺寸探測誤差PSi：Pai-Dr 取各位置中形狀探測誤差和尺寸探測誤差最大者，分別作為球形狀探測誤差PF和尺寸探測誤差PS的測量結(jié)果：PPi式中：T/CSOE0008—202534.1.2多視角系統(tǒng)球形狀探測誤差PF和尺寸探測誤差PS應(yīng)在整個(gè)測量范圍8個(gè)不同位置分別測量。建議按照圖2所示布置和測量標(biāo)準(zhǔn)器。每個(gè)被測球體需通過融合多個(gè)不同視角的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拼接，且最終測量結(jié)果應(yīng)至少覆蓋每個(gè)球體的一個(gè)半球區(qū)域。P和PS的計(jì)算方法見4.1.1，公式(1)~公式(4)。高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的測量精度由球形狀探測誤差PF和尺寸探測誤差PS表征。4.2校準(zhǔn)裝置高反光球標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法校準(zhǔn)裝置為具有如表1所示技術(shù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)球。表1高反光球標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)要求LS—結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。4.3校準(zhǔn)條件4.3.1環(huán)境條件環(huán)境條件，包括環(huán)境的振動(dòng)，背景光、環(huán)境溫度及其均勻性、變化率等，應(yīng)在不確定度評定中進(jìn)行考慮。同時(shí)，不應(yīng)有影響測量的其他環(huán)境因素。4.3.2校準(zhǔn)用軟件a)校準(zhǔn)過程中應(yīng)使用設(shè)備的配套（數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理）軟件。b)設(shè)定圖像采集處理的點(diǎn)間距、快門時(shí)間、稀疏點(diǎn)云參數(shù)、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點(diǎn)云時(shí)，應(yīng)按照使用說明書進(jìn)行。如果制造商未規(guī)定這些參數(shù)，則不考慮稀疏點(diǎn)云。2)剔除率設(shè)定為0.3%。3)除廠商明確規(guī)定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。4.4校準(zhǔn)方法4.4.1校準(zhǔn)前準(zhǔn)備校準(zhǔn)前作如下準(zhǔn)備：a)清潔結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)器，不應(yīng)有影響校準(zhǔn)操作的多余物；b)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的配置與安裝；c)對操作模式進(jìn)行設(shè)置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統(tǒng)用傳感器的類型、數(shù)量和分布等；d)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定；4.4.2校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)步驟如下：a)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的啟動(dòng)/預(yù)熱周期；b)將高反光標(biāo)準(zhǔn)球按圖2所示依次擺放8個(gè)位置；T/CSOE0008—20254c)在每個(gè)位置，使用被校結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量高反光標(biāo)準(zhǔn)球；d)根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)計(jì)算球形狀探測誤差及球尺寸探測誤差。4.5測量不確定度按要求進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),高反光球標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法的測量不確定度優(yōu)于被測儀器球形狀探測誤差及球尺寸探測誤差的1/3。高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評定示例見附錄A。5高反光球棒標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法5.1校準(zhǔn)原理5.1.1單視角系統(tǒng)將系統(tǒng)的測量范圍劃分為8個(gè)大小接近的柵格，當(dāng)測量范圍為長方體時(shí)，劃分方式如圖3所示。如果測量范圍不是長方體，柵格的劃分也應(yīng)該盡可能與長方體的劃分相對應(yīng)。球棒每個(gè)球的可測量區(qū)域應(yīng)完全位于一個(gè)柵格內(nèi)，且兩個(gè)球的可測量區(qū)域位于不同的柵格內(nèi)。球心距測量示值誤差SD應(yīng)在整個(gè)測量范圍12個(gè)不同位置分別測量，在每個(gè)位置，球棒上至少一個(gè)球應(yīng)接近傳感器測量范圍的外邊緣（球上至少25%的點(diǎn)到系統(tǒng)測量范圍的外邊緣的距離不超過測量范圍內(nèi)最長長度的10%，或球心與系統(tǒng)測量范圍外邊緣之間的距離不超過測量范圍內(nèi)最長長度的10%）。對角線方向的球棒擺放應(yīng)相對于水平面有顯著傾斜。建議按照圖3所示布置和測量標(biāo)準(zhǔn)器。位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置7位置8圖3球棒的推薦排列對于所有測量位置，用定半徑擬合法，擬合所有球心位置。計(jì)算球棒在每個(gè)位置的球心距，球心距測量示值誤差SDi，是測量值Lai與被測長度校準(zhǔn)值Lr之差。T/CSOE0008—20255取各位置中絕對值最大者，作為球心距測量示值誤差SD的測量結(jié)果：式中：5.1.2多視角系統(tǒng)球心距測量示值誤差SD應(yīng)在整個(gè)測量范圍12個(gè)不同位置分別測量。建議按照圖3所示布置和測量標(biāo)準(zhǔn)器。每個(gè)被測球體需通過融合多個(gè)不同視角的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拼接，且最終測量結(jié)果應(yīng)至少覆蓋每個(gè)球體的一個(gè)半球區(qū)域。SD的計(jì)算方法見5.1.1，公式(5)~公式(6)。高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的測量精度由球心距測量示值誤差SD表征。5.2校準(zhǔn)裝置高反光球棒標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法校準(zhǔn)裝置為具有如表2所示技術(shù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)球棒。表2球棒標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)要求多視角系統(tǒng)：不小于測量范圍最短邊的2/3，不大于測量范圍對角線的2/35.3校準(zhǔn)條件5.3.1環(huán)境條件環(huán)境條件，包括環(huán)境的振動(dòng)，背景光、環(huán)境溫度及其均勻性、變化率等，應(yīng)在不確定度評定中進(jìn)行考慮。同時(shí)，不應(yīng)有影響測量的其他環(huán)境因素。5.3.2校準(zhǔn)用軟件a)校準(zhǔn)過程中應(yīng)使用設(shè)備的配套（數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理）軟件。b)設(shè)定圖像采集處理的點(diǎn)間距、快門時(shí)間、稀疏點(diǎn)云參數(shù)、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點(diǎn)云時(shí)，應(yīng)按照使用說明書進(jìn)行。如果制造商未規(guī)定這些參數(shù)，則不考慮稀疏點(diǎn)云。2)剔除率設(shè)定為0.3%。3)除廠商明確規(guī)定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。5.4校準(zhǔn)方法5.4.1校準(zhǔn)前準(zhǔn)備校準(zhǔn)前作如下準(zhǔn)備：a)清潔結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)器，不應(yīng)有影響校準(zhǔn)操作的多余物；b)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的配置與安裝；c)對操作模式進(jìn)行設(shè)置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統(tǒng)用傳感器的類型、數(shù)量和分布等；d)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定；T/CSOE0008—202565.4.2校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)步驟如下：a)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的啟動(dòng)/預(yù)熱周期；b)將高反光標(biāo)準(zhǔn)球棒按圖3所示依次擺放12個(gè)位置；c)在每個(gè)位置，使用被校結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量高反光標(biāo)準(zhǔn)球棒；d)根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)計(jì)算球心距測量示值誤差。5.5測量不確定度按要求進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),高反光球棒標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法的測量不確定度優(yōu)于被測儀器球心距測量示值誤差的6高反光平面標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法6.1校準(zhǔn)原理6.1.1單視角系統(tǒng)測量系統(tǒng)光軸平行于z軸方向，標(biāo)準(zhǔn)平面應(yīng)在所有測量位置垂直于xoz平面。將系統(tǒng)的測量范圍劃分為8個(gè)大小接近的柵格，當(dāng)測量范圍為長方體時(shí)，劃分方式如圖4所示。如果測量范圍不是長方體，柵格的劃分也應(yīng)該盡可能與長方體的劃分相對應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)平面在測量空間的至少6個(gè)不同位置安裝，如圖4所示。位置1位置2位置3位置4位置5位置6位置4-5：標(biāo)準(zhǔn)平面垂直于xz平面對角線，長邊平行于該對角線；位置6：標(biāo)準(zhǔn)平面垂直于xyz空間對角線，長邊平行于該對圖4標(biāo)準(zhǔn)平面的推薦排列測量得到標(biāo)準(zhǔn)平面工作面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)測量方向的最佳擬合平面。分布在擬合平面兩側(cè)的點(diǎn)，到擬合平面單側(cè)距離最大值的代數(shù)和，作為該位置平面形狀探測誤差Fsi，i表示測量位置的序號(hào)。取各位置中最大值，作為平面形狀探測誤差Fs的測量結(jié)果：FT/CSOE0008—20257式中：平面測量完整率是指結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)在指定掃描條件下，對標(biāo)準(zhǔn)平面表面有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)的捕獲能力，表征為有效點(diǎn)云面積與理論平面面積的百分比比值。各位置平面測量完整率可以表示為：式中：Aai——測量點(diǎn)云所表征的實(shí)測面積單位：mm2);Ar——標(biāo)準(zhǔn)平面的測量視場區(qū)域面積（單位：mm2)。取各位置中最小值，作為平面測量完整率Comps的測量結(jié)果：式中：6.1.2多視角系統(tǒng)平面形狀探測誤差Fs及平面測量完整率Comps應(yīng)在整個(gè)測量范圍6個(gè)不同位置分別測量。建議按照圖4所示布置和測量標(biāo)準(zhǔn)器。多視角測量以使點(diǎn)云應(yīng)盡可能完整地覆蓋標(biāo)準(zhǔn)平面的表面。每個(gè)位置，利用所有單幅圖像的點(diǎn)云共同計(jì)算得到該位置的公共擬合平面。Fs和Comps的計(jì)算方法見6.1.1，公式(7)~公式(9)。高反光表面結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的測量精度由平面形狀探測誤差Fs及平面測量完整率Comps表征。6.2校準(zhǔn)裝置高反光平面標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法校準(zhǔn)裝置為具有如表3所示技術(shù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)平面。表3平面標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)要求優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)器長度的0.05%LS—結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。6.3校準(zhǔn)條件6.3.1環(huán)境條件環(huán)境條件，包括環(huán)境的振動(dòng)，背景光、環(huán)境溫度及其均勻性、變化率等，應(yīng)在不確定度評定中進(jìn)行考慮。同時(shí)，不應(yīng)有影響測量的其他環(huán)境因素。6.3.2校準(zhǔn)用軟件a)校準(zhǔn)過程中應(yīng)使用設(shè)備的配套（數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理）軟件；b)設(shè)定圖像采集處理的點(diǎn)間距、快門時(shí)間、稀疏點(diǎn)云參數(shù)、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點(diǎn)云時(shí)，應(yīng)按照使用說明書進(jìn)行。如果制造商未規(guī)定這些參數(shù)，則不考慮稀疏點(diǎn)云。2)剔除率設(shè)定為0.3%。T/CSOE0008—202583)除廠商明確規(guī)定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。6.4校準(zhǔn)方法6.4.1校準(zhǔn)前準(zhǔn)備校準(zhǔn)前作如下準(zhǔn)備：a)清潔結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)器，不應(yīng)有影響校準(zhǔn)操作的多余物；b)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的配置與安裝；c)對操作模式進(jìn)行設(shè)置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統(tǒng)用傳感器的類型、數(shù)量和分布等；d)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定；6.4.2校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)步驟如下：a)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的啟動(dòng)/預(yù)熱周期；b)將高反光標(biāo)準(zhǔn)平面按圖4所示依次擺放6個(gè)位置；c)在每個(gè)位置，使用被校結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量高反光標(biāo)準(zhǔn)平面；d)根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)計(jì)算平面形狀探測誤差F及平面測量完整率Comp。6.5測量不確定度按要求進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),高反光平面標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法的測量不確定度優(yōu)于被測儀器平面形狀探測誤差的7高反光三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法7.1校準(zhǔn)原理三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)位于測量范圍內(nèi)，并且應(yīng)從不少于3個(gè)方向測量三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器的三個(gè)內(nèi)表面，參見圖5，測量點(diǎn)云應(yīng)盡可能完整地覆蓋三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器的表面。圖5測量方向示意圖每個(gè)平面，利用測量到的點(diǎn)云擬合計(jì)算平面。取各平面中誤差絕對值最大者作為平面形狀探測誤差Fm的測量結(jié)果：Fm平面測量完整率可以表示為：式中：T/CSOE0008—20259Aak——測量點(diǎn)云所表征的實(shí)測面積單位：mm2);Ar——為標(biāo)準(zhǔn)平面的測量視場區(qū)域面積（單位：mm2)取各平面中最小值，作為平面測量完整率Compm的測量結(jié)果：式中：k——不同平面序號(hào)，k=1,2,3。三維測量系統(tǒng)測量多次反光表面的測量精度由平面形狀探測誤差Fm及平面測量完整率Compm表征。7.2校準(zhǔn)裝置高反光三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法校準(zhǔn)裝置為具有如表4所示技術(shù)參數(shù)的三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器。表4三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器技術(shù)要求優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)器長度的0.05%LS—結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。7.3校準(zhǔn)條件7.3.1環(huán)境條件環(huán)境條件，包括環(huán)境的振動(dòng)，背景光、環(huán)境溫度及其均勻性、變化率等，應(yīng)在不確定度評定中進(jìn)行考慮。同時(shí)，不應(yīng)有影響測量的其他環(huán)境因素。7.3.2校準(zhǔn)用軟件a)校準(zhǔn)過程中應(yīng)使用設(shè)備的配套（數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理）軟件。b)設(shè)定圖像采集處理的點(diǎn)間距、快門時(shí)間、稀疏點(diǎn)云參數(shù)、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點(diǎn)云時(shí)，應(yīng)按照使用說明書進(jìn)行。如果制造商未規(guī)定這些參數(shù)，則不考慮稀疏點(diǎn)云。2)剔除率設(shè)定為0.3%。3)除廠商明確規(guī)定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。7.4校準(zhǔn)方法7.4.1校準(zhǔn)前準(zhǔn)備校準(zhǔn)前作如下準(zhǔn)備：a)清潔結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)器，不應(yīng)有影響校準(zhǔn)操作的多余物；b)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的配置與安裝；c)對操作模式進(jìn)行設(shè)置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統(tǒng)用傳感器的類型、數(shù)量和分布等；d)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定；7.4.2校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)步驟如下：T/CSOE0008—2025a)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的啟動(dòng)/預(yù)熱周期；b)將結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)按圖5所示六個(gè)方向依次擺放；c)在每個(gè)方向，使用被校結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)測量三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器；d)根據(jù)獲取的三維數(shù)據(jù)計(jì)算平面形狀探測誤差Fm及平面測量完整率Compm。7.5測量不確定度按要求進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),高反光三平面組合標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法的測量不確定度優(yōu)于被測儀器平面形狀探測誤8校準(zhǔn)結(jié)果經(jīng)校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書應(yīng)符合JJF1071—2010中5.12的要求，其中校準(zhǔn)結(jié)果及其不確定度部分列出校準(zhǔn)方法及數(shù)據(jù)，并注明測量環(huán)境（溫度、濕度、振動(dòng)）、測量時(shí)間、測量人員、點(diǎn)間距、快門時(shí)間、稀疏點(diǎn)云參數(shù)、刪除點(diǎn)的比例、擬合算法、使用軟件的生產(chǎn)商和版本號(hào)等必