1T/CSOE0008—2025用于高反光表面測量的結構光三維測量系統校準方法本標準給出了高反光球標準器校準法、高反光球棒標準器校準法、高反光平面標準器校準法、高反光三平面組合標準器校準法校準高反光表面結構光三維測量系統測量精度的校準原理、校準裝置、校準條件和校準方法。本標準規定了高反光表面結構光三維測量系統的校準結果和復校時間間隔要求。本標準適用于以高反光表面、多次反光表面為測量對象時結構光三維測量系統測量精度的校準。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構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《通用計量術語及定義》JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》JJF1071-2010《國家計量校準規范編寫規則》JJF1951-2021《基于結構光掃描的光學三維測量系統校準規范》ISO10360-13-2021Geometricalproductspecifications(GPS)acceptanceandreverificationtestsforcoordinatemeasuringsystems(CMS)Part13:Optical3DCMS3術語和定義JJF1951-2021《基于結構光掃描的光學三維測量系統校準規范》界定的以及下列術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指在結構光三維測量場景中呈現以下反射特性的物體表面：.物體表面經過加工或鍍膜后，呈現反射光線強烈的特征；.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；.相機接收到表面反射的鏡面反射波尖遠超漫反射波瓣亮度；.結構光投射到物體表面后，相機拍攝獲得的表面圖像呈現過曝或過暗的特點。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部結構上連續發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有效點云覆蓋面積與目標平面理論面積的比值。4高反光球標準器校準法4.1校準原理4.1.1單視角系統在測量范圍內大致均勻分布的n=8個位置安裝標準球，參見圖2。測量標準球，得到標準球表面的點云數據。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標準球在測量范圍內的安裝位置示意圖分別對各測量位置的點云進行計算，得到擬合球。所有點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準球尺寸探測誤差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的測量結果：PPi式中：T/CSOE0008—202534.1.2多視角系統球形狀探測誤差PF和尺寸探測誤差PS應在整個測量范圍8個不同位置分別測量。建議按照圖2所示布置和測量標準器。每個被測球體需通過融合多個不同視角的測量數據進行三維拼接，且最終測量結果應至少覆蓋每個球體的一個半球區域。P和PS的計算方法見4.1.1，公式(1)~公式(4)。高反光表面結構光三維測量系統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校準裝置高反光球標準器校準法校準裝置為具有如表1所示技術參數的標準球。表1高反光球標準器技術要求LS—結構光測量系統測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。4.3校準條件4.3.1環境條件環境條件，包括環境的振動，背景光、環境溫度及其均勻性、變化率等，應在不確定度評定中進行考慮。同時，不應有影響測量的其他環境因素。4.3.2校準用軟件a)校準過程中應使用設備的配套（數據采集和數據處理）軟件。b)設定圖像采集處理的點間距、快門時間、稀疏點云參數、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點云時，應按照使用說明書進行。如果制造商未規定這些參數，則不考慮稀疏點云。2)剔除率設定為0.3%。3)除廠商明確規定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。4.4校準方法4.4.1校準前準備校準前作如下準備：a)清潔結構光三維測量系統和標準器，不應有影響校準操作的多余物；b)結構光三維測量系統的配置與安裝；c)對操作模式進行設置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統用傳感器的類型、數量和分布等；d)結構光三維測量系統標定；4.4.2校準步驟校準步驟如下：a)結構光三維測量系統的啟動/預熱周期；b)將高反光標準球按圖2所示依次擺放8個位置；T/CSOE0008—20254c)在每個位置，使用被校結構光三維測量系統測量高反光標準球；d)根據獲取的三維數據計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行校準時,高反光球標準器校準法的測量不確定度優于被測儀器球形狀探測誤差及球尺寸探測誤差的1/3。高反光表面結構光三維測量系統校準結果的測量不確定度評定示例見附錄A。5高反光球棒標準器校準法5.1校準原理5.1.1單視角系統將系統的測量范圍劃分為8個大小接近的柵格，當測量范圍為長方體時，劃分方式如圖3所示。如果測量范圍不是長方體，柵格的劃分也應該盡可能與長方體的劃分相對應。球棒每個球的可測量區域應完全位于一個柵格內，且兩個球的可測量區域位于不同的柵格內。球心距測量示值誤差SD應在整個測量范圍12個不同位置分別測量，在每個位置，球棒上至少一個球應接近傳感器測量范圍的外邊緣（球上至少25%的點到系統測量范圍的外邊緣的距離不超過測量范圍內最長長度的10%，或球心與系統測量范圍外邊緣之間的距離不超過測量范圍內最長長度的10%）。對角線方向的球棒擺放應相對于水平面有顯著傾斜。建議按照圖3所示布置和測量標準器。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。計算球棒在每個位置的球心距，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的測量結果：式中：5.1.2多視角系統球心距測量示值誤差SD應在整個測量范圍12個不同位置分別測量。建議按照圖3所示布置和測量標準器。每個被測球體需通過融合多個不同視角的測量數據進行三維拼接，且最終測量結果應至少覆蓋每個球體的一個半球區域。SD的計算方法見5.1.1，公式(5)~公式(6)。高反光表面結構光三維測量系統的測量精度由球心距測量示值誤差SD表征。5.2校準裝置高反光球棒標準器校準法校準裝置為具有如表2所示技術參數的標準球棒。表2球棒標準器技術要求多視角系統：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校準條件5.3.1環境條件環境條件，包括環境的振動，背景光、環境溫度及其均勻性、變化率等，應在不確定度評定中進行考慮。同時，不應有影響測量的其他環境因素。5.3.2校準用軟件a)校準過程中應使用設備的配套（數據采集和數據處理）軟件。b)設定圖像采集處理的點間距、快門時間、稀疏點云參數、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點云時，應按照使用說明書進行。如果制造商未規定這些參數，則不考慮稀疏點云。2)剔除率設定為0.3%。3)除廠商明確規定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。5.4校準方法5.4.1校準前準備校準前作如下準備：a)清潔結構光三維測量系統和標準器，不應有影響校準操作的多余物；b)結構光三維測量系統的配置與安裝；c)對操作模式進行設置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統用傳感器的類型、數量和分布等；d)結構光三維測量系統標定；T/CSOE0008—202565.4.2校準步驟校準步驟如下：a)結構光三維測量系統的啟動/預熱周期；b)將高反光標準球棒按圖3所示依次擺放12個位置；c)在每個位置，使用被校結構光三維測量系統測量高反光標準球棒；d)根據獲取的三維數據計算球心距測量示值誤差。5.5測量不確定度按要求進行校準時,高反光球棒標準器校準法的測量不確定度優于被測儀器球心距測量示值誤差的6高反光平面標準器校準法6.1校準原理6.1.1單視角系統測量系統光軸平行于z軸方向，標準平面應在所有測量位置垂直于xoz平面。將系統的測量范圍劃分為8個大小接近的柵格，當測量范圍為長方體時，劃分方式如圖4所示。如果測量范圍不是長方體，柵格的劃分也應該盡可能與長方體的劃分相對應。標準平面在測量空間的至少6個不同位置安裝，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：標準平面垂直于xz平面對角線，長邊平行于該對角線；位置6：標準平面垂直于xyz空間對角線，長邊平行于該對圖4標準平面的推薦排列測量得到標準平面工作面的點云數據，計算每個測量方向的最佳擬合平面。分布在擬合平面兩側的點，到擬合平面單側距離最大值的代數和，作為該位置平面形狀探測誤差Fsi，i表示測量位置的序號。取各位置中最大值，作為平面形狀探測誤差Fs的測量結果：FT/CSOE0008—20257式中：平面測量完整率是指結構光三維測量系統在指定掃描條件下，對標準平面表面有效點云數據的捕獲能力，表征為有效點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——測量點云所表征的實測面積單位：mm2);Ar——標準平面的測量視場區域面積（單位：mm2)。取各位置中最小值，作為平面測量完整率Comps的測量結果：式中：6.1.2多視角系統平面形狀探測誤差Fs及平面測量完整率Comps應在整個測量范圍6個不同位置分別測量。建議按照圖4所示布置和測量標準器。多視角測量以使點云應盡可能完整地覆蓋標準平面的表面。每個位置，利用所有單幅圖像的點云共同計算得到該位置的公共擬合平面。Fs和Comps的計算方法見6.1.1，公式(7)~公式(9)。高反光表面結構光三維測量系統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校準裝置高反光平面標準器校準法校準裝置為具有如表3所示技術參數的標準平面。表3平面標準器技術要求優于標準器長度的0.05%LS—結構光測量系統測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。6.3校準條件6.3.1環境條件環境條件，包括環境的振動，背景光、環境溫度及其均勻性、變化率等，應在不確定度評定中進行考慮。同時，不應有影響測量的其他環境因素。6.3.2校準用軟件a)校準過程中應使用設備的配套（數據采集和數據處理）軟件；b)設定圖像采集處理的點間距、快門時間、稀疏點云參數、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點云時，應按照使用說明書進行。如果制造商未規定這些參數，則不考慮稀疏點云。2)剔除率設定為0.3%。T/CSOE0008—202583)除廠商明確規定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。6.4校準方法6.4.1校準前準備校準前作如下準備：a)清潔結構光三維測量系統和標準器，不應有影響校準操作的多余物；b)結構光三維測量系統的配置與安裝；c)對操作模式進行設置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統用傳感器的類型、數量和分布等；d)結構光三維測量系統標定；6.4.2校準步驟校準步驟如下：a)結構光三維測量系統的啟動/預熱周期；b)將高反光標準平面按圖4所示依次擺放6個位置；c)在每個位置，使用被校結構光三維測量系統測量高反光標準平面；d)根據獲取的三維數據計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行校準時,高反光平面標準器校準法的測量不確定度優于被測儀器平面形狀探測誤差的7高反光三平面組合標準器校準法7.1校準原理三平面組合標準器應位于測量范圍內，并且應從不少于3個方向測量三平面組合標準器的三個內表面，參見圖5，測量點云應盡可能完整地覆蓋三平面組合標準器的表面。圖5測量方向示意圖每個平面，利用測量到的點云擬合計算平面。取各平面中誤差絕對值最大者作為平面形狀探測誤差Fm的測量結果：Fm平面測量完整率可以表示為：式中：T/CSOE0008—20259Aak——測量點云所表征的實測面積單位：mm2);Ar——為標準平面的測量視場區域面積（單位：mm2)取各平面中最小值，作為平面測量完整率Compm的測量結果：式中：k——不同平面序號，k=1,2,3。三維測量系統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校準裝置高反光三平面組合標準器校準法校準裝置為具有如表4所示技術參數的三平面組合標準器。表4三平面組合標準器技術要求優于標準器長度的0.05%LS—結構光測量系統測量范圍立方體的空間對角線長度，由制造廠商給出。7.3校準條件7.3.1環境條件環境條件，包括環境的振動，背景光、環境溫度及其均勻性、變化率等，應在不確定度評定中進行考慮。同時，不應有影響測量的其他環境因素。7.3.2校準用軟件a)校準過程中應使用設備的配套（數據采集和數據處理）軟件。b)設定圖像采集處理的點間距、快門時間、稀疏點云參數、剔除率、擬合算法等。1)需要稀疏點云時，應按照使用說明書進行。如果制造商未規定這些參數，則不考慮稀疏點云。2)剔除率設定為0.3%。3)除廠商明確規定外，擬合算法推薦采用最小二乘法。7.4校準方法7.4.1校準前準備校準前作如下準備：a)清潔結構光三維測量系統和標準器，不應有影響校準操作的多余物；b)結構光三維測量系統的配置與安裝；c)對操作模式進行設置，包括照明的類型和亮度、測量范圍、系統用傳感器的類型、數量和分布等；d)結構光三維測量系統標定；7.4.2校準步驟校準步驟如下：T/CSOE0008—2025a)結構光三維測量系統的啟動/預熱周期；b)將結構光三維測量系統按圖5所示六個方向依次擺放；c)在每個方向，使用被校結構光三維測量系統測量三平面組合標準器；d)根據獲取的三維數據計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行校準時,高反光三平面組合標準器校準法的測量不確定度優于被測儀器平面形狀探測誤8校準結果經校準的結構光測量系統出具校準證書，校準證書應符合JJF1071—2010中5.12的要求，其中校準結果及其不確定度部分列出校準方法及數據，并注明測量環境（溫度、濕度、振動）、測量時間、測量人員、點間距、快門時間、稀疏點云參數、刪除點的比例、擬合算法、使用軟件的生產商和版本號等必