国产3D面积测定仪在饰品镍释放检测表面积测定中的应用

(1.北京海关技术中心,北京 100026；2.上海汇像信息技术有限公司，上海，200240；3.国家肉类食品质量监督检验中心，北京，100068)

1 引言

目前市场上的常见饰品如戒指、耳环、项链等，作为提升现代人气质及陶冶性情的重要载体，越来越受到现代女性的青睐。为提升饰品的质量与使用年限，镍被广泛用于饰品的制作与生产中。一定条件下，饰品中所含镍元素会进入人体，从而影响人体健康如引起接触性皮炎等[1]，因此国际上制定了常见饰品的镍释放量检测标准[2]。我国也对常见饰品的镍限量、检测项目和检测方法做了明确规定[3-5]。饰品的镍释放量检测中，制品的表面积参数测定是镍释放检测工作中的重要技术组成部分，表面积测量的准确性和精密度会直接影响镍含量或镍释放量的检测的准确性[6]，对饰品质量控制具有重要意义。目前传统的饰品表面积测量方法大多为人工测量：通过将饰品进行区域分割和形状近似求取表面积。但由于饰品形状复杂多样，且大多数饰品体积较小，仅用人工测量的方法无法满足饰品表面积的测定精密度要求，并且测量时步骤繁琐、测量效率不高。刘卓钦等利用三维扫描仪测量仿真饰品的表面积的方法，虽然测量精度有所提高，但仍存在测量过程较为复杂等问题[7]，推广较为困难。

为了克服上述不足，上海汇像信息技术有限公司研发设计并生产了一套专门针对不规则物体表面积测量问题的全自动测定装置平台，又称为3D面积测定仪。该面积测定仪设有基于三维重建技术的物体表面积精确测量系统，通过计算机立体视觉的方法，可对物体的表面进行三维采集重建，进而得到物体的表面点云；通过对重建出的物体表面的三维点云进行分析测量计算，可以快速得到物体表面精确的表面积，并一键生成检测报告。检测报告中所包含的样品图像、数据等信息，可以很好的解决人工测量时无法对检测结果进行追溯的问题。实验将以9种常见饰品为例，同时利用3D面积测定仪和传统的人工方法测量饰品表面积，并对测定结果进行汇总和分析。

2 仪器介绍

1.1 原理

3D面积测定仪在进行三维测量时，先利用双目相机采集物体表面点云数据，再通过三维重建技术实现物体表面重建，并利用点云优化技术进一步获取物体表面三维模型，最后计算出物体表面积。该装置可进行批量样品表面积全自动测定，信号由USB传输给计算机进行分析和记录。

1.2 结构

3D面积测定仪由三维测量及计算系统、控制系统、机械机构系统组成。控制系统与三维测量及计算系统连接，机械机构系统与三维测量及计算系统以及控制系统连接。仪器主机外观图和主机内部结构示意图如图1所示。

图1 3D面积测定仪外观及结构图a.设备外观图；b.设备结构图(1.结构光发生器；2. 固定支架；3. 摄像机；4.旋转平台；5.控制电机)

1.3 三维测量与计算系统

三维测量与计算系统由视觉处理计算机、高精度发光标定板、高清相机、结构光发生器或激光发生器和相应软件组成。视觉处理计算机由高性能计算机和相机触发控制器组成，负责多相机图像数据的同步采集、数据运算、数据储存和数据显示；高清相机为双目高清相机，通过相机触发控制器与高性能计算机连接；高精度发光标定板采用高精度激光打标制作，精度可达到±0.0001 mm，同时自带LED面光源提供照明，亮度均匀，表面经漫反射处理，面板无反光，用于提取高精度的棋盘格角点；结构光发生器产生相移、格雷码或两种融合的结构光投射到待测物表面，结构光发生器可用激光发生器进行替换。

1.4 控制系统

控制系统由步进电机、控制器、轴承与旋转平台组成，与三维测量表面积计算系统连接，用于配合物体多视角图像数据获取及三维数据拼接。视觉处理计算机与控制器相连，并给控制器发送命令；步进电机运行进而带动旋转平台旋转一定角度，步进电机带动转盘旋转的精度采用激光测验法对其进行校验，同时对贴在转盘上的标志点进行三维数据重建反推旋转误差，进行误差矫正；旋转平台带动物体转动，可使相机拍摄到待测物体不同视角的画面，以生成不同视角的三维数据。将不同视角的三维数据转化到统一坐标系之下，从而得到目标物体的完整三维数据。三维数据拼接支持志点拼接、无志点特征拼接和旋转平台拼接3种方式，三种拼接方式相互补充，互相促进，使得不同视角三维数据能够高速、高精度拼接。

1.5 机械机构系统

机械机构系统由机柜、固定支架及调节机构组成，与三维测量表面积计算系统及控制系统连接。机柜内安装有水平、垂直导轨，用于安装三维测量系统，并由电机控制三维测量系统移动；固定支架具有二维自由度，主要起支撑和角度调节的作用；多个相机支架固定在机械机构系统内的长方体形支架上，在距离相机一定距离处安放结构光或激光发生器；在固定支架底部安装一个二维调节机构，用于驱动三维测量系统左右、上下转动到指定位置。

2 常见饰品表面积的测定

2.1 材料与设备

2.1.1测试样品

长期与皮肤接触的9种常见饰品：耳钉、发卡、戒指、龙虾扣、包带扣、皮带扣、项链、眼镜、纽扣(图2)。

2.1.2设备

PHS620LT型3D面积测定仪及装有X-imaging软件的计算机，上海汇像信息技术有限公司。

2.1.3其他

FC-5型反差增强剂，中国宏达公司。

图2 9种常见饰品a.耳钉；b.发卡；c.戒指；d.龙虾扣；e.包带扣；f.皮带扣；g.项链；h.眼镜；i.纽扣

2.2 实验方法

2.2.1前处理方法

测试对象参考GB/T 28485-2012《镀层饰品镍释放量的测定磨损和腐蚀模拟法》的要求进行处理。饰品的测量面积按已磨损或使用过的轮廓做标记确定[4]，单位为cm2。对于由圆线材(d < 3mm)制成的饰品，测量面积为全部有效面积的投影面积。对于由圆线材(d≥3mm)制成的饰品，测量面积可认为饰品压入周围皮肤达2mm深，进而计算饰品测量面积。耳环等饰品的测量面积为穿过皮肤的实际面积[4]。

2.2.2其他步骤

仪器法测试时，表面反光的饰品如戒指、手镯、项链等测量前需在表面均匀喷涂反差增强剂，保证测量准确度。

2.3 仪器测试步骤

(1)开启设备，用标准块进行设备稳定性检查(当相对测量误差小于±～时认为测量结果可信)。

(2)将9种常见饰品放于旋转平台中央，启动仪器并设定曝光时间、旋转角度等参数(表1)。

(3)使用X-imaging软件完成一键优化并计算饰品表面积，每个样品测量两次并计算平均值。

表1 3D面积测定仪参数设置

2.3 手工测试步骤

将待测样品的表面按形状不同进行区域分割。利用经第三方计量的游标卡尺、卷尺等测量工具，测量出待测样品不同形状区域的长、宽、高、直径等尺寸。然后，根据物体表面不同区域的实际形状，对每一区域进行表面积近似计算后，累加所有的区域，进而得到物体的总表面积。每个样品手动测量两次，计算表面积数据的平均值。

3 结果与分析

3.1 测量效率对比

3.1.1操作过程对比

在用传统人工方法测量饰品的表面积检测时，必须二人一起进行。一人负责用工具测量，另一人负责监督测量过程、记录测量过程中的各个数据并计算。如果仅有一人操作，很有可能会因为测量、记录、计算的数据量过多而导致计算结果失真。而利用3D面积测定仪测定制品表面积时，实验员只需要对样品进行处理后放置在仪器工作台上，设置好参数并点击测定后，即可离开工作台。仪器扫描过程结束后，测试结果会自动保存在电脑和软件数据库之中供实验人员查阅。实验人员也可以在其他终端查看所有测试结果。通过对测定步骤进行对比，通过仪器测定时，实验人员的工作量明显比手工测试时减少。

3.1.2测量平均时间对比

将实验人员对样品表面积的测定全过程进行计时并统计后，可以更加直观的反应出实验人员用两种不同方法测定饰品表面积时的效率。从图3中可以看出，在测定发卡、戒指、包带扣、纽扣等形状相对比较规则的饰品时，人工方法的测定时间值比仪器测定方法稍长。但在测定耳钉、龙虾扣、皮带扣、眼镜等形状复杂、部件较多的样品时，人工方法用时大幅增长，而仪器方法的测定时间并未明显增加。并且，通过统计两种方法的用时，得出仪器平均测定一个样品的消耗时间为2.2分钟，人工测定时间为22分钟。因此从效率上来讲，仪器测定的效率比人工测量更高。

图3 仪器测量与人工测量时长对比图

3.2 测量数据对比

仪器测量结果和人工测量结果分别见表2和表3。

表2 仪器测量结果

表3 人工测量结果

从以上两数据表可以看出，在仪器测定方法中，只有龙虾扣结果的RSD稍大，为5.33%，其他饰品的数据的RSD均小于3%。而在人工测量结果中，通过观察数据以及RSD值，可以发现RSD的最小值也已经达到了1.37%。而发卡、龙虾扣等饰品，测定结果的RSD值已经达到16.44%和16.06%，已经超过了实验可接受的范围。因此可以看出，仪器测定表面积时的数据精密度优于传统的手工测定，可以满足日常实验的需求。

4 结论

在依据饰品镍释放方法对饰品表面积的测定中，通过对测定过程耗时、测定数据两方面进行对比表明，相对于传统的人工测定表面积， 3D面积测定仪对饰品表面积的测定步骤更加简单，节约更多人力的同时提高了工作效率，同时测定结果数据更加稳定。并且，仪器在开机之后可以通过标准块进行校正，能进一步的保证测量数据的准确度，提高数据的可靠性。相比较而言，仪器法所测的数据不仅比手工方法更加稳定，并且通过检测报告包含的信息，可以做到对检测样品和数据的溯源，从而保证了检测过程的可追溯性。因此可以得出：在对饰品镍释放的检测中，国产3D面积测定仪可显著提升对样品表面积测量的效率，并且检测数据较人工方法更为可靠，在饰品镍释放的日常检测中具有较高的应用价值。