GB/T 40139-2021 材料表面积的测量 高光谱成像三维面积测量法

　　ICS 7 1 . 040 . 50 CCS G 3 1

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40139—2021

　　材料表面积的测量

　　高光谱成像三维面积测量法

　　Measuringmethodforsurfaceareasofmaterials—

　　Threedimensionalareameasurementbaseonhyperspectralimaging

　　2021-05-21 发布 2021-09-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40139—202 1

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　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国质量监管重点产品检验方法标准化技术委员会(SAC/TC 374)提出并归口 。

　　本文件起草单位：深圳市计量质量检测研究院、中检华纳(北京)质量技术中心有限公司、成都产品质量检验研究院有限责任公司、华纳通标(北京)认证有限公司、中检联盟(北京)质检技术研究院有限公司。

　　本文件主要起草人：黎永乐、杨俊、郑燕燕、陈树娣、张其美、钟文健、蔡潼玲、王杰、叶秀玲、杨春尧、区振源、刘瑜、谢晓娟、吴婉君、吴燕蕙、李淅、胡玉玲、李祖敏、孟杰、李波、蔡小先、郑存哲。

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　　材料表面积的测量

　　高光谱成像三维面积测量法

　　1 范围

　　本文件规定了基于高光谱成像技术测量材料表面积的方法。

　　本文件适用于食品接触材料、首饰及其他材料表面积的测量。

　　本文件不适用于孔直径小于 1 mm 的多孔材料，以及含有直径小于 1 mm条状纹理的材料。

　　2 规范性引用文件

　　本文件没有规范性引用文件。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　表面积 surfaceareas

　　所有立体图形面的面积之和。

　　3.2

　　高光谱成像 hyperspectralimaging

　　将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维空间和光谱信息，获得高分辨率的连续、窄波段的图像数据。

　　3.3

　　结构光系统 structuredlightsystem

　　一组由投影仪和摄像头组成的系统结构。

　　注：该系统用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集。 根据物体造成的光信号变化，计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。

　　3.4

　　三维数据重建技术 3D datareconstructiontechnology

　　基于通过相机获得场景、物体的数据图像，并对图像进行分析处理，再结合计算机视觉知识推导出现实环境中物体的三维信息。

　　3.5

　　三角面片 triangularpatch

　　在计算机模拟的三维空间中，由空间坐标系中的三个点构成的一个三角网格。

　　3.6

　　点云 pointcloud

　　在计算机模拟的三维空间中表达样品空间分布和样品表面特性的点集合。

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　　3.7

　　多线激光 multilinelaser

　　利用激光发射器在已知空间方向上投射到样品表面的激光扫描线束的集合。

　　3.8

　　标志点 landmark

　　在扫描过程中，用于准确定位样品表面的点。

　　注：标志点通常由外圈为黑色、内圈为白色的两个同心圆构成，贴于待测样品表面。

　　3.9

　　多孔材料 porousmaterial

　　由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。

　　4 原理

　　利用以单线激光、多线激光或其他可见光为光源的结构光系统，采集材料的三维图像数据，通过三维数据重建技术实现在计算机内对样品的三维模型重建。 重建的三维模型在特定的算法下转化为三角面片数据，依据三角面片数据计算样品待测量区域的表面积。 本文件第一法结构光系统位置固定，通过旋转平台将材料旋转至不同角度，获取面积数据。 本文件第二法样品位置固定，通过移动结构光系统至不同位置，获取面积数据。

　　5 第-法 旋转平台式面积测量仪法

　　5 . 1 试剂和材料

　　反差增强剂：白色。

　　注 ：由特定配方的粉剂及溶剂配制而成的悬浊液，喷涂在材料表面，会形成一层白色或其他颜色的覆盖薄膜，可显著增强材料成像的对比度。

　　5 . 2 仪器与设备

　　5 . 2 . 1 台式面积测量仪主机(仪器结构示意图参见附录 A 中图 A. 1) ：工业相机(分辨率)大于 230 万像素，工业镜头：f(焦距)大于或等于 16 mm;主动式结构光源投影设备：激光器采用 CLASS Ⅱ-人眼安全级别。

　　5 . 2 . 2 高精度校准板：由单个方格面积为 7 . 5 mm×7.5 mm 的棋盘组成，精度为 0 . 01 mm。

　　5 . 2 . 3 标准测量块：由半球、圆槽、半圆柱等形状组成，有校准证书。

　　5 . 2 . 4 标志点贴纸：外圈直径 8 mm 或 4 mm、内圈直径 4 mm 或 2 mm。

　　5 . 3 样品预处理

　　应根据样品实际情况对样品进行下列预处理：

　　a) 表面颜色为深色、透明和反光的样品，需要对样品表面喷涂反差增强剂，再测量，反差增强剂应尽可能均匀喷涂在样品表面，并尽量喷薄;

　　b) 尺寸较大样品、组合类样品、管道件样品，需要对样品进行拆分分解，再测量;

　　c) 对内部形状扭曲、壁厚不均匀的样品，如：玻璃制品、陶瓷制品，需要对样品进行切割或分裂，再测量;

　　d) 对于尺寸较大、扫描难以获取完整图像的样品，可尝试贴标志点于样品表面后进行测量工作。

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　　5 . 4 测量

　　5 . 4 . 1 测量前仪器准备

　　测量前应进行下列仪器准备：

　　a) 每次测量前使用标准测量块对仪器进行稳定性检查，按附录 B方法执行;

　　b ) 调整相机的曝光、增益使样品清晰;

　　c) 将预处理好的样品放置在测量区域，控制物体旋转一定角度，以使能拍摄到不同视角物体的系列图像。

　　5 . 4 . 2 扫描

　　选择合适的扫描模式，开始进行扫描。

　　注：扫描模式一般有旋转扫描和不旋转扫描两种。

　　5 . 4 . 3 图像处理

　　获取的图像按下列步骤进行处理：

　　a) 根据程序合成的图像进行数据处理，优化点云，去除多余杂点，填补空洞;

　　b ) 保存当前测量样品的工程数据建立档案，完成测量工作，典型样品的三维图形参见附录 C。

　　5 . 5 分析结果的表述

　　结果保留三位有效数字，以两次测量结果的算术平均值作为试样的测量结果。

　　5 . 6 精密度

　　应符合下列要求：

　　a) 在同一实验室，由同一操作者使用相同设备，按相同的测量方法;

　　b ) 在短时间内对同一被测对象相互独立进行测量获得的两次独立测量结果的绝对差值与算术平均的比值，以百分比表示，要求如表 1 所示。

　　表 1 精密度要求

　　6 第二法 手持式面积测量仪法

　　6 . 1 试剂和材料

　　同 5 . 1 。

　　6 . 2 仪器与设备

　　6 . 2 . 1 手持式面积测量仪主机(仪器结构示意图参见图 A. 2) ：工业相机(分辨率)>130 万像素;多线激

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　　光发射设备(激光器采用 CLASS Ⅱ-人眼安全级别)，精度 ≥0.03 mm。

　　6 . 2 . 2 标志点贴纸：同 5 . 2 . 4 。

　　6 . 2 . 3 标准校准板：由数量为 5 × 5 的同心圆圈矩阵组成，圆圈外直径 8 mm、内直径 6 mm。

　　6 . 3 样品预处理

　　同 5 . 3 。

　　6 . 4 测量

　　测量工作按下列步骤进行：

　　a) 每次测量前，仪器需要按附录 D完成精度校准，保证采集三维面积精度;

　　b) 将标志点贴纸随机粘贴在样品上，避免有规律的粘贴;若样品特征不明显或棱角过于平缓，可通过标志点拼接，完成局部测量;

　　c) 通过预扫描，调整扫描距离、亮度，捕抓标志点，移动扫描仪采集样品不同角度的图像，使采集的三维模型尽可能接近实际样品，如图 1 所示;

　　d) 根据合成的图像进行数据处理，完成测量工作。

　　标引序号说明：

　　1 — 标志点。

　　图 1 扫描操作示意图

　　6 . 5 分析结果的表述

　　结果保留三位有效数字，以两次测量结果的算术平均值作为试样的测量结果。

　　6 . 6 精密度

　　同 5 . 6 。

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　　附 录 A

　　(资料性)仪器示意图

　　旋转平台式面积测量仪、手持式面积测量仪主机仪器结构示意图如图 A. 1、图 A. 2 所示。

　　标引序号说明：

　　1 — 结构光源;

　　2 — 固定支架;

　　3 — 工业相机;

　　4 — 旋转平台;

　　5 — 控制电机。

　　图 A.1 旋转平台式面积测量仪主机仪器结构示意图

　　标引序号说明：

　　1 — 多线激光器;

　　2 — 工业相机。

　　图 A.2 手持式面积测量仪主机仪器结构示意图

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　　附 录 B

　　(规范性)

　　旋转平台式面积测量仪的校准与确认

　　B.1 仪器出厂设置校准

　　将高精度校准板(5 . 2 . 2 )放在旋转平台上，面对相机进行校准，通过对 LED发光的校准板在环境光适合的状态下进行拍摄 8 张 ~10 张照片，8 张 ~ 10 张图像中校准板的倾斜角度可每次不一样，图像采集完成后保存计算结果即可。 高精度校准板如图 B. 1 所示。

　　图 B.1 高精度发光二极管(LED)校准板

　　B.2 仪器计量校准

　　仪器通过计量器对检测精度进行校准，校准器件如图 B. 2 所示。

　　图 B.2 实物计量器

　　将此校准器件放置到仪器的工作台面(旋转平台式面积测量仪)或平整的台面上，调用校准程序，按相应的测量方法采集校准器件的面积数据。 根据采集的数据计算实测值与标准值的差异。

　　B.3 仪器稳定性检查

　　进行实际样品测量前，可通过标准测量块(5 . 2 . 3) 如：半球体或长方体等对仪器的稳定性进行检查，如图 B. 3 所示。 实测值与标准块的定值比较，测量结果差值不超过算术平均值的 3%。

　　图 B.3 标准测量块

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　　附 录 C

　　(资料性)

　　典型样品的三维图形

　　典型样品的照片及三维重建图像如表 C. 1 所示。

　　表 C.1 典型样品图像

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　　附 录 D

　　(规范性)

　　手持设备精度校准

　　D.1 在平整的桌面上放置圆点校准模板，如图 D. 1 所示。

　　图 D.1 校准板示意图

　　D.2 开启激光器，照射校准板的标志点区域，确保光源至校准板的中心保持在 200 mm~ 300 mm 之间，如图 D. 2 所示。

　　图 D.2 照射校准板

　　D.3 如图 D. 3 所示变换圆点校准模板的倾斜角度，采集圆点校准模板图像。 按照上述步骤再采集 9 帧图像，各完成三组校准过程，保存计算结果。

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　　a)倾斜校准 b)居中校准 c)倾斜校准

　　图 D.3 校准步骤