專利名稱:一種激光視覺量值傳遞裝置和量值傳遞方法
技術領域:
本發(fā)明屬于激光視覺檢測技術,涉及對值傳遞裝置和量值傳遞方法的改進。
背景技術:
激光視覺檢測技術廣泛地應用于工件的完整性、表面平整度的測量;微電子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自動檢測;軟質、易碎零部件的檢測;各種模具三維形狀的檢測;機器人的視覺導引等。激光視覺檢測技術以其大量程、大視場、測量速度快、光條圖像易于提取及較高精度等特點在工業(yè)環(huán)境中得到了愈來愈廣泛的應用。
量值傳遞是激光視覺檢測的關鍵環(huán)節(jié)之一。如何設計高精度的激光視覺量值傳遞裝置則是實現(xiàn)高精度測量的基礎。目前文獻報道中主要有以下裝置拉絲靶裝置。
R.Dewar[Dewar.R,“Self-generated targets for spatial calibration ofstructured light optical sectioning sensors with respect to an externalcoordinate system,”Robots and Vision’88 Conf.Proceedings.Detroit,1988,pp.5-13.]和K.W.James[K.W.James,“Noncontact Machine VisionMetrology Within a CAD Coordinate System,”Autofact’88 ConferenceProceedings,1988,pp.9-17.]分別使用了所謂“拉絲法靶”裝置來實現(xiàn)激光視覺傳感器的量值傳遞。如圖1所示,激光光平面投射到在空間分布的幾根不共面的細絲上,由于細絲散射,從而在細絲上形成亮點,幾個亮點在像面上成像。同時采用其它坐標儀器(如電子經(jīng)緯儀對)測出亮點在空間中的坐標值。利用像面亮點成像坐標及亮點在空間中測得的坐標值來求解光平面與攝像機間的位置參數(shù),標定出的精度可達±0.05mm(±3σ)。
但是這種裝置在細絲上形成的亮點本身表現(xiàn)為一種光強分布,用儀器瞄準的亮點與利用軟件算法從亮點在像面成像形成的灰度分布中提取的點一般不是對應點。再者,由于細絲和實際測量中的待測物表面的散射特性相差較大,這必然導致利用細絲散射在像面上形成的灰度分布求得的特征點,與利用待測物表面散射在像面上形成的灰度分布求得的特征點不是來自同一個光平面。這兩種不一致必然會給量值傳遞帶來誤差。
鋸齒靶裝置。
段發(fā)階等人[段等,“一種新型線結構光傳感器結構參數(shù)標定方法”,儀器儀表學報,2000,Vol.21,No.1,pp.108-110提出了一種鋸齒靶量值傳遞裝置,該裝置由一個簡單鋸齒靶和一個一維工作臺構成,如圖2所示。它不需要其它儀器輔助測量激光光平面上點的坐標,且鋸齒靶面的散射特性也可做成與待測表面的散射特性相一致。激光光投射器把光束投射到鋸齒靶上,與靶面相交從而形成折線式光條,折線光條在攝像機像面上成像,像光條也是折線狀。利用光條算法可求折線的轉折點的像面坐標,這些轉折點對應光平面與鋸齒靶標各棱線的交點。圖2中,ocxcyc為鋸齒靶面的基準面,棱線“1”、“2”、“3”都與基準面平行。鋸齒型標定靶緊固在一維工作臺上,通過儀器調整使得一維工作臺的運動方向與基準面相垂直。通過一維移動臺的移動,可以獲得激光光平面內多個特征點,但中方式獲得的點不是很多。由于該裝置需要調整一維工作臺或傳感器的姿態(tài),使得激光光平面與棱線相垂直,操作較復雜,且因齒棱易反光,造成像點的提取精度較低。另外,因齒棱有限,獲取的標定點數(shù)目少。
微分量塊裝置。
微分量塊裝置[鄒,《三維視覺檢測研究及其ADC應用》,天津天津大學精密儀器工程系博士學位論文,1992]也是一種較為有效的激光視覺量值傳遞裝置。如圖3所示的是任意激光光平面切入已知量塊。量值傳遞是針對這塊已知量塊進行的。已知量塊是一個六面體,上、下兩表面相互平行。實際操作時,將量塊放在一移動臺上,移動臺可沿一坐標軸移動,利用標準位置增量進行量值傳遞計算。利用該裝置進行量值傳遞要求光條與棱邊準確對準,移動臺沿一坐標軸移動,因此調整比較困難。
直線或平面已知裝置。
Chen于1987年提出了一種由已知直線和圖像點的匹配直接獲得攝像機像平面與結構光光平面量值傳遞關系的方法[Chen,C.H.and Kak,A.C.,“Modeling and Calibration of a Structured Light Scanner for 3D RobotVision,”Proc.IEEE Conf.Robotics and Automation.1987,No.2,pp.807-815.],并設計了相應的量值傳遞裝置。該裝置帶有6條非平行非共面的已知直線,這些直線是由剛性平面相交形成的。激光視覺傳感器投射的激光平面與這些已知直線的交點作為量值傳遞計算的特征點。這種裝置需要與機器人配合使用。Reid擴展了Chen的方法,于1996年提出了一種由已知平面和圖像點的匹配直接獲得攝像機像平面與結構光光平面量值傳遞關系的方法[Reid,I.D.,“Projective Calibration of aLaser-Stripe Range Finder,”Image and Vision Computing.1996,Vol.14,No.9,pp.659-666.]。他設計的量值傳遞裝置由6個非平行的已知剛性平面構成,激光視覺傳感器投射的激光平面與這些平面的相交光條上的任意點都可以作為量值傳遞計算的特征點。該裝置需要與一臺類似機器人的移動車配合使用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種精度高、可以產生更多精度更高的用于量值傳遞計算的特征點的裝置,以進一步提高激光視覺測量的精度。同時,提出使用該裝置進行量值傳遞的方法。
本發(fā)明的技術方案是、一種激光視覺高精度量值傳遞裝置,其特征在于,該傳遞裝置是一個剛性體,它有兩個相互垂直的豎平面,在每個豎平面上有2~6行2~6列共4~36個凸起矩形塊,每個凸起矩形塊的高度相同,為3~10mm,其中第一、三行的凸起矩形塊為邊長20~60mm的正方形,第二行的凸起矩形塊為邊長20~30×40~60mm的矩形,凸起矩形塊的行間距均為5~20mm,列間距為5~20mm,兩個豎平面的交線到兩平面上最近的矩形塊的最近邊緣的距離為5~20mm,量值傳遞裝置的加工精度為0.001~0.005mm。
使用如上面所述的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法,其特征在于,操作步驟如下1、把量值傳遞裝置放置到能夠被視覺傳感器全部看到且量值傳遞裝置充滿視覺傳感器視場的位置;2、打開激光視覺傳感器中CCD攝像機的電源,采集量值傳遞裝置的一幅圖像,存儲到計算機中;
3、提取量值傳遞裝置上所有凸起矩形塊的所有角點的二維像坐標(Xi,Yi)及其對應的三維物坐標(xwi,ywi,zwi),存儲到計算機中;4、開啟激光器電源,向量值傳遞裝置投射激光,在量值傳遞裝置的兩剛性平面上形成激光光條,使激光光條與量值傳遞裝置凸起矩形塊的邊緣相交;5、提取激光光光條與量值傳遞裝置上矩形塊邊緣的交點Di的二維像坐標(XLi,YLi),利用一次交比式(2),計算像坐標(XLi,YLi)所對應的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)并存儲;計算至少3個這樣的交點。
r(Ai,Bi,Ci,Di)=r′(Ai′,Bi′,Ci′,Di′) (2)其中,Ai,Bi,Ci,Di表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;Ai′,Bi′,Ci′,Di′表示Ai,Bi,Ci,Di所對應的像點,r′表示它們的交比。
6、在激光光光條上任意取一點,提取其像坐標(XLi,YLi),結合一次交比求得的至少三個角點的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)及其像坐標(XLi,YLi),利用雙重交比不變式(3)來求取該點的三維物坐標,并存儲;r(D1,D2,D3,D4)=r′(D1′,D2′,D3′,D4′) (3)其中,D1,D2,D3,D4表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;D1′,D2′,D3′,D4′表示D1,D2,D3,D4所對應的像點,r′表示它們的交比。
7、重復6的工作,得到所需要的激光光光平面上足夠多點的三維物坐標及其對應的二維像坐標,就可以進行量值傳遞的計算。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、該裝置為三維立體塊,采用凸起的矩形的角點作為特征點,一方面凸起的矩形易于加工,可獲得較高的加工精度;另一方面矩形角點不存在透視投影畸變誤差,且圖像坐標易于提取,可以達到很高的精度。
2、結合雙重交比不變原理,可以獲得激光光平面上數(shù)量任意多的用于量值傳遞計算的特征點,可有效提高激光視覺的量值傳遞精度。
圖1是現(xiàn)有的拉絲靶量值傳遞裝置示意圖。圖中,1是激光投射器,2是CCD攝像機,3是框架,4是半透明細絲,5是圖像采集卡,6是計算機。
圖2是現(xiàn)有的鋸齒靶量值傳遞裝置示意圖。
圖3是現(xiàn)有的微分量塊量值傳遞裝置示意圖。
圖4是本發(fā)明三維立體塊激光視覺量值傳遞裝置結構圖。
圖5是交比不變性原理示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明所設計的激光視覺高精度量值傳遞裝置是一三維立體靶標塊,結合雙重交比不變原理,能夠獲得激光光平面上用于量值傳遞計算所需的任意數(shù)量的高精度的特征點。該裝置有效克服了現(xiàn)有裝置存在的不足,提高了激光視覺檢測的量值傳遞精度。本發(fā)明激光視覺高精度量值傳遞裝置,其特征在于,該傳遞裝置是一個剛性體,它有兩個相互垂直的豎平面,在每個豎平面上有2~6行2~6列共4~36個凸起矩形塊,每個凸起矩形塊的高度相同,為3~10mm,其中第一、三行的凸起矩形塊為邊長20~60mm的正方形,第二行的凸起矩形塊為邊長20~30×40~60mm的矩形,凸起矩形塊的行間距均為5~20mm,列間距為5~20mm,兩個豎平面的交線到兩平面上最近的矩形塊的最近邊緣的距離為5~20mm,量值傳遞裝置的加工精度為0.001~0.005mm。該傳遞裝置其他部分的結構為任意形狀,只要保證上述兩個平面的牢固剛體連接即可。例如整體加工的傳遞裝置的輪廓為六面體或者五面體,或者在相互垂直連接的板狀平面之間設置加強筋都可。
如圖4所示為本發(fā)明量值傳遞裝置的一個設計實施例。該裝置由鋼加工而成,兩個剛性豎平面的夾角為90°。每個豎平面上有6個凸起矩形塊,凸起的高度為5mm,其中第一、三行的四個為40mm×40mm,第二行的兩個為20mm×16mm。第一、二行和第二、三行的間距均為7mm。兩列的間距為20mm。兩個剛性豎平面的交線到兩平面上最近的矩形塊的最近邊緣的距離為10mm。量值傳遞裝置的加工精度為0.005mm。矩形塊的角點的空間三維坐標精確已知,其二維圖像坐標可以通過角點提取的方法高精度地獲得。利用這些角點,基于雙重交比不變原理可以獲得光平面上任意多的用于量值傳遞的特征點。
本發(fā)明量值傳遞方法使用了雙重交比不變原理。如圖5所示,平面π1上有三條非重合直線AiBiCi(i=1,2,3),直線D1D2D3與這三條直線分別交于點D1、D2、D3。通過透視投影中心o,它們在平面π2上的像分別為Ai′Bi′Ci′和D1′D2′D3′。
根據(jù)透視投影定理,直線經(jīng)過透視投影變換仍然為直線。因此點Ai′、Bi′、Ci′、Di′(i=1,2,3)共線。共線四點的交比定義為r(A,B,C,D)=ACCB/ADDB---(1)]]>根據(jù)透視投影變換下交比不變原理,有下式成立r(Ai,Bi,Ci,Di)=r′(Ai′,Bi′,Ci′,Di′) (2)在點Ai、Bi、Ci的坐標及點Ai′、Bi′、Ci′、Di′的坐標已知的條件下,利用式(2)可獲得Di的坐標。這樣可分別獲得點D1、D2、D3的坐標。
在直線D1D2D3上任取一點D4,對應O點的透視投影點為D4′。再次利用交比不變原理,有r(D1,D2,D3,D4)=r′(D1′,D2′,D3′,D4′) (3)由式(2)一次交比不變可獲得點D1,D2,D3的坐標,在其對應的像點D1′,D2′,D3′的坐標及點D4′的坐標已知的條件下,則再次利用交比不變式(3)可求出D4的坐標。依此類推,可獲取直線D1D2D3上任意一點的坐標。交比的上述特性稱為雙重交比不變性使用本發(fā)明的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法,其特征在于,操作步驟如下1、把量值傳遞裝置放置到能夠被視覺傳感器全部看到且量值傳遞裝置盡量充滿視覺傳感器視場的位置;2、打開激光視覺傳感器中CCD攝像機的電源,采集量值傳遞裝置的一幅圖像,存儲到計算機中。
3、提取量值傳遞裝置上所有凸起矩形塊的所有角點的二維像坐標(Xi,Yi)及其對應的三維物坐標(xwi,ywi,zwi),存儲到計算機中。提取方法見C.G.Harris and M.J.Stephens的文章“一種綜合的角點和邊緣探測器”(A combined corner and edge detector),第四屆Alvey視覺會議論文集,曼徹斯特,第147~151頁,1988年。(Proceedings FourthAlvey Vision Conference,Manchester.pp 147-151,1988)4、開啟激光器電源,向量值傳遞裝置投射激光,在量值傳遞裝置的兩剛性平面上形成激光光條,使激光光條與量值傳遞裝置凸起矩形塊的邊緣相交;5、提取激光光光條與量值傳遞裝置上矩形塊邊緣的交點Di的二維像坐標(XLi,YLi),利用一次交比式(2),計算像坐標(XLi,YLi)所對應的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)并存儲;計算至少3個這樣的交點。
r(Ai,Bi,Ci,Di)=r′(Ai′,Bi′,Ci′,Di′) (2)其中,Ai,Bi,Ci,Di表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;Ai′,Bi′,Ci′,Di′表示Ai,Bi,Ci,Di所對應的像點,r′表示它們的交比。
上述提取方法見魏振忠、張廣軍的文章“結構光視覺檢測中直棱邊特征點自動提取方法”,2002全國光電技術學術交流會議論文集,第196~199頁。
6、在激光光光條上任意取一點,提取其像坐標(XLi,YLi),結合一次交比求得的至少三個角點的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)及其像坐標(XLi,YLi),利用雙重交比不變式(3)來求取該點的三維物坐標,并存儲;r(D1,D2,D3,D4)=r′(D1′,D2′,D3′,D4′) (3)其中,D1,D2,D3,D4表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;D1′,D2′,D3′,D4′表示D1,D2,D3,D4所對應的像點,r′表示它們的交比。
7、重復6的工作,得到所需要的激光光光平面上足夠多點的三維物坐標及其對應的二維像坐標,就可以進行量值傳遞的計算。
8.實施例利用如圖4所示的靶標設計實施例,對所設計的一激光視覺傳感器進行了量值傳遞。激光視覺傳感器的構成為攝像機型號為MS-368P,分辨率420線,像元數(shù)為537(h)×597(v)(CCIR);激光器為半導體紅光激光器,波長為650nm,線寬小于1mm。利用圖4所示標提供的矩形塊的48個角點和提取的激光光條上的12個特征點作為量值傳遞特征點,對所設計的激光視覺傳感器進行的量值傳遞結果如下(1)激光視覺傳感器攝像機內部參數(shù)有效焦距f=16.192337橫向變換比例系數(shù)Sx=1.005320鏡頭徑向畸變系數(shù)k=0.000543像面中心U0=396.954757 V0=254.007269(2)激光視覺傳感器結構參數(shù)R=0.1358320.1717880.9757250.843045-0.537361-0.0227530.5204080.825670-0.217816]]>T=[-61.971294 8.464447 601.586335]T
(3)激光光平面方程系數(shù)[a b c d]=[-0.000769 0.056868 -0.584231 10.404217]對上述已進行量值傳遞的激光視覺傳感器的重復行測試精度和測量精度進行了實驗,實驗結果如下(1)重復性測試實驗對激光光平面上的某一點進行了10次重復測量,重構了其三維世界坐標,以測試該傳感器測量的重復性,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 激光視覺傳感器重復性測試數(shù)據(jù)(mm)
由表1可以看出,三維世界坐標的重復性測試誤差3σ不超過0.034mm,具有較好的重復性。
(2)測量精度評價實驗利用經(jīng)緯儀對三坐標測量系統(tǒng),對進行了量值傳遞的激光視覺傳感器的測量精度進行了評價實驗。所建立的經(jīng)緯儀對三坐標測量系統(tǒng)的測量精度為0.032mm。用經(jīng)緯儀對三坐標測量系統(tǒng)和已量值傳遞的激光視覺傳感器分別測量了激光光平面上的四個共線的點,并計算出每兩個點之間的距離。對距離進行比對,以評價已量值穿的的激光視覺傳感器的測量精度。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 激光視覺傳感器測量精度評價實驗數(shù)據(jù)(mm)
由表2的試驗數(shù)據(jù)可以看出,該量值傳遞的激光視覺傳感器測量兩點間絕對距離的RMS誤差不大于0.145mm,對于單點的測量精度應該優(yōu)于此值。
權利要求
1.一種激光視覺高精度量值傳遞裝置,其特征在于,該傳遞裝置是一個剛性體,它有兩個相互垂直的豎平面,在每個豎平面上有2~6行2~6列共4~36個凸起矩形塊,每個凸起矩形塊的高度相同,為3~10mm,其中第一、三行的凸起矩形塊為邊長20~60mm的正方形,第二行的凸起矩形塊為邊長20~30×40~60mm的矩形,凸起矩形塊的行間距均為5~20mm,列間距為5~20mm,兩個豎平面的交線到兩平面上最近的矩形塊的最近邊緣的距離為5~20mm,量值傳遞裝置的加工精度為0.001~0.005mm。
2.使用如權利要求1所述的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法,其特征在于,操作步驟如下2.1、把量值傳遞裝置放置到能夠被視覺傳感器全部看到且量值傳遞裝置充滿視覺傳感器視場的位置;2.2、打開激光視覺傳感器中CCD攝像機的電源,采集量值傳遞裝置的一幅圖像,存儲到計算機中;2.3、提取量值傳遞裝置上所有凸起矩形塊的所有角點的二維像坐標(Xi,Yi)及其對應的三維物坐標(xwi,ywi,zwi),存儲到計算機中;2.4、開啟激光器電源,向量值傳遞裝置投射激光,在量值傳遞裝置的兩剛性平面上形成激光光條,使激光光條與量值傳遞裝置凸起矩形塊的邊緣相交;2.5、提取激光光光條與量值傳遞裝置上矩形塊邊緣的交點Di的二維像坐標(XLi,YLi),利用一次交比式(2),計算像坐標(XLi,YLi)所對應的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)并存儲;計算至少3個這樣的交點。r(Ai,Bi,Ci,Di)=r′(Ai′,Bi′,Ci′,Di′) (2)其中,Ai,Bi,Ci,Di表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;Ai′,Bi′,Ci′,Di′表示Ai,Bi,Ci,Di所對應的像點,r′表示它們的交比。2.6、在激光光光條上任意取一點,提取其像坐標(XLi,YLi),結合一次交比求得的至少三個角點的三維物坐標(xwLi,ywLi,zwLi)及其像坐標(XLi,YLi),利用雙重交比不變式(3)來求取該點的三維物坐標,并存儲;r(D1,D2,D3,D4)=r′(D1′,D2′,D3′,D4′) (3)其中,D1,D2,D3,D4表示量值傳遞裝置上共線的四個角點,r表示這四點的交比;D1′,D2′,D3′,D4′表示D1,D2,D3,D4所對應的像點,r′表示它們的交比。2.7、重復2.6的工作,得到所需要的激光光光平面上足夠多點的三維物坐標及其對應的二維像坐標,就可以進行量值傳遞的計算。
3.根據(jù)權利要求1所述的高精度量值傳遞裝置,其特征在于,所說的量值傳遞裝置由鋼材加工制造。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光視覺檢測技術,涉及對量值傳遞裝置和量值傳遞方法的改進。該傳遞裝置是剛性體,它有兩個相互垂直的有一定厚度的豎平面,在每個豎平面上有縱橫排列的凸起矩形塊,每個凸起矩形塊的高度相同。本發(fā)明裝置易于加工,不存在透視投影畸變誤差,且圖像坐標易于提取,可以達到很高的精度。本發(fā)明方法結合雙重交比不變原理,可獲得用于量值傳遞計算所需的任意數(shù)量的高精度的特征點,可有效提高激光視覺的量值傳遞精度。
文檔編號G01B11/00GK1912531SQ20051009013
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者張廣軍, 周富強, 魏振忠, 江潔 申請人:北京航空航天大學