專利名稱：光電測寬儀動態(tài)測量位置校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測技術(shù)，具體地說，是關(guān)于在線檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
帶鋼在線測寬主要采用成像測量的原理，可以用共軸理想光學(xué)系統(tǒng)來描述成像關(guān)系，如圖1所示，被測物保持物面位置和像面位置共軛，并垂直于光軸(在誤差允許范圍內(nèi))，是成像測量的基本條件。如果被測物偏離物面時(像面保持不變)，物像的共軛點約束關(guān)系被破壞，象的清晰度也受到影響，而當(dāng)被測物不垂直光軸OO’時，物象的幾何相似性沒有反映實際的比例關(guān)系，這些因素都會導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。
帶鋼在線測寬儀一般放置在終軋出口，進(jìn)行成品檢測，由于終軋出口有立棍夾住，帶鋼可以滿足成像測量的要求。為實現(xiàn)帶鋼軋制全過程自動控制，需要在軋制過程中進(jìn)行寬度檢測，而這時帶鋼運動的自由度增大，會產(chǎn)生較大的跳動和傾斜，破壞了成像測量的基本條件，給測量造成較大的誤差，帶鋼在軋制過程中的運動特性如圖2所示。在帶鋼軋制過程中實現(xiàn)測寬的技術(shù)關(guān)鍵，是使測寬儀克服帶鋼跳動和傾斜對測量的影響，進(jìn)一步提高測寬儀的動態(tài)適應(yīng)能力和檢測精度。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，測寬儀亟待解決動態(tài)檢測適應(yīng)能力問題，以便為實現(xiàn)帶鋼軋制全過程自動控制創(chuàng)造條件?？朔т撦S向跳動和傾斜對測量的影響是解決這一問題的技術(shù)關(guān)鍵，而使測寬儀具有沿光軸方向?qū)Ρ粶y物位置的識別能力，以便對軸向跳動和傾斜產(chǎn)生的測量誤差進(jìn)行校正，是解決這一問題的有效技術(shù)途經(jīng)。因此，本發(fā)明的目的是提供一種光電測寬儀動態(tài)測量位置的校正方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法，其步驟包括a.利用兩組線列陣攝像機建立同時測量帶鋼二邊緣的距離信息，構(gòu)成測寬、測距合一的測量裝置；b.利用實驗?zāi)Ｊ綄z像機定標(biāo)，獲得圖像數(shù)據(jù)和尺度的關(guān)系，建立尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表；c.以校正模型構(gòu)建獲得目標(biāo)軸向跳動校正關(guān)系，建立距離校正運算表；d.以校正模式構(gòu)建獲得目標(biāo)傾斜校正關(guān)系式，建立傾斜校正運算表；以及e.建立由模擬信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路和計算機依次聯(lián)結(jié)構(gòu)成的信息處理系統(tǒng)，由模擬信號處理電路提供驅(qū)動時序和同步信號，以及提取可進(jìn)行數(shù)字處理的目標(biāo)信號；在計算機中建立包括接受目標(biāo)數(shù)字信號輸入，以及完成寬度和校正運算的尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表、距離校正運算表和傾斜校正運算表所構(gòu)成的信息處理功能模塊。
進(jìn)一步，所述兩組線列陣攝像機的光軸平行、且其探測器在一直線上排列，光學(xué)參數(shù)基本一致，公共視場為測量有效視場，光軸間距、探測器分辨率是影響軸向位置測量精度的主要因素；在實驗室用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標(biāo)器，進(jìn)行攝像機定標(biāo)試驗，獲得圖像數(shù)據(jù)和尺度關(guān)系；用實驗?zāi)M的方法，獲得校正測試數(shù)據(jù)，用最小二乘法建立軸向跳動和傾斜的校正關(guān)系式。
從上所述，本發(fā)明方法的優(yōu)點是1、可從兩組CCD線列陣攝像機獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向?qū)Ρ粶y物位置的識別能力；2、以實驗?zāi)Ｊ綄z像機定標(biāo)，建立尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表和以校正模型建立對目標(biāo)軸向跳動和傾斜的校正關(guān)系式，使在動態(tài)測量時，根據(jù)位置信息，能實時校正測量誤差。


圖1是共軸理想光學(xué)系統(tǒng)成像測量原理圖。
圖2是帶鋼運動特性示意圖。
圖3是探測系統(tǒng)測量原理圖。
圖4是測寬儀信息處理系統(tǒng)框圖。
圖5是測寬儀信息處理流程圖。
具體實施例方式下面根據(jù)圖3～圖5給出本發(fā)明一個較好實施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地說明本發(fā)明的技術(shù)特征和功能特色，但不是用來限定本發(fā)明的范圍。
請參閱圖3，本發(fā)明的探測系統(tǒng)由二組CCD攝像機構(gòu)成，每組攝像機由光學(xué)系統(tǒng)和線列陣CCD器件組成。帶鋼寬度測量采用被動式成像測量法，由二組攝像機分別獲取帶鋼邊緣的圖像，經(jīng)運算得到寬度值。根據(jù)雙目視覺方法的測距原理，二組攝像機可以同時測得帶鋼二邊緣的距離信息，從而組成測寬、測距合一的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在線測寬的動態(tài)校正，如圖3所示設(shè)定CCD攝像機1、2的光軸的間距為b，帶鋼邊緣點P1在攝像機1的成像位置為d1、在攝像機2的成像位置為d2，點P1距攝像機2光軸為L1，攝像機1、2的像距為L0，β為攝像機垂軸放大倍數(shù)，根據(jù)幾何光學(xué)的相似性原理可以得到P1點的軸向距離Z1=bL0d1-d2---(1)]]>帶鋼邊緣點P2在攝像機1的成像位置為d3、在攝像機2的成像位置為d4，同理可以得到P2點的軸向距離Z2=bL0d4-d3---(2)]]>b稱為基線長度，L0為攝像機內(nèi)部參數(shù)，(d1-d2)、(d4-d3)為視差。根據(jù)成像測量原理，可以得到帶鋼寬度W=d1+d4+bβ---(3)]]>本發(fā)明的特點是采用本發(fā)明的方法后，探測系統(tǒng)能克服帶鋼軸向跳動和傾斜對測量的影響，動態(tài)適應(yīng)能力有了顯著提高。
本發(fā)明采用從探測器獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向?qū)Ρ粶y物位置的識別能力，組成測寬、測距合一的測量系統(tǒng)。
在本實施例中，兩組線列陣攝像機1、2的光軸平行、探測器11，22在一條直線上排列，光學(xué)參數(shù)基本一致(光學(xué)焦距，F(xiàn)數(shù))，公共視場為測量有效視場(兩攝像機有效視場的重疊部分)，光軸間距、探測器分辨率是影響軸向位置測量精度的主要因素，根據(jù)式(1)、(2)，軸向距離和光軸間距b成正比，b越大，距離測量精度越高。
在攝像機系統(tǒng)確定的情況下，設(shè)距離為z1時的視差為u，當(dāng)距離變化Δz，視差的變化量為Δu，則
Δz=bL0Δuu2---(4)]]>式(4)表明，距離的測量精度取決于視差的分辨率。視差的最小分辨率就是攝像機的分辨率，即攝像機的分辨率越高，距離的測量精度越高。
一.信息處理系統(tǒng)組成請參閱圖4測寬儀信息處理系統(tǒng)分為三個部分，即模擬信號處理電路3、以數(shù)字電路為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集電路4和基于計算機的信息運算處理系統(tǒng)5，模擬信號處理電路3通過對信號的放大、濾波、直流恢復(fù)和二值化等處理，提取出可進(jìn)行數(shù)字處理的目標(biāo)信號。以單片式微處理器41為核心的邏輯處理電路，在嵌入式軟件的程序控制下，將目標(biāo)信號依據(jù)時間上的排列，按序采集存儲，經(jīng)格式編排后，通過計算機接口，傳輸給信息運算處理系統(tǒng)5。信息運算處理系統(tǒng)5一般采用通用個人計算機，主要完成寬度及校正運算，信息處理流程100如圖5所示。其運行步驟依次如下S1000、啟動程序，S1001、輸出二路CCD驅(qū)動時序和同步信號，S1002輸出二路CCD模擬信號，S1003、信號調(diào)理形成二值化信號，S1004、控制計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，S1005、計數(shù)值鎖存，S1006、讀取計數(shù)值，S1007按帶鋼前后沿進(jìn)行編碼，S1008、數(shù)據(jù)傳輸，S1009、解出二路CCD信號的前后沿計數(shù)值，S1010、查尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表，S1011、查距離校正運算表，S1012、查傾斜校正運算表，S1013、寬度運算，S1014、顯示存儲，S1015、程序運行結(jié)束。
二.攝像機定標(biāo)在本發(fā)明中，為了獲得圖像數(shù)據(jù)和尺度的關(guān)系，使用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標(biāo)器，進(jìn)行攝像機定標(biāo)試驗。本實施例中，使用的模擬器、及運動定標(biāo)器的精度一般高于攝像機分辨率5倍，將定標(biāo)器放置于攝像機前，根據(jù)定標(biāo)器上模擬器的位置讀數(shù)取得x、z向的坐標(biāo)值，由攝像機輸出數(shù)據(jù)獲得圖像坐標(biāo)值，即完成一個定標(biāo)點的數(shù)據(jù)獲取。在攝像機視場范圍內(nèi)，移動模擬器，根據(jù)定標(biāo)點數(shù)要求，獲得n個點的定標(biāo)數(shù)據(jù)。通過下述數(shù)據(jù)處理方法，獲得定標(biāo)系數(shù)。
攝像機定標(biāo)的目的就是通過已知被測物尺度值和攝像機獲取的被測物圖像數(shù)據(jù)，獲得攝像機內(nèi)、外部參數(shù)，建立圖像數(shù)據(jù)和尺度的關(guān)系，這也是成像測量法的基本要求。用線列陣探測器組成雙目視覺系統(tǒng)，不但要進(jìn)行x向尺度定標(biāo)，還要對z向進(jìn)行距離尺度的定標(biāo)。設(shè)兩攝像機1，2平行放置，光軸間距離為b，定標(biāo)點P在C1圖像坐標(biāo)為(u11，…，u1n)、在C2圖像坐標(biāo)為(u21，…，u2n)，而(x1，…，xn)則為定標(biāo)點P在C1的x向坐標(biāo)，而在C2坐標(biāo)則為(x1-b，…，xn-b)，n為定標(biāo)點數(shù)，ax1、bx1為C1攝像機定標(biāo)系數(shù)，ax2、bx2為C2攝像機定標(biāo)系數(shù)。根據(jù)雙目視覺方法的有關(guān)推論，得到C1、C2攝像機在x向的定標(biāo)方程x1x1-bMxnxn-b=u110100u2101Mu1n0100u2n01ax1ax2bx1bx2---(5)]]>(z01，…，z0n)為定標(biāo)點P在C1、C2攝像機的z向坐標(biāo)，az、bz為C1、C2攝像機z向定標(biāo)系數(shù)，同理得到由C1、C2攝像機組成的雙目視覺系統(tǒng)z向的定標(biāo)方程z01Mz0n=1u11-u211M1u1n-u2n1azbz---(6)]]>由于數(shù)據(jù)總是有噪聲的，在實際應(yīng)用中，定標(biāo)點數(shù)取n＞3，一般采用最小二乘法，經(jīng)線性擬合，求出定標(biāo)系數(shù)。為了滿足測量精度的要求，一般分段進(jìn)行定標(biāo)，分段數(shù)取決于精度要求。分段數(shù)越密，定標(biāo)精度越高，但當(dāng)定標(biāo)精度接近極限測量精度時，分段數(shù)再加密對精度提高作用不大。
三.動態(tài)測量誤差校正1.軸向跳動影響的校正帶鋼的軸向跳動引起光學(xué)系統(tǒng)的物距變化，導(dǎo)致成像關(guān)系也相應(yīng)變化，并產(chǎn)生離焦，使象長發(fā)生變化，寬度測量產(chǎn)生誤差。設(shè)物距為Z，物長為W0，尺寸當(dāng)量值為P，象距為l0，象元計數(shù)值為L，根據(jù)成像測量原理可以得到W0＝P×L (7)根據(jù)式(7)，當(dāng)物距發(fā)生變化時，要使象元計數(shù)值L變化而W0仍保持不變，那么尺寸當(dāng)量值P必定是一個隨物距變化的變量。由于軸向跳動引起光學(xué)彌散斑擴大，象質(zhì)發(fā)生變化，信息采集電路存在噪聲，所以尺寸當(dāng)量值P和物距Z的函數(shù)關(guān)系一般通過實驗的方法確定，用最小二乘法獲得擬合曲線方程。對于復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系一般通過分段折線的辦法獲得，分段數(shù)取決于校正精度，分段數(shù)越密，校正精度越高(在極限測量精度內(nèi))。
對于寬度為W0的標(biāo)準(zhǔn)物長，在物距為(z01，…，z0n)處，得到的象元計數(shù)值為(L1，…，Ln)，校正參數(shù)為Pa、Pb，n為點數(shù)，帶鋼軸向跳動的誤差校正方程為W0L1MW0Ln=z011Mz0n1papb---(8)]]>一般n＞3，用最小二乘法求得線性擬合方程，得到校正參數(shù)Pa、Pb。本實施例中，用實驗?zāi)M的方法，獲得軸向跳動的校正測試數(shù)據(jù)，用最小二乘法建立軸向跳動的校正關(guān)系式。本實施例中，將已知寬度的模擬器放置在定標(biāo)器上，在設(shè)定跳動范圍內(nèi)移動模擬器，獲得不同軸向距離下，攝像機輸出的象元計數(shù)值，按上述數(shù)據(jù)處理方法，得到軸向跳動的校正參數(shù)。
2.傾斜影響的校正帶鋼的傾斜使基于垂軸光學(xué)系統(tǒng)成像測量的物像關(guān)系未反映實物和象的比例關(guān)系，象長是實物在傾斜情況下的投影，不代表物的真實尺度。為校正傾斜角θ的影響，需測出θ角，并建立校正關(guān)系式(9)，Eθ為補償函數(shù)。
W0＝W+Eθ(9)根據(jù)雙目視覺距離測量方法，可以得到帶鋼兩邊緣到攝像機的軸向距離Z1、Z2，根據(jù)幾何三角定理得到傾斜角θθ=ArcCos(|Z2-Z1|W0)---(10)]]>根據(jù)式(10)，Eθ為和軸向距離相關(guān)的函數(shù)，(W1，…，Wn)為對應(yīng)于兩邊緣距離差[(z21-z11)，…，(z2n-z1n)]的寬度測量值，Eθa、E0b為校正參數(shù)，由此得到帶鋼傾斜的誤差校正方程為W0-W1MW0-Wn=z21-z111Mz2n-z1n1EθaEθb---(11)]]>一般n＞3，用最小二乘法求得線性擬合方程，得到校正參數(shù)E0a、E0b。在本實施例中，采用實驗?zāi)M方法，獲得帶鋼傾斜校正測試數(shù)據(jù)，并用最小二乘法建立帶鋼傾斜的校正關(guān)系式。本實施例中，將已知寬度的模擬器放置在定標(biāo)器上，在設(shè)定傾斜角度內(nèi)轉(zhuǎn)動模擬器，獲得模擬器兩邊沿不同距離差下，由攝像機測得的模擬器寬度，按上述數(shù)據(jù)處理方法，得到傾斜的校正參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法，其步驟包括a.利用兩組線列陣攝像機建立同時測量帶鋼二邊緣的距離信息，構(gòu)成測寬、測距合一的測量裝置；b.利用實驗?zāi)Ｊ綄z像機定標(biāo)，獲得圖像數(shù)據(jù)和尺度的關(guān)系，建立尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表；c.以校正模型構(gòu)建獲得目標(biāo)軸向跳動校正關(guān)系式，建立距離校正運算表；d.以校正模型構(gòu)建獲得目標(biāo)傾斜校正關(guān)系式，建立傾斜校正運算表；以及e.建立由模擬信號處理電路、數(shù)據(jù)采集電路和計算機依次聯(lián)結(jié)構(gòu)成的信息處理系統(tǒng)，由模擬信號處理電路提供驅(qū)動時序和同步信號，以及提取可進(jìn)行數(shù)字處理的目標(biāo)信號；在計算機中建立包括接受目標(biāo)數(shù)字信號輸入，以及完成寬度和校正運算的尺寸定標(biāo)數(shù)據(jù)表、距離校正運算表和傾斜校正運算表所構(gòu)成的信息處理功能模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法，其特征在于兩組線列陣攝像機的光軸平行、探測器在一直線上排列，光學(xué)參數(shù)基本一致，公共視場為測量有效視場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法，其特征在于在實驗室用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標(biāo)器，進(jìn)行攝像機定標(biāo)試驗，獲得圖像數(shù)據(jù)和尺度關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法，其特征在于用實驗?zāi)M的方法，獲得校正測試數(shù)據(jù)，用最小二乘法建立軸向跳動和傾斜的校正關(guān)系式。
全文摘要
一種光電測寬儀動態(tài)測量的位置校正方法。該方法適用于光電測寬儀在線測量時，對被測物軸向跳動和傾斜引起的測量誤差進(jìn)行實時校正。本發(fā)明的特點是從探測器獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向?qū)Ρ粶y物位置的識別能力，組成測寬、測距合一的測量系統(tǒng)，經(jīng)過實驗?zāi)Ｊ綄z像機定標(biāo)和以校正模型建立目標(biāo)軸向跳動和傾斜校正關(guān)系式，使在動態(tài)測量時，根據(jù)位置信息可實時校正測量誤差。
文檔編號G01B11/02GK1847781SQ20061002386
公開日2006年10月18日 申請日期2006年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者童衛(wèi)旗, 陳桂林 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所