雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法
【專利摘要】雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法的測試平臺上安裝有刻度標(biāo)尺和直線導(dǎo)軌，測試模塊和被測物模塊由工裝固定在測試平臺的直線導(dǎo)軌上方，刻度標(biāo)尺固定在兩直線導(dǎo)軌中間位置，并與直線導(dǎo)軌平行；測試模塊由兩臺相機、一個一字型線激光器和步進電機組成，其中相機固定在與直線導(dǎo)軌連接的測試模塊工裝上，并與被測物之間呈角度安裝，一字型線激光器由夾具固定，末端的軸承與測試模塊工裝連接，并安裝在相機的視場后方，直線電機的軸承上連接有凸輪；其主要步驟如下：第一步：一字型線激光器安裝角度與相機視場位置確定；第二步：光線投射圖像采集；第三步：光線中心線提??；第四步：擬合光線中心線求內(nèi)壁中心坐標(biāo)；第五步：重復(fù)測量，計算系統(tǒng)精度。
【專利說明】雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 基于機器視覺和激光測量的測試測控技術(shù)，尤其針對基于雙目視覺的激光標(biāo)定測 量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 非接觸式測量技術(shù)在日常應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)成為不可或缺的測量方式。非 接觸式測量不但能夠在空間狹小、輻射、高低溫等特殊環(huán)境的情況下進行，而且能夠排除接 觸測量對柔性物體尺寸、位置等被測參數(shù)的人為和機械磨損帶來的誤差，有效的提高了測 量精度。非接觸測量技術(shù)主要采用電子計算機、工業(yè)相機等設(shè)備對被測物進行圖像采集、圖 像處理、模式識別、距離計算等測量，相比于傳統(tǒng)接觸測量技術(shù)，非接觸測量采用高性能的 成像系統(tǒng)和計算系統(tǒng)對被測物的相關(guān)尺寸、位置參數(shù)進行自動測量，因而其測量速度更快， 平均測量成本更低，適用性更強。然而非接觸測量技術(shù)的實際應(yīng)用還并不成熟，應(yīng)用方式也 還停留在起步階段，實現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)品化還有一段距離。
[0003] 本發(fā)明提供的是一款雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，它的目的是解決封 閉環(huán)境下，物件內(nèi)壁測量困難，接觸式測量無法實現(xiàn)，通用非接觸式測量方式又存在測量精 度低下，測量過程復(fù)雜，測量成本過高的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述中提出的問題，本發(fā)明主要測量圓孔內(nèi)壁的周長、確定圓心的空間 位置。其技術(shù)方案如下：雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法由測試平臺、被測模塊、測 試模塊、被測模塊工裝、直線導(dǎo)軌、刻度標(biāo)尺、相機采集模塊、一字型線激光器、步進電機和 測試模塊工裝組成，其特征在于：測試平臺上安裝有刻度標(biāo)尺和直線導(dǎo)軌，測試模塊和被 測物模塊由工裝固定在測試平臺的直線導(dǎo)軌上方，所述刻度標(biāo)尺固定在兩直線導(dǎo)軌中間位 置，并與直線導(dǎo)軌平行。
[0005] 所述的測試模塊由至少兩臺相機、至少一個一字型線激光器和步進電機組成，其 中相機固定在與直線導(dǎo)軌連接的測試模塊工裝上，并與被測物之間呈角度安裝，一字型線 激光器由夾具固定，末端的軸承與測試模塊工裝連接，并安裝在相機的視場后方，所述直線 電機的軸承上連接有凸輪；
[0006] 所述雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法其特征在于，主要步驟如下：
[0007] 第一步：一字型線激光器安裝角度與相機視場位置確定；
[0008] 第二步：光線投射圖像采集；
[0009] 第三步：光線中心線提取；
[0010] 第四步：擬合光線中心線求內(nèi)壁中心坐標(biāo)；
[0011] 第五步：重復(fù)測量，計算系統(tǒng)精度；
[0012] 所述第一步中，一字型線激光器安裝角度與相機視場位置確定：是指測量前期需 要針對被測模塊的安裝位置將一字型線激光器投影位置和相機的視場范圍調(diào)整到合適位 置。
[0013] 所述第二步中，光線投射圖像采集：是指在相機與一字型線激光器同時工作時，步 進電機驅(qū)動一字型線激光器在恒定的范圍內(nèi)做往復(fù)運動，相機會將一字型線激光器在被測 物內(nèi)徑投射的光線進行采集和記錄。
[0014] 所述第三步中，光線中心線提?。菏侵敢蛔中途€激光器出射的線激光投影到被測 物內(nèi)壁會形成一段光亮的圓弧。由于圖像中圓弧有一定的寬度，為了保證測量精度，需要利 用相關(guān)圖像處理算法對圓弧的光線中心線進行提取。算法和數(shù)學(xué)公式如下：
[0015] a :原始圖像經(jīng)過閾值分割，面積特征提取得到激光圓弧目標(biāo)域的二值化圖像；
[0016] b :二值化圖像經(jīng)過距離變換得到灰度按照一定特性分布的灰度圖像G ;
[0017] 距離變換算法如下：圓弧目標(biāo)域的二值圖像可以表示成一個二維數(shù)組A[M，N]= a(x，y)，其中M、N分別代表圖像的行高和列寬值，a(x，y)代表圖像坐標(biāo)（x，y)處的灰度值， 其中，a(x，y) = 1代表目標(biāo)域，a(x，y) = 0代表背景點。
[0018] 設(shè)為目標(biāo)像素集合，為背景像素集合，距離變換的數(shù)學(xué)表達為：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法由測試平臺、被測模塊、測試模塊、被測模 塊工裝、直線導(dǎo)軌、刻度標(biāo)尺、相機采集模塊、一字型線激光器、步進電機和測試模塊工裝組 成，其特征在于：測試平臺上安裝有刻度標(biāo)尺和直線導(dǎo)軌，測試模塊和被測物模塊由工裝固 定在測試平臺的直線導(dǎo)軌上方，所述刻度標(biāo)尺固定在兩直線導(dǎo)軌中間位置，并與直線導(dǎo)軌 平行；所述的測試模塊由至少兩臺相機、至少一個一字型線激光器和步進電機組成，其中相 機固定在與直線導(dǎo)軌連接的測試模塊工裝上，并與被測物之間呈角度安裝，一字型線激光 器由夾具固定，末端的軸承與測試模塊工裝連接，并安裝在相機的視場后方，所述直線電機 的軸承上連接有凸輪；所述雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法其特征在于，主要步驟 如下： 第一步：一字型線激光器安裝角度與相機視場位置確定； 第二步：光線投射圖像采集； 第三步：光線中心線提?。? 第四步：擬合光線中心線求內(nèi)壁中心坐標(biāo)； 第五步：重復(fù)測量，計算系統(tǒng)精度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，其特征在于：所述 第一步中，一字型線激光器安裝角度與相機視場位置確定：是指測量前期需要針對被測模 塊的安裝位置將一字型線激光器投影位置和相機的視場范圍調(diào)整到合適位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，其特征在于：所述 第二步中，光線投射圖像采集：是指在相機與一字型線激光器同時工作時，步進電機驅(qū)動一 字型線激光器在恒定的范圍內(nèi)做往復(fù)運動，相機會將一字型線激光器在被測物內(nèi)徑投射的 光線進行采集和記錄。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，其特征在于：所述 第三步中，光線中心線提?。菏侵敢蛔中途€激光器出射的線激光投影到被測物內(nèi)壁會形成 一段光亮的圓弧。由于圖像中圓弧有一定的寬度，為了保證測量精度，需要利用相關(guān)圖像處 理算法對圓弧的光線中心線進行提取。算法和數(shù)學(xué)公式如下： a :原始圖像經(jīng)過閾值分割，面積特征提取得到激光圓弧目標(biāo)域的二值化圖像； b :二值化圖像經(jīng)過距離變換得到灰度按照一定特性分布的灰度圖像G ; 距離變換算法如下：圓弧目標(biāo)域的二值圖像可以表示成一個二維數(shù)組A[M，N] = a(x， y)，其中M、N分別代表圖像的行高和列寬值，a(x，y)代表圖像坐標(biāo)（x，y)處的灰度值，其 中，a(x，y) = 1代表目標(biāo)域，a(x，y) = O代表背景點。 設(shè)為目標(biāo)像素集合，為背景像素集合，距離變換的數(shù)學(xué)表達為：
其中（i，j) e F，（m，n) e B 背景域和目標(biāo)域交界的圖像邊緣處背景坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)的歐式距離較短，灰度值較 ??；而處于目標(biāo)域中心的像素距離背景域歐氏距離最大，灰度值最大。距離變換后的圖像G 灰度值沿著邊緣處向中心處逐漸增大，形成了一幅目標(biāo)中心線位置最亮的灰度圖像G。 c :令G(x，y)表示二維圖像G在（X，y)坐標(biāo)下的灰度值，像素點坐標(biāo)X，y可以看做三 維坐標(biāo)系下XOY平面的橫縱坐標(biāo)值，灰度值G(x，y)可以看做三維坐標(biāo)系的高度z值，因此 可以將二維圖像G拉伸成為三維曲面，曲面坡頂脊線即為圖像中心線。 三維曲面G-3D可以表示為，二維圖像灰度的變化可以用此三維曲面的曲率表示。曲 面在（x，y)坐標(biāo)下的曲率可以用Hessian矩陣來定義。
式中：Ix，x(x，y) Ix，y (X，y) Iy，x(x，y) Iy，y (X，y)表示圖像的二階方向?qū)?shù)。 Hessian矩陣的特征值和特征向量表示了圖像的本質(zhì)特征。其中，幅值最大的特征值 對應(yīng)的特征向量代表三維曲面曲率最大的方向，幅值最小的特征值對應(yīng)的特征向量代表曲 率最小的方向。對于二維圖像，曲率最小的方向也就是圖像的中心線，其Hessian矩陣H(x， y)為2X2的實對稱矩陣，因而具有2個實特征值。較小的特征值對應(yīng)的特征向量P(x，y) 即為圖像中心線的集合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，其特征在于：所述 第四步中，擬合光線中心線求內(nèi)壁中心坐標(biāo)：是指將第三步提取到的圓弧的光線中心線擬 合成閉合的橢圓，通過計算得到圓的中心位置、直徑、周長等值，其中圓弧的圓心便是被測 模塊的圓心。圖像處理算法中，圓弧的光線中心線由一系列的離散點P(Xi，Yi)表示，擬合 的計算公式如下：
可解得： Ca+Db+E = O Da+Gb+H = O a = HD-EG/CG-D2 b = HG-ED/D2-GC
得A、B、R的估計擬合值： A = a/-2 B = b/-2
6. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙目視覺激光標(biāo)定測量裝置及測量方法，其特征在于：所述 第五步中，重復(fù)測量，計算系統(tǒng)精度：是指不斷改變一字型線激光器的擺動角度重復(fù)1-4步 測量圓弧的中心點坐標(biāo)，通過測量結(jié)果的統(tǒng)計和分析驗證整個測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精 度。
【文檔編號】G01B11/00GK104390584SQ201410216409
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】管志勇, 葉劍波, 郭景晶, 姚東星 申請人:北京中天榮泰科技發(fā)展有限公司