激光視覺輪廓測量系統(tǒng)及測量方法、立體靶標的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及一種結(jié)構(gòu)光=維視覺檢測技術(shù)，特別是設及一種激光視覺輪廓測量系 統(tǒng)快速標定方法及其立體祀標。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光=維視覺測量技術(shù)，具有視覺測量的非接觸、速度快、自動化程度高，柔性 好等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)光=維視覺基于光學=角法原理，通過計算采集圖像的各種光模式特征點 的偏移信息反算出被測物體的表面輪廓。光學投射器投射確定的光模式，使得結(jié)構(gòu)光圖像 信息易于提取，因而測量精度較高，廣泛應用于各種工業(yè)產(chǎn)品的在線檢測。
[0003] 典型線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，由一個線結(jié)構(gòu)光激光器和配套的攝像機組成。通過激 光器垂直入射被測物表面，攝像機傾斜拍攝的方式，獲取激光平面與被測物表面相交激光 光條圖像。通過視覺測量模型，將激光光條中屯、的圖像坐標轉(zhuǎn)換為被測物表面輪廓的二維 坐標。當被測物運動或線結(jié)構(gòu)光傳感器做相對運動時，就能得到被測物表面的=維形貌。但 是單套視覺傳感器視場有限，往往只能獲取被測物表面某一局部的輪廓信息，無法對被測 物表面輪廓360°范圍進行全方位測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了 一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)及其快速標定 方法及立體祀標，該系統(tǒng)采用四套線結(jié)構(gòu)光傳感器同時測量的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對被測物表 面輪廓全方位的測量；同時為解決由于引入多傳感器而帶來的標定的復雜性和測量坐標系 統(tǒng)一問題，本方案還結(jié)合化ang攝像機標定過程，設計了一種新型L邸立體祀標，并根據(jù)祀 標特性，設計了輪廓傳感器全局統(tǒng)一標定方法；W及，提出一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)，該 系統(tǒng)采用L邸立體祀標首先實現(xiàn)快速標定，然后實現(xiàn)被測物=維輪廓的準確測量方法。
[0005] 本發(fā)明提出了一種立體祀標，所述立體祀標為一中空立方體結(jié)構(gòu)，每個祀標面均 為邊長120mm的正方形，每個祀標面上設置有特征圓孔，所述特征圓孔大小相同，彼此之間 的位置關(guān)系相同。
[0006] 本發(fā)明還提出了一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)，包括測量部分和標定部分，所述測 量部分包括四個一字線狀激光器和四個CCD攝像機，其中每個激光器與CCD攝像機組成一 個傳感器，一共組成四個所述傳感器并分別設置于四個機械架上，各傳感器環(huán)繞在被測物 周圍，四個一字線狀激光器投射光能全部覆蓋一個被測物截面且都在對應攝像機視場范圍 內(nèi)；所述標定部分包括一立體祀標，所述立體祀標為一中空立方體結(jié)構(gòu)，每個祀標面均為邊 長120mm的正方形，每個祀標面上設置有特征圓孔，所述特征圓孔大小相同，彼此之間的位 置關(guān)系相同；所述立體祀標每個祀標面上的特征圓孔均由相同顏色L邸點亮；
[0007] 激光投射到被測物表面之后，祀標面上的光條受被測物表面反射光的調(diào)制，對應 CCD攝像機拍攝被測物的=維圖像，圖像中的光條包含了被測物表面的=維信息，將被測物 的=維圖像經(jīng)由W太網(wǎng)傳送至計算機，由計算機利用標定得來的各傳感器參數(shù)等計算得出 被測物截面=維數(shù)據(jù)。
[000引本發(fā)明再提出了一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，該方法包括W下步驟：
[0009] 一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，該方法包括W下步驟：
[0010] 步驟1、打開激光器，將立體祀標按照化ang標定方法擺放于10個不同位置，且 每個攝像機對應于祀標面及各祀標面上的光條在相應攝像機視場范圍內(nèi)且成像清晰；利 用CCD攝像機采集標定圖，對標定圖進行處理計算，計算過程依順序包括：特征圓孔邊緣提 取、楠圓擬合、楠圓中屯、特征點提取、攝像機標定、光條中屯、提取、光平面擬合，W及進行坐 柄系統(tǒng)一；
[0011] 步驟2、通過提取光條中屯、特征點，結(jié)合化ang攝像機模型，反算出被測物體截面 輪廓尺寸，具體處理如下：
[0012] 首先通過攝像機坐標系下的坐標值（X。，y。，Z。）和光平面方程約束得到圖像光條 中屯、點（U, V)和攝像機坐標系下點坐標（X。，y。，Z。）之間--對應關(guān)系，建立起從二維像素 坐標到攝像機坐標系坐標的一一映射關(guān)系；然后將攝像機坐標系下的點通過坐標系變換， 即利用標定得到的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，轉(zhuǎn)換得到測量坐標系下被測物的截面輪廓=維坐 標，其中：
[0013] 攝像機坐標系下光平面方程約束為：
[0014] aXc+byc+cZc+d = 0
[0015] 圖像上某點在攝像機坐標系下的坐標值（X。，y。，Z。）為；
[0016]
【主權(quán)項】
1. 一種立體靶標，其特征在于，所述立體靶標為一中空立方體結(jié)構(gòu)，每個靶標面均為邊 長120mm的正方形，每個靶標面上設置有特征圓孔，所述特征圓孔大小相同，彼此之間的位 置關(guān)系相同。
2. -種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)，包括測量部分和標定部分，其特征在于，所述測量部分 包括四個一字線狀激光器和四個CCD攝像機，其中每個激光器與CCD攝像機組成一個傳感 器，一共組成四個所述傳感器并分別設置于四個機械架上，各傳感器環(huán)繞在被測物周圍，四 個一字線狀激光器投射光能全部覆蓋一個被測物截面且都在對應攝像機視場范圍內(nèi)；所述 標定部分包括一立體靶標，所述立體靶標為一中空立方體結(jié)構(gòu)，每個靶標面均為邊長120mm 的正方形，每個靶標面上設置有特征圓孔，所述特征圓孔大小相同，彼此之間的位置關(guān)系相 同；所述立體靶標每個靶標面上的特征圓孔均由相同顏色LED點亮； 激光投射到被測物表面之后，靶標面上的光條受被測物表面反射光的調(diào)制，對應CCD攝像機拍攝被測物的三維圖像，圖像中的光條包含了被測物表面的三維信息，將被測物的 三維圖像經(jīng)由以太網(wǎng)傳送至計算機，由計算機利用標定得來的各傳感器參數(shù)等計算得出被 測物截面三維數(shù)據(jù)。
3. -種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟（1)、打開激光器，將立體靶標按照Zhang標定方法擺放于10個不同位置，且每個 攝像機對應于靶標面及各靶標面上的光條在相應攝像機視場范圍內(nèi)且成像清晰；利用CCD 攝像機采集標定圖，對標定圖進行處理計算，計算過程依順序包括：特征圓孔邊緣提取、橢 圓擬合、橢圓中心特征點提取、攝像機標定、光條中心提取、光平面擬合，以及進行坐標系統(tǒng) ， 步驟（2)、通過提取光條中心特征點，結(jié)合Zhang攝像機模型，反算出被測物體截面輪 廓尺寸，具體處理如下： 首先通過攝像機坐標系下的坐標值（x。，y。，z。）和光平面方程約束得到圖像光條中心點 (u，v)和攝像機坐標系下點坐標（Xc;，yc;，Z。）之間一一對應關(guān)系，建立起從二維像素坐標到 攝像機坐標系坐標的一一映射關(guān)系；然后將攝像機坐標系下的點通過坐標系變換，即利用 標定得到的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，轉(zhuǎn)換得到測量坐標系下被測物的截面輪廓三維坐標，其 中： 攝像機坐標系下光平面方程約束為： axc+byc+czc+d= 0 圖像上某點在攝像機坐標系下的坐標值（x^yuZ。）為：
4. 如權(quán)利要求3所述的一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，所述特 征圓孔邊緣提取、橢圓擬合、橢圓中心特征點提取、靶標平面確定的步驟，具體包括以下處 理： 對靶標特征圓進行橢圓擬合以求取橢圓中心，得到靶標面上每個特征圓孔圓心在計算 機圖像坐標系里的坐標Iuv，根據(jù)標定圖中任意兩特征點之間的像素距離大小可以確定每個 靶標面的中心圓，之后找出距離中心圓最近的四個特征圓，根據(jù)這四個特征圓和中心圓之 間相對位置關(guān)系即可確定靶標面上其他特征圓的拓撲關(guān)系；由此得出各個特征點在對應靶 標面坐標系里的坐標（xwi，ywi，zwi);將IudP(xwi，ywi，zwi)代入標定函數(shù)獲得每個攝像機的 內(nèi)參數(shù)kn、ki2、pn、pi2、fxi、fyi、（uQi,vQi)、dxi、dy,外參數(shù)RTij;其中i= 1，2, 3, 4 代表 第幾號攝像機，j代表第幾個標定位置； 設每幅標定圖像的旋轉(zhuǎn)矩陣的第三列為（rw，r9ipT，以它為當前標定位置靶標 面法向量，以該標定圖的平移向量Utiij，t2ij,t3ij)T為祀標面原點在對應攝像機坐標系中 坐標，則可得到該位置處靶標面在對應攝像機坐標系下的方程： r3ij * Xcij+r6ij *ycij+r9ij* Zcij -T 3ij*tiij+r6iJ ?t2iJ+r9ij?t3iJ〇
5. 如權(quán)利要求3所述的一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，所述光條 中心提取，具體包括以下處理： 設標定圖中光條中心某點的圖像坐標為（u' ij>V'y，對（u' ij>V'J去畸變處理 后得到矯正后光條中心該點圖像坐標（UuVij)，利用（Uij，Vij)和公式（1)及攝像機坐標系 測量模型計算得到每幅標定圖中光條中心各點在對應攝像機坐標系中的坐標。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，所述光平 面擬合，具體包括以下處理： 標定時靶標擺放了j個不同位置，這樣對每個激光器來說可以得到在同一光平面上的j條光條中心線上點在對應攝像機坐標系中坐標，對這些點進行主元分析法空間平面擬合， 得到每個激光器投射光平面在對應攝像機坐標系下的方程。
7. 如權(quán)利要求3所述的一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)測量方法，其特征在于，所述坐標 統(tǒng)一，具體包括以下處理： 設Rkl、Tkl為在靶標第一個標定位置時，第k(k= 2、3、4)靶標坐標系到坐標系Owl-XwlYwlZw^換時的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，得到：
由此通過Rkl、Tkl(k= 2, 3, 4)計算得出被測物截面輪廓在在坐標系Owl-XwlYwlZwl下的坐 標，到此完成了對整個系統(tǒng)的標定及測量坐標系的全局統(tǒng)一。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光視覺輪廓測量系統(tǒng)及方法、立體靶標，該系統(tǒng)包括測量部分和標定部分，所述測量部分包括四個一字線狀激光器和四個CCD攝像機，其中每個激光器與CCD攝像機組成一個傳感器；所述標定部分包括一中空立方體結(jié)構(gòu)的立體靶標，測量方法具體為，先利用立體靶標實現(xiàn)測量系統(tǒng)的標定和坐標統(tǒng)一，之后實現(xiàn)本測物的三維輪廓測量。利用該LED立體靶標，在標定過程中只需要在攝像機視場范圍中把靶標隨意擺放幾個位置即可，操作簡單，可以迅速便捷的完成對傳感器全局統(tǒng)一標定，并能夠應用于工業(yè)現(xiàn)場；對于需要全方位測量物體截面輪廓的場合，如對各種機械零件截面輪廓尺寸在線檢測，本方案有較好的技術(shù)優(yōu)勢。
【IPC分類】G01B11-25
【公開號】CN104567728
【申請?zhí)枴緾N201410819869
【發(fā)明人】馬旭, 王鵬, 孫長庫, 王中亞
【申請人】天津大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月24日