巴斯生產(chǎn)的 SZX - 16研究級(jí)立體顯微鏡。變焦倍率：0. 7 - 11. 5,工作距離：60mm，采集圖像最大視場(chǎng)： 12. 5mmX 16. 6mm，米集圖像最小視場(chǎng)：0. 76mmX I. 02mm。為實(shí)現(xiàn)雙目顯微立體視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo) 定，標(biāo)定所需的標(biāo)定板采用的是深圳科創(chuàng)時(shí)代生產(chǎn)的CG - 050 - T - 0. 5型玻璃基底棋盤格 標(biāo)定板。該型標(biāo)定板方格大小為〇. 5mmX0. 5mm，棋盤格圖案整體寬度為51mmX 51mm，制造 精度為1 μ m，能夠滿足立體顯微鏡標(biāo)定的需要。
[0046] 附圖2為基于視覺(jué)的跨尺度測(cè)量方法流程圖，具體步驟如下：
[0047] (1)進(jìn)行顯微視覺(jué)標(biāo)定
[0048] 本發(fā)明采用攝像機(jī)相對(duì)固定的方式，以精密加工的棋盤格標(biāo)定板對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo) 定的方法。針對(duì)尺度因子，采用張氏攝像機(jī)標(biāo)定法。首先將標(biāo)定板固定在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)8上，考 慮到顯微視覺(jué)景深小的問(wèn)題，通過(guò)機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)8帶動(dòng)標(biāo)定板進(jìn)行沿水平軸與豎直軸旋轉(zhuǎn)。沿 豎直軸每40°轉(zhuǎn)動(dòng)一次，沿水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)角度，分別為+10°、0°、- 10°。每個(gè)角度拍 攝一張照片，最終獲得54張照片，實(shí)現(xiàn)尺度因子的標(biāo)定。針對(duì)主點(diǎn)坐標(biāo)，采用變倍率法實(shí)現(xiàn) 主點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)定。如附圖3所示，首先確定6個(gè)在圖像投影平面上不重合的點(diǎn)，令這6個(gè)點(diǎn) 分別在不同放大倍率下進(jìn)行投影，共選擇8個(gè)不同的放大倍率，利用最小二乘法擬合6條直 線，并求取交點(diǎn)坐標(biāo)值，此坐標(biāo)值即為主點(diǎn)坐標(biāo)。外參數(shù)矩陣則采用張氏標(biāo)定法求解，最后 采用光束平差法利用公式（4)對(duì)內(nèi)外標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
[0049] 為驗(yàn)證標(biāo)定精度，對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行三維重建，比較標(biāo)定板角點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)與重建坐標(biāo) 的差值，結(jié)果如表1所示。
[0050] 表1標(biāo)定精度
[0052] (2)圖像特征提取
[0053] 針對(duì)CXD相機(jī)采集的左右圖像，進(jìn)行圖像處理。如附圖4所示，對(duì)于圓孔特征，經(jīng) 過(guò)灰度化、二值化，以及降噪等圖像預(yù)處理后，再利用8連通區(qū)域法標(biāo)記圖像內(nèi)所有存在的 連通區(qū)域，并利用公式(6)，選擇連通區(qū)域的面積門限閾值T為6000,去除非感興趣的連通 區(qū)域。隨后利用連通區(qū)域的幾何距算法得到質(zhì)心，將質(zhì)心坐標(biāo)視為圓心坐標(biāo)，即為OpO/。
[0054] 針對(duì)螺旋曲線特征，經(jīng)過(guò)Robert算子，檢測(cè)邊緣，獲得離散點(diǎn)。為方便測(cè)量，建 立二次曲線方程，并利用公式（7)通過(guò)最小二乘法擬合局部二次曲線方程，最終實(shí)現(xiàn)螺旋 曲線檢測(cè)。過(guò)0^0/點(diǎn)建立直線方程，求解O1CV直線與各局部二次曲線方程的交點(diǎn)Pp P/ (i = 1，2. ..10)。其中P1R表直線O1O/與左側(cè)螺旋曲線的交點(diǎn)，P/代表直線O1O 1' 與右側(cè)螺旋曲線的交點(diǎn)。
[0055] (3)幾何尺寸求解
[0056] 針對(duì)附圖4,此零件關(guān)注過(guò)中心點(diǎn)O1'的左右?guī)Ь€的寬度一致性，即預(yù)檢測(cè)左 右螺旋槽帶寬，左側(cè)為ΡΛ、P3P4、P5P6 J7PpP9P1。與右側(cè)為P/ V、V P4W V、 p/ Pi/、ρ，P1/的寬度。首先經(jīng)過(guò)攝像機(jī)標(biāo)后，將局部視覺(jué)坐標(biāo)系建立在左相機(jī)光心處， 將待檢測(cè)零件移動(dòng)至視覺(jué)系統(tǒng)下，并調(diào)整零件位置，使其兩圓孔同時(shí)出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)，拍攝圖 片后，通過(guò)圓孔檢測(cè)方法檢測(cè)附圖4中兩圓孔中心〇i、O1'在視覺(jué)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。隨后 由機(jī)床帶動(dòng)待測(cè)件移動(dòng)，使得待測(cè)點(diǎn)P1出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)，拍攝圖像后，利用螺旋線特征提取算 法，擬合局部曲線方程，并與直線O1O/求交點(diǎn)，即可獲得P1點(diǎn)在視覺(jué)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；同 時(shí)記錄此時(shí)機(jī)床移動(dòng)矩陣T1，經(jīng)過(guò)公式（8)可以獲得點(diǎn)？1在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。同理， 機(jī)床帶動(dòng)待測(cè)工件移動(dòng)，使得待測(cè)點(diǎn)P2出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)，并利用螺旋線特征提取算法，檢測(cè)P 2點(diǎn)在視覺(jué)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并記錄此時(shí)機(jī)床平移矩陣T2。根據(jù)公式（8、9)可以獲得點(diǎn)P2在機(jī) 床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。最后根據(jù)公式（10)可以獲得P1P2的距離，即獲得左側(cè)第一條帶線P 1P2的寬度。同樣，依次可以獲得左側(cè)5條與右側(cè)5條帶線的寬度。測(cè)量結(jié)果如表2所示：
[0059] 本發(fā)明利用雙目顯微視覺(jué)與高精度移動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)空間跨尺度零件的高精度、快 速、便捷測(cè)量，這種測(cè)量方法屬于非接觸測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)工件造成損傷；并且與數(shù)控 機(jī)床的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)測(cè)量，避免了因工件拆裝造成的二次裝夾誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于顯微視覺(jué)的跨尺度幾何參數(shù)測(cè)量方法，其特征是，測(cè)量方法采用雙目顯微 視覺(jué)系統(tǒng)采集待測(cè)零件特征圖像，經(jīng)顯微視覺(jué)標(biāo)定、圖像特征提取匹配以及局部坐標(biāo)系與 機(jī)床坐標(biāo)系解算三個(gè)步驟，最終實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)的快速測(cè)量；測(cè)量方法的具體步驟如下： (1) 顯微視覺(jué)的標(biāo)定 攝像機(jī)的理想成像模型為針孔線性模型，通過(guò)針孔模型可建立世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的 轉(zhuǎn)換關(guān)系式：其中：α和β是尺度因子，U。，V。是主點(diǎn)，γ是垂直因子；R，t代表了攝像機(jī)坐標(biāo)系相 對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；Xw，Yw，Zw是空間中一點(diǎn)P的三維空間坐標(biāo)，u，V是 P點(diǎn)在圖像上的圖像坐標(biāo)；相機(jī)標(biāo)定包括內(nèi)參數(shù)（α、β、u。、V。、γ )與外參數(shù)（R, t)標(biāo)定； 針對(duì)尺度因子，采用張正友提出的平面棋盤格靶標(biāo)板標(biāo)定方法；針對(duì)主點(diǎn)坐標(biāo)，采用變 倍率法對(duì)攝像機(jī)的主點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定；假設(shè)P點(diǎn)為空間中任意一點(diǎn)，其在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐 標(biāo)為X1, Y1, Z1，在不考慮非線性畸變以及圖像坐標(biāo)垂直度的情況下，P點(diǎn)在圖像平面的投影 坐標(biāo)為：其中：U1, V1是該點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，A是任一放大倍率，u。，V。是主點(diǎn)坐標(biāo)；將式中的A消去， 可得直線方程：即在任何放大倍率下，點(diǎn)P的圖像坐標(biāo)都在同一直線上，且該直線一定經(jīng)過(guò)攝像機(jī)主 點(diǎn)u。，％;因此，根據(jù)多個(gè)空間點(diǎn)在不同放大倍率下的圖像投影坐標(biāo)，擬合出多條直線，并利 用最小二乘法求取多條直線交點(diǎn)，即獲得主點(diǎn)坐標(biāo)u。，％;由于垂直因子γ對(duì)成像精度影響 不大，因此在初始參數(shù)標(biāo)定時(shí)，將γ設(shè)為O ;針對(duì)外參數(shù)矩陣[R，t]，根據(jù)已獲得的內(nèi)參數(shù) 矩陣以及張正友提出的外參數(shù)標(biāo)定方法，初步計(jì)算外參數(shù)矩陣[R，t];最后，將已求得的左 右兩個(gè)CCD攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)值作為優(yōu)化初始值，建立函數(shù)方程：其中，[θ = Θ θ 2... Θ k]是k個(gè)帶優(yōu)化的攝像機(jī)參數(shù)，j是指參與計(jì)算的第j個(gè)攝 像機(jī)，i是指第j個(gè)攝像機(jī)獲取的第i個(gè)點(diǎn)，&是輸入的空間點(diǎn)坐標(biāo)，y渴空間第i點(diǎn)的圖 像坐標(biāo)，Cj是固定不變的攝像機(jī)參數(shù)向量，是需要調(diào)整的攝像機(jī)參數(shù)向量，Iii i (Cj, p_j, Xi)是 攝像機(jī)的成像方程；應(yīng)用基于光束平差法進(jìn)行優(yōu)化，得到內(nèi)外參數(shù)的全局最優(yōu)解； (2) 圖像特征提取 1)直線特征提?。? 首先通過(guò)Sobel算子、Robert算子或Canny算子檢測(cè)灰度變化的梯度來(lái)檢測(cè)直線邊緣， 并獲得邊緣離散點(diǎn)；隨后，基于Hough變換的點(diǎn)線對(duì)偶性識(shí)別中對(duì)圖像內(nèi)直線類特征；對(duì)于 空間中所有共線的點(diǎn)（x，y)由直線方程描述為： y = kx+b (5) 其中，k表示直線斜率，b表示截距；這條直線在參數(shù)空間中表現(xiàn)為一點(diǎn)（Ρ，Θ)，p是 圖像空間中直線與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，Θ e (〇,23〇是圖像空間中的直線與X軸正向夾角； 因此，對(duì)于同一條直線上不同的點(diǎn)都位于參數(shù)空間中的同一點(diǎn)（Ρ，Θ)，即對(duì)ρ、Θ進(jìn)行簡(jiǎn) 單的疊加，通過(guò)尋找峰值，確定通過(guò)它檢測(cè)圖像中已知像素點(diǎn)的共線性，是一種全局性的搜 索方法；對(duì)于圖像空間的一條直線，基于點(diǎn)線對(duì)偶性映射到參數(shù)空間，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加統(tǒng) 計(jì)，通過(guò)尋找參數(shù)空間中的峰值檢測(cè)感興趣的直線； 2) 圓孔特征提取： 采用連通區(qū)域法對(duì)圓孔特征進(jìn)行檢測(cè)；首先采用灰度化、二值化，以及降噪方法對(duì)圖像 進(jìn)行預(yù)處理；再利用8連通區(qū)域法標(biāo)記圖像內(nèi)所有存在的連通區(qū)域，利用區(qū)域面積作為門 限值去除圖像中不感興趣的連通區(qū)域，相應(yīng)公式如下：其中，i = l，2....n為η個(gè)連通區(qū)域，gl(x，y)為第i個(gè)連通區(qū)域的面積，T為連通區(qū) 域面積門限閾值；如果連通區(qū)域面積小于T，則將此連通區(qū)域設(shè)置為背景；最后，對(duì)剩下的 連通區(qū)域運(yùn)用計(jì)算幾何距算法得到質(zhì)心，將質(zhì)心坐標(biāo)視為圓心坐標(biāo)； 3) 自由曲線特征提?。? 首先，采用matlab函數(shù)對(duì)連通區(qū)域進(jìn)行輪廓檢測(cè)，獲得邊緣離散點(diǎn)；隨后利用最小二 乘法對(duì)感興趣局部邊緣輪廓進(jìn)行曲線擬合，假設(shè)圖像上感興趣曲線段上的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為 (Xi, y;)，i = 1，2, . . .，N，這些點(diǎn)構(gòu)成的非線性曲線方程為y;= F(x ;，a)，為實(shí)現(xiàn)曲線擬合， 建立以下方程：其中，y = F(x，a)為非線性曲線方程，y為模型的輸出，X為模型的輸入，a代表需要模 擬估計(jì)的參數(shù)向量；δ代表模型輸出與實(shí)際坐標(biāo)的差值；通過(guò)LM算法進(jìn)行迭代，使δ達(dá)到 最小值，估計(jì)出參數(shù)a，從而擬合出曲線方程； (3)幾何尺寸求解 假設(shè)P2為兩相距較遠(yuǎn)的待檢測(cè)微小特征，為準(zhǔn)確獲得微小特征位置信息，利用精密 移動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別在Pr P2處采集經(jīng)體式顯微鏡放大后的圖像，并通過(guò)圖像處理以及特征提取 分別獲得在相機(jī)坐標(biāo)系0W1X W1YW1ZW1、0W2XW2Y W2ZW2T P 1與P2的三維坐標(biāo)；隨后建立機(jī)床基礎(chǔ)坐 標(biāo)系與機(jī)床局部坐標(biāo)系，根據(jù)兩次拍攝機(jī)床移動(dòng)情況，建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程：其中，（Xwl，Ywl，Zwl)、（Xw2, Yw2, Zw2)分別為ΡρΡ2?相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，（X D Y1, Z1)、 (X2, Y2, Z2)分別為Pr P2在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，T廣示相機(jī)坐標(biāo)系O W1XW1 YwiZwi與機(jī)床坐標(biāo) 系OmXmY mZm的平移轉(zhuǎn)換矢量，R 2、1~2表示相機(jī)坐標(biāo)系Ow2Xw2Y w2Zw2與相機(jī)坐標(biāo)系OwiXwiYwiZ w^ 間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣，S為待檢測(cè)的？1與P 2之間的空間距離。
【專利摘要】本發(fā)明基于顯微視覺(jué)的跨尺度幾何參數(shù)測(cè)量方法屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于三維跨尺度圖形類零件的空間位置、幾何尺寸以及形位公差的測(cè)量方法。測(cè)量方法利用雙目顯微視覺(jué)系統(tǒng)采集待測(cè)零件特征圖像，經(jīng)顯微視覺(jué)標(biāo)定、圖像特征提取匹配以及局部坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系解算三個(gè)步驟，最終實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)的快速測(cè)量。本發(fā)明采用數(shù)控機(jī)床與顯微視覺(jué)結(jié)合的方式，解決了因零件尺寸跨度大導(dǎo)致的測(cè)量過(guò)程繁瑣，測(cè)量困難等問(wèn)題。這種測(cè)量方法屬于非接觸測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)工件造成損傷，實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)測(cè)量；避免了因工件拆裝造成的二次裝夾誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，最終實(shí)現(xiàn)跨尺度零件準(zhǔn)確、快速、在機(jī)測(cè)量。
【IPC分類】G01B11/00, B23Q17/20
【公開(kāi)號(hào)】CN105180806
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510526767
【發(fā)明人】劉巍, 丁立超, 李肖, 賈振元, 趙凱
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月25日