CN101571375A - 基于机器视觉的正多边形被测物在线数据测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于，其包括如下步骤：1)设置一计算机测量控制模块并连接一现场测量模块，该现场测量模块包括一电子摄像装置，一正多面中心反射棱镜，多面对角反射镜及背光源；2)将正多边形被测物置于所述正多面中心反射棱镜与各背光源之间，点亮各背光源后，各对角反射镜将投影通过中心反射棱镜反射到摄像装置镜头摄像区域内；3)所述摄像装置镜头将各投影光信号同时采集、成像，并将其转换为电信号或数据，传输至所述计算机测量控制模块；4)所述计算机测量控制模块通过运算获得该被测物检测所得到的数据结果。本发明还公开了一种实现上述方法的系统。

Description

基于机器视觉的正多边形被测物在线数据测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的正多边形被测物在线数据测量方法，具体是一种图像技术、光路转换技术、机器视觉技术为一体的自动化在线测量方法，应用于正多边形被测物生产流水线上的在线数据测量。

背景技术

目前在国内有2000多条瓷砖等正多边形产品的生产流水线，其大量生产各种型号和尺寸的瓷砖等正多边形产品，而其中许多高品质的正多边形产品要求尺寸精准，平整度高，目前幅宽为600mm和800mm的瓷砖等正多边形产品，其实际尺寸误差要求控制在±0.3mm以内，而对于正多边形产品的测量仪器来说，要求的检测精度要求在±0.1mm以内才可以达到测量标准。目前，针对瓷砖等诸多正多边形产品生产流水线上的苛刻环境，还没有合适的产品尺寸、平整度等数据在线测量方法，几乎全部采用人工结合游标卡尺进行离线测量等方式在进行，其速度慢、效率低，影响产能，而且出错率高，容易出现检测质量不稳定等不确定因素。而国外检测设备往往由于技术封锁，或者成本昂贵，国内的企业很难获得合适的设备或者必须承担高昂的设备成本费用。

目前国内已有部分科研院所及企业针对瓷砖等正多边形产品(被测物)测量方法进行了研究，提出了三种测量方法：一种是采用四个摄像头分别安装在正多边形被测物的四个对角上直接拍摄，但是这种方法不适合在线测量，主要原因是四个摄像头不能保证完全同步，而正多边形被测物高速运动，延时1ms该正多边形被测物就意见位移了0.4mm左右，不能满足测量精度要求，同时调整和标定困难，实用性差；第二种是只采用两个摄像头拍摄正多边形被测物的两个对角，其原理于第一种方法相同，也存在相机采集不同步，不能满足精度要求；第三种采用一个摄像头拍摄正多边形被测物的整个幅面进行测量，由于摄像头的像素值有限，拍摄整个正多边形被测物幅面得到的图片往往畸变严重，也不能达到测量精度要求。因此，就以上技术难题，在瓷砖等许多正多边形被测物测量领域，目前国内还没有研发出满足生产需求的在线正多边形被测物的自动数据测量设备。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述现有技术难题，提供一种运行可靠、成本低、精度高且稳定性高的基于机器视觉的正多边形被测物在线数据测量方法，其采用一个摄像头组成的数据测量模块取代多个摄像头数据测量模块，消除了多个摄像头采集图像不同步而导致的测量精度误差。

本发明的目的还在于，提供一种实现上述方法的系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其包括一正多边形被测物，其特征在于，其包括如下步骤：

1)设置一计算机测量控制模块，及一现场测量模块，将二者相互连接并可交互通讯；所述的现场测量模块置于被测物生产线上，其包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置，及设置在该摄像装置镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜，及与该正多面中心反射棱镜各反射面等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜，且在各多面对角反射镜正下方反射区域内，还对应各设有一背光源；

2)将正多边形被测物置于所述正多面中心反射棱镜与各背光源之间，且使所述被测物的各转角均处在所述背光源照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背光源后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜上分别生成投影，各对角反射镜将该投影通过所述正多面中心反射棱镜反射到所述摄像装置镜头摄像区域内；

3)所述摄像装置镜头将其摄像区域内的各投影光信号同时采集、成像，其拍摄成像区域大于或者等于所述中心反射棱镜面积，并将其转换为电信号或数据，传输至所述计算机测量控制模块；

4)所述计算机测量控制模块接收到该电信号或数据后，根据预置控制程序及参数进行运算，获得该正多边形被测物检测所得到的尺寸、平整度、转角角度等数据结果；

5)根据正多边形被测物的尺寸的不同，相对或相向沿所述正多边形被测物对角线方向，等高等距离移动各对角反射镜及背光源的位置，并相应垂直上移或者下移所述摄像装置镜头的位置，并重复步骤2)～4)，以测量尺寸不同的各种正多边形被测物并获得相应数据。

所述的步骤1)中，所述的正多边形被测物，为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形之一，还可以根据实际需要，为其他正多边形之一；所述的正多面中心反射棱镜，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形棱镜及其他正多边形棱镜之一；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有三个、四个、五个或六个或其他多数个。

所述的步骤1)中，是将所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，通过远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，例如采用局域网、广域网或者互联网连接，以实现远程控制。

所述的步骤2)中，所述各对角反射镜的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜的对应反射面之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°，并可根据中心反射棱镜的锥度进行对应调整。

具体地，所述的正多边形被测物，是正四边形；所述的正多面中心反射棱镜，为正四边形棱镜；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有四个；其仰角或倾角的角度为45°。

所述的步骤4)，是根据所获得的各转角及其边缘轮廓特征的图像定位信息，通过计算而获得其整体形状、各对角线的长度、各边长、各转角角度及其具体相对位置信息等数据。

一种实现前述的基于机器视觉正多边形被测物的在线数据测量方法的系统，其包括一正多边形被测物，其特征在于：其包括相互连接并可交互通讯一计算机测量控制模块及一现场测量模块；所述的现场测量模块包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置，及设置在该摄像装置镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜，及与该正多面中心反射棱镜各反射面等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜，且在各多面对角反射镜正下方反射区域内，还对应各设有一背光源。

所述的正多边形被测物设置于所述正多面中心反射棱镜与各背光源之间，且所述被测物的各转角均处在所述背光源照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背光源后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜上分别生成投影，各对角反射镜将该投影通过所述正多面中心反射棱镜反射到所述摄像装置镜头摄像区域内。

所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，是通过远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，以实现远程控制；

所述的正多边形被测物，为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形之一；所述的正多面中心反射棱镜，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形棱镜之一；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有三个、四个、五个或六个；

所述各对角反射镜的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜的对应反射面之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°。

本发明的在线数据测量方法，可以对多种型号、形状及尺寸规格的瓷砖等正多边形被测物的长度、宽度、平整度以及对角线长度等数据进行在线精确测量。本发明的技术核心，是设计了一套全新的反射式光路转换模式，它包含多个投影反射面，其中包括多个对角反射镜和一个中心反射棱镜组成，其中每个对角反射镜各具有一个有效的反射面，其分别安装在瓷砖等被测物各个转角的正上方，与瓷砖等被测物平面的夹角为45°，或30～75°之间的其他值；中心反射棱镜也由多个有效的反射面组成，这些个反射面呈45°或30～75°之间的其他角度锥形分布，形成一个棱锥体。其安装在瓷砖等被测物几何中心位置的正上方，多个对角反射镜的反射面分别与中心反射棱镜的各个反射面平行。在中心反射棱镜的正上方安装有一个电子摄像装置，或者CCD摄像头，瓷砖等被测物各转角的正下方各安装有一背光源。通过这套光路转换模式，只需要一个摄像装置就可以直接拍摄到瓷砖等被测物的各个转角，通过标定就可以精确计算出瓷砖等被测物的尺寸、转角角度、平整度等数据。

本发明的核心思想，是通过一种新的光路转换模式，在较为典型的正方形被测物检测应用中，它采用八个反射面，由四个对角反射镜和一个中心反射棱镜组成，其中对角反射镜具有一个有效的反射面，分别安装在正多边形被测物四个对角的正上方，与正多边形被测物平面的夹角为45度；中心反射棱镜具由四个有效的反射面组成，这四个反射面呈45度锥形分布，形成一个棱锥体，它安装在正多边形被测物中心位置的正上方，四个对角反射镜的反射面分别与中心反射棱镜的四个反射面平行。在中心反射棱镜的正上方安装有一个电子摄像装置，在正多边形被测物四个对角的正下方安装有背光源。通过背光源的照射，正多边形被测物四个对角的图像特征通过对角反射镜反射到中心反射棱镜上，再通过中心反射棱镜直接反射回电子摄像装置，这样电子摄像装置只需拍摄面积为中心反射棱镜面积大小的视野范围，就可以直接捕捉到正多边形被测物四个对角的图像信息，通过很小的拍摄视野就可以计算出正多边形被测物的外形尺寸，从而保证了高精度的在线测量。

本发明提供方法及系统，其优点在于，仅需要采用一个电子摄像装置例如CCD摄像头，彻底消除了多摄像装置测量系统造成的不同步误差，同时，由于不需要拍摄整个瓷砖等被测物的表面，而只需拍摄瓷砖等被测物的各个转角，可充分利用摄像装置或CCD摄像头的有效象素，充分保证测量精度。因此拍摄的视场只需几十毫米就可以精确测量边长为200mm至2000mm范围的瓷砖等被测物的尺寸、角度、平整度等数据，在线测量精度可以达到±0.05mm。本发明提供的方法及系统，通过实验阶段在多种瓷砖等正多边形被测物生产线的实际测量运用证明，其在线检测精度可达到±0.05mm，检测精度高、速度快、稳定性好、成本低。

本发明提供的测量方法和系统，通过一种全新的光路转换模式设计，能够有效解决目前瓷砖等被测物在线测量所面临的技术瓶颈，具有良好的应用前景。

下面结合附图及实例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例的测量原理示意图；

图2为图1的立体结构示意图；

图3为图1中的中心反射棱镜结构示意图，其中(1)为主视图，(2)为左视图；

图4为图1中摄像装置的成像效果示意图；

图5为本发明实施例在测量不同尺寸被测物时的测量原理示意图。

具体实施方式

参见图1～图5，本发明实施例提供的一种基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其包括一正多边形被测物5，其包括如下步骤：

1)设置一计算机测量控制模块，及一现场测量模块，将二者相互连接并可交互通讯；所述的现场测量模块置于被测物5生产线上，其包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置11，及设置在该电子摄像装置11镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜10，及与该正多面中心反射棱镜10各反射面A、B、C、D等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜9、8、7、6，且在各多面对角反射镜9、8、7、6正下方反射区域内，还对应各设有一背光源4、3、2、1。

本步骤中，所述的正多边形被测物5，可以是正三角形、正四边形、正五边形、正六边形之一，还可以根据实际需要，为其他正多边形之一；所述的正多面中心反射棱镜10，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形棱镜及其他正多边形棱镜之一；所述的对角反射镜9、8、7、6与背光源4、3、2、1也对应的设有三个、四个、五个或六个或其他多数个。

本步骤中，是将所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，是通过本地网络或者远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，例如采用局域网、广域网或者互联网连接，以实现本地或者远程控制。具体可根据生产环境、检测控制场地等需要进行设置。

2)将正多边形被测物5置于所述正多面中心反射棱镜10与各背光源4、3、2、1之间，且使所述正多边形被测物5的各转角均处在所述背光源4、3、2、1照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背背光源4、3、2、1后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜9、8、7、6上分别生成投影，各对角反射镜9、8、7、6将该投影通过所述正多面中心反射棱镜10反射到所述电子摄像装置11镜头摄像区域内。

本步骤中，所述各对角反射镜9、8、7、6的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜10的对应反射面A、B、C、D之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°，并可根据中心反射棱镜10的锥度进行对应调整。

3)所述电子摄像装置11镜头将其摄像区域内的各投影光信号同时采集、成像，其拍摄成像区域大于或者等于所述中心反射棱镜10的面积，并将其转换为电信号或数据，传输至所述计算机测量控制模块；

4)所述计算机测量控制模块接收到该电信号或数据后，根据预置控制程序及参数进行运算，获得该正多边形被测物5检测所得到的尺寸、平整度、转角角度等数据结果；

本步骤中，是根据所获得的被测物5各转角及其边缘轮廓特征的图像定位信息，通过计算而获得其整体形状、各对角线的长度、各边长、各转角角度及其具体相对位置信息等数据，这些数据由所述计算机测量控制模块设定和运算。

5)根据正多边形被测物5的尺寸的不同，相对或相向沿所述正多边形被测物5对角线方向，等高等距离移动各对角反射镜9、8、7、6及背光源4、3、2、1的位置，并相应垂直上移或者下移所述电子摄像装置11镜头的位置，并重复步骤2)～4)，即可以测量尺寸、形状、规格不同的各种正多边形被测物5并获得相应数据。

一种实现前述的基于机器视觉正多边形被测物的在线数据测量方法的系统，其包括一正多边形被测物5，其还包括相互连接并可交互通讯一计算机测量控制模块及一现场测量模块；所述的现场测量模块置于所述被测物5的生产线上，其包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置11，及设置在该电子摄像装置11镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜10，及与该正多面中心反射棱镜10各反射面A、B、C、D等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜9、8、7、6，且在各多面对角反射镜9、8、7、6的正下方反射区域内，还对应各设有一背光源4、3、2、1。

所述的正多边形被测物5设置于所述正多面中心反射棱镜10与各背光源4、3、2、1之间，具体的是设置在该中心反射棱镜10正下方和各背光源4、3、2、1的正上方；且所述被测物5的各转角均处在所述背光源4、3、2、1的照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背光源4、3、2、1后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜9、8、7、6上分别生成投影，各对角反射镜9、8、7、6将该投影通过所述正多面中心反射棱镜10反射到所述电子摄像装置11镜头摄像区域内。

所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，是通过本地或者远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，以实现本地或者远程控制。

所述的正多边形被测物5，可选择为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形及其他正多边形之一；所述的正多面中心反射棱镜10，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形或其他正多边形锥形棱镜之一；所述的对角反射镜A、B、C、D与背光源4、3、2、1也对应的设有三个、四个、五个或六个或其他多数个；

所述各对角反射镜9、8、7、6的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜10的对应反射面A、B、C、D之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°，也可以设置为其他合适的角度值。

具体地本实施例中，所述的正多边形被测物5是正四边形；所述的正多面中心反射棱镜10也为正四边形棱镜，其锥度也为45°；所述的对角反射镜9、8、7、6与背光源4、3、2、1也对应的各设有四个；其仰角的角度为45°。

具体到本实施例中，本发明提供的基于机器视觉的瓷砖在线数据测量方法，该其原理如图1所示，其系统结构如图2所示，主要包括背光源1、2、3、4、瓷砖5、对角反射镜6、7、8、9、中心反射棱镜10、电子摄像装置11；其中被测物5为方形瓷砖，电子摄像装置11为电子摄像机；中心反射棱镜10结构如图3所示，其呈正四棱锥形，具有A、B、C、D四个反射面，安装在瓷砖5中心的正上方位置。

本发明实施例的具体测量原理，是通过安装在瓷砖5四个对角正下方的背光源1、2、3、4发出照射光线，将瓷砖5四个对角的边缘轮廓特征分别投影到对角反射镜6、7、8、9，由于对角反射镜6、7、8、9的反射面分别与中心反射棱镜10的四个反射面平行，瓷砖5四个转角的边缘轮廓特征又被反射到中心反射棱镜10的四个反射面，电子摄像装置11只需要拍摄一个完整的中心反射棱镜10大小的区域，就可以直接抓拍到瓷砖四个对角的边缘轮廓特征。该测量方法的光路反射原理如图1所示，从图中可以看出，反射到电子摄像装置11的图像只是瓷砖5的四个转角，而不是整块瓷砖5；电子摄像装置11拍摄的成像效果如图4所示，电子摄像装置11拍摄的图像包括中心反射棱镜5以及反射到中心反射棱镜10四个反射面A、B、C、D的瓷砖5的四个转角，通过对图像的标定和修正，就能够精确测量瓷砖5对角线的长度，可获得高精度的瓷砖5在线测量数据。

图5为本发明测量方法在测量不同尺寸瓷砖5时的测量原理图，通过等距离调整电子摄像装置11和对角反射镜6、7、8、9及背光源1、2、3、4的位置，就可以实现测量不同长度的瓷砖5，增强了本发明检测方法及系统的通用性。

根据本发明上述实施例所述，采用与其相同或者相似的方法或结构，而得到的其他基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法及系统，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1、一种基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其包括一正多边形被测物，其特征在于，其包括如下步骤：

1)设置一计算机测量控制模块，及一现场测量模块，将二者相互连接并可交互通讯；所述的现场测量模块置于被测物生产线上，其包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置，及设置在该摄像装置镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜，及与该正多面中心反射棱镜各反射面等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜，且在各多面对角反射镜正下方反射区域内，还对应各设有一背光源；

2)将正多边形被测物置于所述正多面中心反射棱镜与各背光源之间，且使所述被测物的各转角均处在所述背光源照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背光源后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜上分别生成投影，各对角反射镜将该投影通过所述正多面中心反射棱镜反射到所述摄像装置镜头摄像区域内；

3)所述摄像装置镜头将其摄像区域内的各投影光信号同时采集、成像，其拍摄成像区域大于或者等于所述中心反射棱镜面积，并将其转换为电信号或数据，传输至所述计算机测量控制模块；

4)所述计算机测量控制模块接收到该电信号或数据后，根据预置控制程序及参数进行运算，获得该正多边形被测物检测所得到的数据结果。

2、根据权利要求1所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于，其还包括如下步骤：

5)根据正多边形被测物的尺寸的不同，相对或相向沿所述正多边形被测物对角线方向，等高等距离移动各对角反射镜及背光源的位置，并相应垂直上移或者下移所述摄像装置镜头的位置，并重复步骤2)～4)，以测量尺寸不同的各种正多边形被测物并获得相应数据。

3、根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于：

所述的步骤1)中，所述的正多边形被测物，为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形之一；所述的正多面中心反射棱镜，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形棱镜之一；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有三个、四个、五个或六个。

4、根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于：

所述的步骤1)，是将所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，通过远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，以实现远程控制。

5、根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于：

所述的步骤2)中，所述各对角反射镜的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜的对应反射面之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°。

6、根据权利要求4所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于：

所述的正多边形被测物，为正四边形；所述的正多面中心反射棱镜，为正四边形棱镜；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有四个；其仰角或倾角的角度为45°。

7、根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的正多边形被测物的在线数据测量方法，其特征在于：

所述的步骤4)，是根据所获得的各转角及其边缘轮廓特征的图像定位信息，通过计算而获得其整体形状、各对角线的长度、各边长、各转角角度及其具体相对位置信息等数据。

8、一种实现权利要求1所述的基于机器视觉正多边形被测物的在线数据测量方法的系统，其包括一正多边形被测物，其特征在于：其包括相互连接并可交互通讯一计算机测量控制模块及一现场测量模块；所述的现场测量模块包括一具有光信号采集、转换及传输功能的电子摄像装置，及设置在该摄像装置镜头摄像区域正下方的一正多面中心反射棱镜，及与该正多面中心反射棱镜各反射面等高、等距且平行、相对设置的一一对应的多面对角反射镜，且在各多面对角反射镜正下方反射区域内，还对应各设有一背光源。

9、根据权利要求8所述的实现权利要求1所述的基于机器视觉正多边形被测物的在线数据测量方法的系统，其特征在于：所述的正多边形被测物设置于所述正多面中心反射棱镜与各背光源之间，且所述被测物的各转角及其边缘轮廓特征均处在所述背光源照射区域内、其对角线与所述对应的二对角反射镜面的中心连线平行；点亮各背光源后，其发出的光线将各转角及其边缘轮廓特征在所述各对角反射镜上分别生成投影，各对角反射镜将该投影通过所述正多面中心反射棱镜反射到所述摄像装置镜头摄像区域内。

10、根据权利要求9所述的实现权利要求1所述的基于机器视觉正多边形被测物的在线数据测量方法的系统，其特征在于：

所述计算机测量控制模块与所述现场测量模块，是通过远程网络将二者相互连接并通过该网络交互通讯，以实现远程控制；

所述的正多边形被测物，为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形之一；所述的正多面中心反射棱镜，对应的为正三角形、正四边形、正五边形、正六边形棱镜之一；所述的对角反射镜与背光源也对应的设有三个、四个、五个或六个；

所述各对角反射镜的反射面分别与所述正多面中心反射棱镜的对应反射面之间始终相对并且保持平行，其仰角的角度可调，其取值范围为30～75°。

Images