CN101832760B - 一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统，包括复合靶标、激光光源、视觉探测、定位云台、电控器、光纤传输、数字采集卡和工控机，系统中视觉探测和激光光源可以实现三维监测，总体设计结构简单，安装调试方便，同时，采用电动变焦进行视觉探测，实现了监测距离可调，测试精度稿，并且将数字摄像与光纤传输相结合，实现了远距离信号可靠传输以及现场与监控空间分离，复合靶标实现了不同目标监测的集成一体化。

Description

一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统

技术领域

本发明涉及视觉测量技术领域，特别是涉及一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统。 

背景技术

位移或者形变测量在许多不同的领域中都有着重要的作用，例如：机械加工、建筑、野外测量以及工业生产中设备在线状态或成品特征(形变、速度等)监测等，一般要求具有一定的测量准确度和较快测量速度。 

工程应用中常用测量方法有：百分表测量法、光学经纬仪、电子经纬仪、水准仪和线性差动变压器法等，其特点是仪器简单、操作容易，但是这几种方法只能用于短期、短距离和人工测量，存在费时费力、使用不便和实时测量困难等不足，同时接触式测量对监测目标容易产生接触变形、表面损伤等影响；非接触测不接触被测物体的同时又具有很高的精度，应用广泛，包括光栅测量法、激光测距法、视觉测量法等，其中视觉测量是人工智能与测量技术交叉而形成的智能测量，测量速度快、系统成本低、安装方便，具有较高研究与实用价值。 

目前，视觉测量技术主要有两种类型，一种基于激光三角法原理，另一种基于双目原理进行测量。激光三角法测量技术中，光经过准直后照射到测量目标上，反射光进入光电探测器，进行位移、形变等间接测量；通常单个光电探测器只能对一维信息进行监测，要测量空间三维参量，需要增加探测器数量或使探测器与测量对象相对旋转等；而双目视觉测量采用两套探测系统进行目标成像，利用空间坐标变换实现三维监测，相对而言系统较为复杂，成本高，可见采用传统测量方法很难满足大型设备及工业现场的测量需求。 

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种远距离三维微小形变视觉在线监测的方法和系统，以满足大型设备及工业现场的远距离三维微小形变在线监测的需求。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统，用以保证在成本较低的情况下满足远距离三维微小形变的视觉在线监测。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种远距离三维微小形变视觉在线监测系统，所述系统包括： 

复合靶标，由上下位置可调、垂直放置的十字靶标和俯仰角度可调的圆形靶标组成，用于为目标形变及激光光源光斑移动监测提供参考；所述复合靶标与监测目标刚性连接；监测目标在三维空间的位移或者形变直接传递给复合靶标； 

激光光源，用于实现望远、水平基准与焦距调节，产生半径大小与清晰度可调的激光光斑； 

视觉探测器，用于对复合靶标远距离成像；视觉探测器包括变焦镜头和单摄像头，其中，变焦镜头采用电动变焦技术实现监测距离调整；单摄像头利用数字摄像头实现目标成像； 

定位云台； 

电控器，电控器分别与变焦镜头和定位云台连接；电控器控制定位云台带动视觉探测器进行俯仰与旋转扫描两维运动，寻找监测目标，使得复合靶标成像于视觉探测器的视场中心；电控器控制变焦镜头实现视觉探测器的光学成像缩放、聚焦及光亮实时调整；保证复合靶标成像清晰； 

光纤传输，包括光端机和传输光纤，实现长距离高速图像传输； 

数字采集卡，用于接收光纤传输所传输的图像； 

工控机，工控机中安装有监测系统软件，用于对数字采集卡所获得的图像进行分析处理，获取三维微小形变信息。 

优选的，所述光端机包括光端机接收端和光端机发送端。 

优选的，所述激光光源内部有准直结构，能产生平行光束；利用激光光源的底座基准旋钮，可调节光束水平，以保证光斑入射到复合靶标的上下位置可调、垂直放置的十字靶标上；利用激光光源的聚焦旋钮，可调节激光光 斑的大小与清晰度。 

优选的，所述传输光纤两端分别与光端机发送端和光端机接收端相插接；光端机发送端与单摄像头插接，光端机接收端与数字采集卡插接。 

优选的，所述数字采集卡通过PCI插槽安装于工控机的主板上。 

本发明还公布了一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法，所述方法包括： 

连接复合靶标和监测目标； 

接通激光光源，使其水平入射到复合靶标上，形成准直光斑； 

打开单摄像头和变焦镜头，使其对复合靶标远距离成像； 

利用电控器控制定位云台，调整变焦镜头的空间位置，使复合靶标的像在单摄像头的视场中心； 

利用电控器控制变焦镜头，调整变焦镜头的光圈、聚焦和变倍参数，使得复合靶标的像最清晰； 

单摄像头得到的复合靶标的像，通过光端机发送端、传输光纤和光端机接收端传送到数字采集卡； 

工控机处理数字采集卡获得的图像信号，经监测系统软件分析处理，获得三维微小形变信息。 

优选的，所述复合靶标和监测目标采用的是刚性连接。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

首先，本发明提供一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统，包括复合靶标、激光光源、视觉探测、定位云台、电控器、光纤传输、数字采集卡和工控机，系统中视觉探测和激光光源可以实现三维监测，总体设计结构简单，安装调试方便，同时，采用电动变焦进行视觉探测，实现了监测距离可调，测试精度高，并且将数字摄像与光纤传输相结合，实现了远距离信号可靠传输以及现场与监控空间分离，复合靶标实现了不同目标监测的集成一体化。 

附图说明

图1是本发明实施例一所述的一种远距离三维微小形变视觉在线监测系统的结构示意图； 

图2是本发明实施例二所述的一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法的流程图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

在工程应用中位移或者形变测量所发挥的作用越来越大，如果能够找到一种简单、准确而有效远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统，那么将会满足远距离三维微小形变的视觉在线监测需求的同时节省大量的人力、物力和财力资源。 

因此，本专利发明人创造性地提出了本发明实施例的核心构思之一，即提供一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统，包括复合靶标，用于为目标形变及激光光源光斑移动监测提供参考；激光光源，用于实现望远、水平基准与焦距调节，产生半径大小与清晰度的可调的激光光斑；视觉探测，用于对复合靶标远距离成像；视觉探测包括变焦镜头和单摄像头，其中，变焦镜头采用电动变焦技术实现监测距离调整；单摄像头利用数字摄像头实现目标成像；定位云台；电控器，电控器分别与变焦镜头和定位云台连接；电控器控制定位云台带动视觉探测器进行俯仰与旋转扫描两维运动，寻找监测目标，使得复合靶标成像于视觉探测器的视场中心；电控器控制变焦镜头实现视觉探测的光学成像缩放、聚焦及光亮实时调整；保证复合靶标成像清晰；光纤传输，实现长距离高速图像传输；数字采集卡，用于接收光纤传输所传输的图像和工控机，工控机中安装有监测系统软件，用于对数字采集卡所获得的图像进行分析处理，获取三维微小形变信息。 

实施例一： 

参照图1，示出了本发明的一种远距离三维微小形变视觉在线监测系统 的结构示意图，所述系统具体包括： 

复合靶标2，由上下位置可调、垂直放置的十字靶标和俯仰角度可调的圆形靶标组成，用于为目标形变及激光光源光斑移动监测提供参考；所述复合靶标2与监测目标刚性连接；监测目标在三维空间的位移(形变)直接传递给复合靶标2； 

激光光源1，用于实现望远、水平基准与焦距调节，产生半径大小与清晰度的可调的激光光斑； 

优选的，所述激光光源1内部有准直结构，能产生平行光束；利用激光光源1的底座基准旋钮，可调节光束水平，以保证光斑入射到复合靶标2的上下位置可调、垂直放置的十字靶标上；利用激光光源1的聚焦旋钮，可调节激光光斑的大小与清晰度。 

视觉探测，用于对复合靶标2远距离成像；视觉探测包括变焦镜头4和单摄像头5，其中，变焦镜头4采用电动变焦技术实现监测距离调整；单摄像头5利用数字摄像头实现目标成像； 

定位云台6； 

电控器7，电控器7分别与变焦镜头4和定位云台6连接；电控器7控制定位云台6带动视觉探测器进行俯仰与旋转扫描两维运动，寻找监测目标，使得复合靶标2成像于视觉探测器的视场中心；电控器7控制变焦镜头实现视觉探测的光学成像缩放、聚焦及光亮实时调整；保证复合靶标2成像清晰； 

光纤传输，包括光端机和传输光纤9，实现长距离高速图像传输； 

数字采集卡10，用于接收光纤传输所传输的图像； 

工控机11，所述工控机11中安装有监测系统软件，用于对数字采集卡所获得的图像进行分析处理，获取三维微小形变信息。 

优选的，所述光端机包括光端机接收端82和光端机发送端81。 

优选的，所述传输光纤9两端分别与光端机-发送端81和光端机-接收端82相插接；光端机-发送端81与单摄像头5插接，光端机-接收端82与数字采集卡10插接。 

优选的，所述数字采集卡10通过PCI插槽安装与工控机11的主板上。 

测量过程中，由单摄像头5与变焦镜头4螺纹对接组合形成的视觉探测器对复合靶标2的圆形靶标与十字靶标上的激光光斑空间状态进行光学成像，实时图像序列经光端机-发送端81、传输光纤9、光端机-接收端82，由数字采集卡10采集到工控机11，通过系统软件对图像进行存储与在线处理，提取三维形变信息，并实时显示。系统监测范围与分辨率由变焦镜头4、单摄像头5以及数字采集卡10决定，监测范围与分辨率高低可通过对变焦镜头4的变焦倍数、单摄像头5的像素数与像元大小调整实现。 

实际应用中，单摄像头5可以选择BASLER SLA1390-17fm系列，主要参数： 

靶面大小：1/2英寸； 

像素数(宽×高)：1392×1040； 

帧频：17FPS，1394B接口输出； 

像元尺寸：4.65×4.65μm。 

变焦镜头4可以选择HF-30300Z系列，主要参数： 

焦距：30-300； 

接口：CS口； 

靶面大小：1/3英寸； 

控制：电动、三可变。 

数字采集卡10选择AFW-8300A系列，主要参数： 

PCI-X插槽； 

接口：2个1394b； 

驱动：支持98SE/ME/2000/XP/XP 64-bit/Vista。 

按照以上配置，系统测量主要技术指标可达： 

(1)形变范围＜20mm； 

(2)检测精度：0.5mm； 

(3)监测距离：20m左右。 

本实施例中所述的一种远距离三维微小形变视觉在线监测系统可广泛应用于非接触式工业在线测量，尤其是远距离三维微小形变及位移等在线监 测，系统 

实施例二： 

参照图2，示出了本发明的一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法的流程图，所述方法具体包括： 

S101，连接复合靶标和监测目标； 

优选的，所述复合靶标和监测目标采用的是刚性连接。 

S102，接通激光光源，使其水平入射到复合靶标上，形成准直光斑； 

S103，打开单摄像头和变焦镜头，使其对复合靶标远距离成像； 

S104，利用电控器控制定位云台，调整变焦镜头的空间位置，使复合靶标的像在单摄像头的视场中心； 

S105，利用电控器控制变焦镜头，调整变焦镜头的光圈、聚焦和变倍参数，使得复合靶标的像最清晰； 

S106，单摄像头得到的复合靶标的像，通过光端机-发送端、传输光纤和光端机-接收端传送到数字采集卡； 

S107，工控机处理数字采集卡获得的图像信号，经监测系统软件分析处理，获得三维微小形变信息。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

以上对本发明所提供的一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (7)

1.一种远距离三维微小形变视觉在线监测系统，其特征在于，所述系统包括：

复合靶标，由上下位置可调、垂直放置的十字靶标和俯仰角度可调的圆形靶标组成，用于为目标形变及激光光源光斑移动监测提供参考；所述复合靶标与监测目标刚性连接；监测目标在三维空间的位移或者形变直接传递给复合靶标；

激光光源，用于实现望远、水平基准与焦距调节，产生半径大小与清晰度可调的激光光斑；

视觉探测器，用于对复合靶标远距离成像；视觉探测器包括变焦镜头和单摄像头，其中，变焦镜头采用电动变焦技术实现监测距离调整；单摄像头利用数字摄像头实现目标成像；

定位云台；

电控器，电控器分别与变焦镜头和定位云台连接；电控器控制定位云台带动视觉探测器进行俯仰与旋转扫描两维运动，寻找监测目标，使得复合靶标成像于视觉探测器的视场中心；电控器控制变焦镜头实现视觉探测器的光学成像缩放、聚焦及光亮实时调整；保证复合靶标成像清晰；

光纤传输，包括光端机和传输光纤，实现长距离高速图像传输；

数字采集卡，用于接收光纤传输所传输的图像；

工控机，工控机中安装有监测系统软件，用于对数字采集卡所获得的图像进行分析处理，获取三维微小形变信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述光端机包括光端机接收端和光端机发送端。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述激光光源内部有准直结构，能产生平行光束；利用激光光源的底座基准旋钮，可调节光束水平，以保证光斑入射到复合靶标的上下位置可调、垂直放置的十字靶标上；利用激光光源的聚焦旋钮，可调节激光光斑的大小与清晰度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述传输光纤两端分别与光端机发送端和光端机接收端相插接；光端机发送端与单摄像头插接，光端机接收端与数字采集卡插接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述数字采集卡通过PCI插槽安装于工控机的主板上。

6.一种远距离三维微小形变视觉在线监测方法，其特征在于，所述方法包括：

连接复合靶标和监测目标；

接通激光光源，使其水平入射到复合靶标上，形成准直光斑；

打开单摄像头和变焦镜头，使其对复合靶标远距离成像；

利用电控器控制定位云台，调整变焦镜头的空间位置，使复合靶标的像在单摄像头的视场中心；

利用电控器控制变焦镜头，调整变焦镜头的光圈、聚焦和变倍参数，使得复合靶标的像最清晰；

单摄像头得到的复合靶标的像，通过光端机发送端、传输光纤和光端机接收端传送到数字采集卡；

工控机处理数字采集卡获得的图像信号，经监测系统软件分析处理，获得三维微小形变信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述复合靶标和监测目标采用的是刚性连接。

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