CN102003941B - 基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

一种计量技术领域的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置。方法为：将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度；输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差基本参数；标定相邻相机基线长度L_ij，获得基线长度L_i，i+1；标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率R_i；测量相同规格链条的各组五环长。装置为：沿着系泊链链条的长度方向分别设置n个相机和n个光源，底座上设置转盘，转盘调整型材支架的工作角度，由螺栓螺母固定，型材支架支撑相机支座和光源支座，相机支座上设有腰型槽，固定相机和调整工作距离，光源支座上设有弧形槽，调整光源的工作角度。因此本发明能快速、准确地提取链条边缘并且计算五环长，相对测量误差在2‰以内。

Description

基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种计量技术领域的测量方法及其测量装置，具体是一种基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置。

背景技术

机器视觉技术综合运用了电子学、光学、图像处理和计算机技术，具有非接触、速度快、柔性好等突出优点，广泛应用于检测工件的位置、尺寸和形状等。

现有视觉测量系统主要采用基于单幅图像的小尺寸工件测量方法和基于多幅图像拼接的大尺寸工件测量方法。前者所采集的单幅图像反映了待测工件的全貌，对单幅图像进行处理和分析得到工件的几何尺寸，缺点在于它只能检测50mm以内的小型工件，待测工件越大，测量精度越低。后者每次仅采集工件局部区域的图像，然后根据各个局部区域中工件的重复特征将所有局部区域图像拼接成一幅能完全反映待测工件全貌的图像，最后对这幅图像进行处理和分析得到工件的几何尺寸。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：200810124374.9，名称“大尺寸零件的视觉测量装置”，采用基于多幅图像拼接的方法测量工件的几何尺寸，该技术自述基于机器视觉的大尺寸零件测量装置，含底座和大、小标定块，所述的大标定块与小标定块的长度之比为3∶2～2∶1，在底座上滑动连接有L型移动台，在L型移动台的立臂上滑动连接有支撑杆，并且，L型移动台的滑动方向与支撑杆的滑动方向垂直，在支撑杆上转动连接有旋转块，且旋转块的旋转运动平面位于由L型移动台滑动方向与支撑杆的滑动方向所确定的平面平行，在所述的旋转块转动连接有相机支撑板且相机支撑板的旋转运动平面与由L型移动台滑动方向与支撑杆的滑动方向所确定的平面垂直，在相机支撑板上设有摄相机，在所述的底座上设有平移装置，在平移装置上设白色背景板，且白色背景板位于摄相机的下方，在底座上设用于观测托盘移动距离的钢尺。虽然该技术的实施方法可以检测大型工件的尺寸，但它存在很多缺点，例如数据多，响应慢，精度低等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，包括如下步骤：

①.将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度。

所述的n个相机和n个光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的同一侧，形成前景照明。相机分辨率为H×V，镜头焦距可微调，相机间距可调，LED光源亮度可调。

②.输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差等的基本参数。

③.标定相邻相机基线长度L_ij，游标卡尺固定于支座上而且平行于链条长度线，支座的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳，获得基线长度L_i，i+1。

所述的基线长度L_i，i+1，是指：钢丝绳位于链条长度线所在的垂直面内，在导轨上沿着y方向平移支座使得相邻的相机i和相机i+1的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻度值，两者之差就是基线长度L_i，i+1，实际上由多次读数取平均值能有效地减小系统误差。

④.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率R_i。

所述的链条长度线，为垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的交线。

所述的链条长度线的空间分辨率R_i，对于相同规格的链条，当测量系统接收到拉力机的触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条，在每幅图中提取单个链环或两个链径处的边缘，计算其像素距离L_pi，用游标卡尺测量它的长度L_i，那么R_i＝L_i/L_pi，同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差。

由于所述的链条长度线在各个相机中的物距略有差异，因此各个相机的空间分辨率R_i不同，链条规格变动时，链条长度线在各个相机中的物距会发生变化，必须重新标定R_i。

⑤.测量相同规格链条的各组五环长。

当所述的链条长度线与成像面平行时，如果测量五环长所需左右两条边缘分别在相机i和相机j中，左边缘在相机i中的像素坐标为u_i，相机i沿着链条长度线的分辨率为R_i，右边缘在相机j中的像素坐标为u_j，相机j沿着链条长度线的分辨率为R_j，相机i和相机j的基线长度即两个相机镜头光心的间距为L_ij，则五环长L₅＝L_ij+L_j-L_i，其中右边缘到相机j主点的水平距离

左边缘到相机i主点的水平距离i和j＝{1，2，…，n}。

测量步骤如下：

a.当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条；

b.将n幅图像暂时缓存于相机中；

c.通过网卡将n幅图像依次传输到工控机；

d.最后分析图像、提取边缘并测量五环长。

本发明还涉及基于视觉的大型系泊链五环长测量装置，由底座、型材支架、相机支座、相机、光源支座和光源组成，沿着链条的长度方向分别设置n个相机和n个光源，底座上设置转盘，转盘调整型材支架的工作角度，由螺栓螺母固定，型材支架支撑相机支座和光源支座，相机支座上设有腰型槽，用于安装相机和调整工作距离；光源支座上设有弧形槽，用于调整光源的工作角度。

所述的光源和相机在系泊链链条的同一侧，形成前景照明，微调镜头焦距使得成像清晰，调整镜头光圈、相机的工作角度和距离、光源的工作角度、距离和亮度使得链条和背景的灰度对比显著而且各个相机中光照基本一致，这样有利于精确地提取链条的边缘。

所述的相机分辨率为H×V，镜头焦距可微调，相机间距可调。所述的光源为LED光源，亮度可调。

本发明中相机和光源到达指定工作距离和工作角度后，当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条，n幅图像暂时缓存于相机中，然后依次通过网卡传输到工控机，最后分析图像、提取边缘并测量五环长。

本发明采用标准链条而非传统棋格标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率，这是由相机视场和链条外形共同决定的。首先，大幅面的棋格精度低而且成本高，而标准链条是厂方必备的样品，精度高而且容易获取；其次，系泊链是三维工件，由于厚度尺寸导致在成像面上提取的链条边缘与实际边缘有差异，采用标准链条标定分辨率既反映了链条边缘的真实特征，又补偿了边缘提取误差，而二维棋格却不能胜任。

本发明测量三维复杂形状工件系泊链的五个相邻环长度，将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度，保证了所采集图像的质量以便于后续处理和分析，基于相机基线长度的测量方法，利用了相机主点在成像过程中的特殊性，将五环长测量任务转化为分别测量相机的基线长度和五环的左右边缘相对于所在相机主点的水平距离，因此本发明能快速、准确地提取链条边缘并且计算五环长，相对测量误差在2‰以内。

附图说明

图1为相机主点在游标卡尺上的读数示意图。

图2为标定链条长度线的空间分辨率R_i示意图。

图3为测量系统的机构示意图。

其中：1是底座，2是型材支架，3是相机支座，4是相机，5是光源支座和光源。

图4为大型系泊链五环长测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例涉及的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，包括如下步骤：

1.将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度，其中n个相机和n个光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的同一侧，形成前景照明。相机分辨率为H×V，镜头焦距可微调，LED光源亮度可调。

2.输入链条的基本参数，包括链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差等。

3.如图1所示，标定相邻相机基线长度L_ij，游标卡尺固定于支座上而且平行于链条长度线，支座的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳(该钢丝绳位于链条长度线所在的垂直面内)，在导轨上沿着y方向平移支座使得相邻的相机i和相机i+1的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻度值，两者之差就是基线长度L_i，i+1，实际上由多次读数取平均值能有效地减小系统误差。

4.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率R_i。对于相同规格的链条，当测量系统接收到拉力机的触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条，如图2所示，在每幅图中提取单个链环或两个链径处的边缘，计算其像素距离L_pi，用游标卡尺测量它的长度L_i，那么R_i＝L_i/L_pi，同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差。链条长度线在各个相机中的物距略有差异，因此各个相机的空间分辨率R_i不同。链条规格变动时，链条长度线在各个相机中的物距会发生变化，必须重新标定R_i。

本实施例采用标准链条而非传统棋格标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率，这是由相机视场和链条外形共同决定的。首先，大幅面的棋格精度低而且成本高，而标准链条是厂方必备的样品，精度高而且容易获取；其次，系泊链是三维工件，由于厚度尺寸导致在成像面上提取的链条边缘与实际边缘有差异，采用标准链条标定分辨率既反映了链条边缘的真实特征，又补偿了边缘提取误差，而二维棋格却不能胜任。

5.测量相同规格链条的其他各组五环长。当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条，n幅图像暂时缓存于相机中，然后依次通过网卡传输到工控机，最后分析图像、提取边缘并测量五环长。

如图4所示，当链条长度线(垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的交线)与成像面平行时，如果测量五环长所需左右两条边缘分别在相机i和相机j中，左边缘在相机i中的像素坐标为u_i，相机i沿着链条长度线的分辨率为R_i，右边缘在相机j中的像素坐标为u_j，相机j沿着链条长度线的分辨率为R_j，相机i和相机j的基线长度即两个相机镜头光心的间距为L_ij，则五环长L₅＝L_ij+L_j-L_i，其中右边缘到相机j主点的水平距离

左边缘到相机i主点的水平距离

i和j＝{1，2，…，n}。

然而提取到计算五环长所需边缘是测量五环长的前提。由于系泊链是三维大型工件，外形复杂，表面曲率变化大，在成像面内链条本体的灰度梯度不连续而存在着明显的阶跃，这增加了边缘提取的难度。本实施例先采用梯度算子提取所有可能的链条边缘，然后在这些边缘中根据真边缘所在列的灰度总和最小的特性删除伪边缘，接着排除重复边缘，确定第一条可用左边缘和最后一条可用右边缘，删除链环的横档边缘，最后得到计算五环长所需边缘。

本实施例涉及的链条边缘提取方法，包括如下步骤：

(1)在各个相机所拍摄的链条图像中设置兴趣窗AOI，包括中心坐标(u，v)、长度L和宽度W等四个参数，要求n个AOI包含链条长度线的边缘而且v相同，u、L和W可以不同，这是保证边缘无遗漏而且精确的前提。如果链径不变，则AOI的位置和大小均不变。

(2)提取n个AOI中沿着链条长度线的所有边缘，包括三步：

第一，计算AOI中每一列的平均灰度，所得到的行向量就是链条长度线的名义灰度矩阵；

第二，采用一维Prewitt掩模板[-1 0 1]对名义灰度矩阵作卷积即得到链条长度线的梯度矩阵；

第三，遍历梯度矩阵的元素，如果元素超过梯度阈值，则该元素对应的像素坐标处有一条边缘，否则没有。

(3)删除所有边缘中的伪边缘，得到链条的真边缘。由于链环是经过高温加热后弯制而成的，局部表面有氧化皮，它会引入伪边缘，同时，表面曲率变化和光照剧烈变化也会引入伪边缘，要排除它们。在一个很小的邻域内，一条真边缘和其他伪边缘构成一个边缘簇，在同一个边缘簇中所在列的灰度总和最小的边缘是真边缘，其他边缘都是伪边缘，删除伪边缘即可。

(4)排除相邻相机中重复的边缘。为了防止漏测，相邻相机所观察到的链条都有重复部分，同时为了简化算法，重复部分最多只有一条真边缘。假设相机i中最后一条边缘的横坐标为EdgeList[i][end]-＞fltXpos，相机i+1中第一条边缘的横坐标为EdgeList[i+1][0]-＞fltXpos，重复区域长度为fltInterLenPix，如果((H-EdgeList[i][end]-＞fltXpos)＜fltInterLenPix)&&((EdgeList[i+1][0]-＞fltXpos)＜fltInterLenPix)，则两条边缘重复，保留相机i+1中第一条边缘，删除相机i中最后一条边缘；否则，两条边缘不是链条的同一条边缘。

(5)确定相机1中第一条可用的左边缘。

第一，除了最后一条边缘，在相机1的其他边缘中寻找第一条可用的左边缘，假设像素阈值T_l1＝1.5d/R₁，像素阈值T_h1＝2.5d/R₁，如果T_l1≤EdgeList[1][i+1]-＞fltXpos-EdgeList[1][i]-＞fltXpos≤T_h1，由于第一条可用的左边缘与下一条边缘的差值接近2d/R，则第i条边缘为第一条可用的左边缘，跳转到(6)，否则，i++，继续搜索，直到相机1中只剩下最后一条边缘；

第二，判断最后一条边缘是否为第一条可用的左边缘，假设相机1和相机2的重复区域长度为fltInterLen，如果T_l1≤EdgeList[2][0]-＞fltXpos+H-EdgeList[1][end]-＞fltXpos-fltInterLenPix≤T_h1，则边缘end为第一条可用的左边缘，跳转到(6)，否则，提示出错。

(6)确定相机n中最后一条可用的右边缘。

第一，除了第一条边缘，在相机n的其他边缘中寻找最后一条可用的右边缘，假设像素阈值T_ln＝1.5d/R_n，像素阈值T_hn＝2.5d/R_n，如果T_ln≤EdgeList[n][i]-＞fltXpos-EdgeList[n][i-1]-＞fltXpos≤T_hn，由于最后一条可用的右边缘与前一条边缘的差值接近2d/R，则第i条边缘为最后一条可用的右边缘，跳转到(7)，否则，i-，继续搜索，直到相机n中只剩下第一条边缘；

第二，判断第一条边缘是否为最后一条可用的右边缘，假设相机n-1和相机n的重复区域长度为fltInterLen，如果T_ln≤EdgeList[n][0]-＞fltXpos+H-EdgeList[n-1][end]-＞fltXpos-fltInterLenPix≤T_hn，则边缘1为最后一条可用的右边缘，跳转到(7)，否则，提示出错。

(7)排除横档边缘。经过上述六步操作后得到新的边缘链表，从第一条边缘开始，每四条边缘为一组，其中后两条是横档边缘，删除即可。

如图3所示，本实施例还涉及如上所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量装置，由底座1、型材支架2、相机支座3、相机4、光源支座和光源5组成。底座1上安装了转盘，可以调整型材支架2的工作角度直到合适为止，由螺栓螺母固定，由滑块和定位销记录该工作位置以便于型材支架2的复位；型材支架2支撑相机支座3和光源5，保证相机4和光源5的工作距离符合设计要求；相机支座3上加工了腰型槽，用于固定相机和调整工作距离；光源支座5上加工了弧形槽，用于调整光源的工作角度。

沿着链条的长度方向分别安装n个黑白相机和n个条形LED光源，相机分辨率为H×V，镜头焦距可微调，LED光源亮度可调。光源5和相机4在链条的同一侧，形成前景照明，微调镜头焦距使得成像清晰，调整镜头光圈、相机的工作角度和距离、光源的工作角度、距离和亮度使得链条和背景的灰度对比显著而且各个相机中光照基本一致，这样有利于精确地提取链条的边缘。

Claims (3)

1.一种基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

①.测量系统的机构将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度；

②.输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差基本参数；

③.标定相邻相机基线长度L_ij，游标卡尺固定于支座上而且平行于链条长度线，支座的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳，获得基线长度L_i,i+1；其中，所述的基线长度L_i,i+1，是指：钢丝绳位于链条长度线所在的垂直面内，在导轨上沿着y方向平移支座使得相邻的相机i和相机i+1的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻度值，两者之差就是基线长度L_i,i+1，实际上由多次读数取平均值能有效地减小系统误差；

④.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率R_i；所述的链条长度线的空间分辨率R_i，对于相同规格的链条，当测量系统接收到拉力机的触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条，在每幅图中提取单个链环或两个链径处的边缘，计算其像素距离L_pi，用游标卡尺测量它的长度L_i，那么R_i=L_i/L_pi，同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差；

⑤.测量相同规格链条的各组五环长：

a.当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，n个相机拍摄整个被夹持的链条；

b.将n幅图像暂时缓存于相机中；

c.通过网卡将n幅图像依次传输到工控机；

d.最后分析图像、提取边缘并测量五环长。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤①中所述的n个相机和n个光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的同一侧，形成前景照明。

3.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤③和④中所述的链条长度线，为垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的交线。

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