CN102661722B - 基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头与检测方法。将镜头转换器和CCD照相机安装在直角基座上，镜头转换器通过电机实现旋转定位，直角基座通过连接块和磁力底盘安装在三坐标测量机的Z轴上。测量过程中将放大倍数不同的三个照相机镜头安装在镜头转换器上，先将低倍镜头转换至工作位置，由CCD照相机获取薄片零件的全景图像，并提取零件轮廓；然后由路径规划模块根据零件整体轮廓分布情况规划二次测量路径；接着将高倍镜头转换至工作位置，由CCD照相机按二次测量路径对薄片零件的轮廓分区域进行精确测量；最后以二次测量获得的数据作为最终的检测结果。本发明装置结构简单，能实现复杂形状薄片零件的自动化检测。

Description

基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头与检测方法

技术领域

本发明涉及一种薄片零件的轮廓检测，尤其是涉及一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头与检测方法。

背景技术

薄片零件在计算机硬盘、机械式精密钟表、精密光电仪器等领域有广泛的应用。轮廓尺寸检测是控制薄片零件质量，保证薄片零件实现预定功能的重要手段。目前薄片零件轮廓尺寸检测主要有三种方式：

（1）专用量具手工检测法：测量人员使用专用的尺、规等量具对薄片零件上的局部尺寸进行测量。

（2）三坐标测量机接触式检测：手动控制三坐标测量机，以接触式测量方式，对薄片零件的轮廓进行逐点测量。

（3）机器视觉影像检测：使用CCD、CMOS照相机获取薄片零件的轮廓图像，通过图像处理获取薄片零件的数字化轮廓信息。该方法主要有两种方式：①整体轮廓一次成像，即选择合适的镜头，使被测零件的整体轮廓都能显示在照相机的视野内，通过一次拍摄获取整体轮廓图像；②局部影像跟踪，即选择相对放大倍率大的镜头，然后摄取并实时提取照相机视野内显示的被测零件的局部轮廓，接着根据实时获取的数字化轮廓预测下一个拍摄点，然后移动照相机到下一个拍摄点，如此循环工作，直至完成被测零件整个轮廓的测量。

上述方法中，方法(1)设备简单，但受测量人员主观性影响大、效率低下、测量精度低，且只能获得被测零件上的局部尺寸。方法(2)以三坐标测量机为测量平台，测量精度比方法(1)明显提高，测量灵活性增强，但接触式测量中存在的接触力可能引起薄片零件变形而产生测量误差，且为逐点测量方式，不能获取轮廓上完整的尺寸信息。方法(3)采用非接触式视觉测量方式，测量速度快，且可以获取被测零件的整体轮廓信息，但方法(3)也存在一些问题：整体轮廓一次成像要求被测零件的整个轮廓都能显示在照相机视野内，所以需采用相对低倍的镜头，测量结果可能不满足精度要求。局部影像跟踪法采用相对高倍的镜头，但照相机视野缩小，复杂轮廓跟踪可能失效；因为没有整体轮廓信息指导，部分轮廓可能出现跟踪遗漏的情况。

发明内容

针对现有薄片零件轮廓机器视觉影像检测方法的不足，本发明的目的是提供一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头与检测方法。该方法先使用低倍镜头获取薄片零件的整体轮廓，利用零件整体轮廓信息为高倍镜头二次测量规划测量路径，实现薄片零件轮廓高精度自动检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测测头：

CCD照相机安装在直角基座侧面，CCD照相机的镜头与直角基座底面的照相机观测孔对齐；镜头转换器通过轴承安装在直角基座下底面上；镜头转换器是一个圆盘形齿轮，其上有三个等圆周分布的镜头安装孔，镜头安装孔上分别安装有照相机第一镜头、第二镜头和第三镜头；电机安装在直角基座底面的电机安装孔中，电机的输出端装有小齿轮，该小齿轮与镜头转换器外圆周上的轮齿相互啮合；直角基座侧面与连接块的一侧固定；连接块的另一侧与磁力底盘的一侧固定，磁力底盘固定在三坐标测量机Z轴的测头座上，整个直角基座通过磁力底盘能在测头座上实现装卸。

所述的直角基座，其材质为铝合金。所述的连接块，其材质为铁。

二、一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法：

该方法实现的步骤为：

（1）根据被测薄片零件的形状、尺寸和测量精度要求，选择三个照相机镜头：第一镜头、第二镜头、第三镜头，然后将这三个镜头安装在镜头转换器上，这三个镜头的放大倍数关系为：第一镜头＜第二镜头＜第三镜头；

（2）开启电机，转动镜头转换器，将第一镜头转换至工作位置；然后移动测头装置，使第一镜头对准测量基台上的基准标志，接着由自动对焦模块实现自动对焦，对焦完成后测量机锁定Z轴在竖直方向上的自由度，然后由标定模块确定照相机图像坐标系与基准坐标系的转换关系，同时标定模块确定第一镜头的放大倍数；最后将被测薄片零件水平放置在测量基台上，第一镜头对准被测薄片零件，照相机摄取被测薄片零件的全景图像；

（3）由图像处理模块对薄片零件的全景图像进行处理，提取薄片零件的整体轮廓，然后以薄片零件的整体轮廓为基础，规划完整的二次测量路径；

（4）开启电机，转动镜头转换器，使第二镜头或第三镜头转换至工作位置，然后移动测头装置，使第二镜头或第三镜头对准基台上的基准标志，接着先由自动对焦模块实现自动对焦，然后由标定模块确定使用第二镜头或第三镜头时照相机图像坐标系与基准坐标系的转换关系，同时标定模块确定第二镜头或第三镜头的放大倍数；接着按步骤（3）提供的测量路径逐步移动测头装置并拍摄薄片零件的局部轮廓图像，直至完整地走完测量路径；

（5）由图像处理模块对二次测量获得的图像进行拼接，然后提取拼接图像中薄片零件的整体轮廓，并把它作为最后的测量结果。

所述的测量基台是一个方形大理石质的平台，平台的左上角有两个白色的正方形沿对角线方向连接，这两个正方形为基准标志，两个正方形的连接点为测量基准坐标系原点；基准标志的右边排列着十个边长逐渐增大且边长尺寸已知的白色正方形，为镜头放大系数参考标志。

所述的由自动对焦模块实现自动对焦，其实现方法为：以照相机所获图像的Brenner函数作为清晰度评价函数，控制三坐标测量机的Z轴在竖直方向上下移动以调整照相机物距，直至Brenner函数达到极大值。

所述的由标定模块确定照相机图像坐标系与测量基准坐标系的转换关系，其实现方法为：由照相机摄取基准标志图像，同时记录此时三坐标测量机光栅尺坐标系的坐标值(x_MC，y_MC)，然后提取所获基准标志图像中测量基准坐标系原点在图像坐标系中的坐标值(u_C,v_C)，同时确定测量基准坐标系原点在照相机传感器测量坐标系中的坐标值(x_SC，y_SC)，最后根据(x_MC，y_MC)、(u_C,v_C)、(x_SC，y_SC)的关系确定照相机图像坐标系与测量基准坐标系的转换关系。

所述的标定模块确定第一镜头的放大倍数，实现方法为：在测量基台上选择一个镜头放大系数参考标志，然后移动测头装置使第一镜头对准被选择的参考标志并摄取该标志图像，然后提取图像中的正方形，并计算图像坐标系下正方形的边长，最后取该正方形在图像坐标系中的边长与实际边长的比值，此比值即为镜头的放大倍数。

所述的对薄片零件的全景图像进行处理，处理内容包括：用边缘保持滤波器Kuwahara滤波器对图像进行滤波；然后基于图像灰度对图像进行二值化；最后用Steger图像边缘检测算法提取轮廓线。

本发明具有的有益效果是：

（1）以大视野低精度影像指导小视野高精度影像测量，实现薄片零件复杂轮廓自动化精密检测。

（2）利用三坐标测量机精确的空间定位能力实现照相机自动对焦与二次测量路径自动化精确跟踪。

（3）装置结构简易，路径规划算法简单，易于实现。

附图说明

图1是基于影像复合法的测头装置结构示意图。

图2是基于影像复合法的测头装置配件装配关系示意图。

图3是基台形貌示意图。

图4是测量系统坐标转换过程示意图。

图5是被测薄片零件形貌示意图。

图6是被测薄片零件全景轮廓示意图。

图7是二次测量路径过程示意图。

图8是二次测量路径规划结果示意图。

图9是最终获得的数字化轮廓示意图。

图中：1、CCD照相机，2、直角基座，3、连接块，4、磁力底盘，5、三坐标测量机Z轴，6、磁力开关，7、测头座，8、电机，9、小齿轮，10、镜头转换器，11、第三镜头，12、第二镜头，13、第一镜头，14、镜头安装孔；15、轴承安装孔；16、电机安装孔，17、照相机观测孔，18轴承。

具体实施方式

本发明针对薄片零件轮廓检测，所使用的测头装置结构及测头装置中配件的装配关系分别如图1、图2所示，具体结构描述如下：

CCD照相机1通过螺钉安装在直角基座2侧面，CCD照相机1的镜头与直角基座2底面的照相机观测孔17对齐；镜头转换器10通过轴承18安装在直角基座下底面2上，其中轴承18安装在直角基座2的轴承安装孔15中；镜头转换器10是一个圆盘形齿轮，其上有三个等圆周分布的镜头安装孔14，镜头安装孔14上分别安装有照相机第一镜头13、第二镜头12和第三镜头11；电机8安装在直角基座2底面的电机安装孔16中，电机8的输出端装有小齿轮9，该小齿轮9与镜头转换器10外圆周上的轮齿相互啮合；直角基座2侧面通过螺钉与连接块3的一侧固定；连接块3的另一侧与磁力底盘4的一侧固定，磁力底盘4通过螺钉固定在三坐标测量机Z轴5的测头座7上，整个直角基座2通过磁力底盘4能在测头座7上实现装卸。

电机8安装在直角基座2上的电机安装孔16中，电机8的输出端装有小齿轮9，该小齿轮9上的轮齿与镜头转换器10外圆周上的轮齿相互啮合。小齿轮9的转动可以带动镜头转换器10转动，从而实现照相机第一镜头13、第二镜头12和第三镜头11的自动更换。整个直角基座2通过螺钉与连接块3的一个侧面固定，连接块3的另一个侧面上有三个外凸的半球形定位标志。磁力底盘4通过螺钉固定在三坐标测量机Z轴5的测头座7上，磁力底盘4的侧面上有三个内凹槽，这三个内凹槽的空间分布与连接块3侧面上的三个外凸半球对应。磁力底盘4上有一个磁力开关6，当该磁力开关6打开时，连接块3与磁力底盘4发生吸引，整个直角基座2被固定在测头座7上；当该磁力开关6关闭时，连接块3与磁力底盘4之间的磁吸引力消失，整个直角基座2可以从测头座7上卸载。所以通过磁力底盘4可以方便地实现整个直角基座2在测头座7上的装卸。上述部件中，直角基座2、镜头转换器10的材质采用铝合金，主要是为了减轻测头装置的重量从而减轻三坐标测量机Z轴5的负担；连接块3采用铁质材料，是为了配合磁力底盘4实现装卸功能。

测量过程中，薄片零件将放置在测量基台上，测量基台的形貌如图3所示，其中图3(a)是测量基台的三维形状示意图，图3(b)是测量基台的俯视图。测量基台是一个黑色大理石材质的方形平台，如图3(b)所示，平台的左上角有两个白色的正方形沿对角线方向连接，这两个正方形为基准标志，这两个正方形的连接点为测量基准坐标系原点。基准标志的右边排列着十个边长逐渐增大且边长尺寸已知的白色正方形，这十个正方形为镜头放大系数参考标志。

基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法实现主要包括五个步骤，具体实施方法说明如下：

一、测头装置准备：

首先将测量基台放置在三坐标测量机测量台的正中位置，然后根据被测薄片零件的形状、大小和测量精度要求，选择三个合适的照相机镜头：第一镜头13、第二镜头12、第三镜头11，并将这三个镜头安装在镜头转换器上，假设这三个镜头的放大倍数关系为：第一镜头13＜第二镜头12＜第三镜头11。接着将整个测头装置安装到三坐标测量机Z轴的测头座上，并打开测头座上的磁力开关，固定测头装置；最后将照相机、电机的信号线与测头座上的信号接口连接。

二、全景图像获取

开启电机，转动镜头转换器，将第一镜头13转换至工作位置；然后通过控制三坐标测量机Z轴移动测头装置，使第一镜头13对准测量基台上的基准标志，接着由自动对焦模块实现自动对焦。

自动对焦模块实现自动对焦方法为：将照相机所获图像的Brenner函数值F作为清晰度评价指标，测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向下运动直到Brenner函数达到预值α₀，这时第一镜头13靠近基准标志；然后测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向上运动，F值逐渐增大；当F值由逐渐增大变为逐渐减小时，Z轴停止向上运动；然后测量系统自动控制三坐标测量机Z轴向下运动，如此反复，直至F达到极大值，第一镜头13即完成自动对焦。自动对焦过程主要利用了三坐标测量机精确的空间定位能力，当Z轴在竖直方向上移动时，第一镜头13的物距发生变化，从而图像的清晰度发生变化，相应的Brenner函数值发生变化，当搜索到了Brenner函数值的极大值时，第一镜头13即完成自动对焦。

使用基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法时涉及多个测量镜头，测量过程中应该将各个镜头的测量结果统一转换到基准坐标系下，以便于数据处理。以第一镜头13为例，坐标系转换过程如下所述。

（1）建立坐标系：

首先建立如图4所示的三个坐标系。

①机器坐标系o_Mx_My_Mz_M，以CMM在初始状态下，照相机的光学中心o_S为所在位置为原点，三个坐标轴分别与测量机的三个导轨方向一致。且此时的光栅尺位置将作为光栅尺读数的相对零位；

②传感器测量坐标系o_Sx_Sy_Sz_S，以照相机的光学中心o_S为原点，z_S轴与镜头的光轴一致，与像平面交于点O，o_Sx_S与o_Mx_M平行且方向相同，o_Sy_S与o_My_M平行且方向相反，o_Sz_S与o_Mz_M平行且方向相反，o_SO为照相机的焦距f；

③测量基准坐标系oxyz，以测量基台上基准标志中心为原点，三个坐标轴分别与机器坐标系平行且方向一致。

（2）照相机数学模型：

照相机数学模型如图4所示，模型中两个坐标系的含义为：

①o_puv是以像素表示的图像坐标系，以图像的左上角为原点o_P，以两相邻边为u、v轴建立。该坐标系以像素为单位，像素的坐标值(u,v)表示该像素在图像阵列中的列数与行数；

②OXY是以长度单位（如mm）表示的图像坐标系，以镜头光轴与像平面的交点O为原点，O在o_puv下的坐标为(u₀,v₀)，OX、OY轴分别平行于u、v轴，且方向一致。

设P(x_S，y_S,z_S)为传感器坐标系下一点，P在像平面上的像点为G(u,v)或M(X,Y)，其中G(u,v)为P在o_puv中的像点，M(X,Y)为P在OXY中的像点。

设每个像素在X、Y轴方向上的物理尺寸分别为d_X，d_Y，为已知值，则G(u,v)与M(X,Y)的关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}X=(u-u_0)d_X\\ Y=(v-v_0)d_Y\end{array}\right.---\left(1\right)$

由图4可得，M(X,Y)与P(x_S，y_S,z_S)之间存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}X={\mathrm{fx}}_S/z_S\\ Y={\mathrm{fy}}_S/x_S\end{array}\right.---\left(2\right)$

由式(1)、(2)可得

$\left\{\begin{array}{c}{x}_S=\frac{z_S}{f}(u-u_0)d_X\\ y_S=\frac{z_S}{f}(v-v_0)d_Y\end{array}\right.---\left(3\right)$

（3）坐标系转换：

因为影像测量只涉及平面二维坐标，所以这里只讨论二维坐标系转换问题，坐标系转换的顺序为o_Sx_Sy_S→o_Mx_My_M→oxy，其中o_Sx_Sy_S→o_Mx_My_M的转换关系可以表示为

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\end{array}\right]=R_1\·\left[\begin{array}{c}{x}_S\\ y_S\end{array}\right]+T_1---\left(4\right)$

式中，R₁、T₁为o_Sx_Sy_S相对o_Mx_My_M的旋转矩阵与平移矩阵，由图4可知， $R_1=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right];$ T₁表示o_S在o_Mx_My_M中的位置，其值由各轴上的光栅尺读数给出，设T₁=(x_Mi，y_Mi)^T；将R₁、T₁、式(3)分别代入式(4)可得

$\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_S\\ y_S\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}\\ y_{\mathrm{Mi}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}+z_S(u-u_0)d_X/f\\ y_{\mathrm{Mi}}-z_S(v-v_0)d_Y/f\end{array}\right]---\left(5\right)$

o_Mx_My_M→oxy的转换关系可以表示为

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=R_2\·\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\end{array}\right]+T_2---\left(6\right)$

式中，R₂、T₂为o_Mx_My_M相对oxy的旋转矩阵与平移矩阵。如图4可知，

T₂表示o_M在oxy中的位置，其值可以通过如下方法获得：完成对焦后测量系统摄取基准标志图像，设此时光栅尺读数为(x_MC，y_MC)，提取图像中基准标志原点的坐标o(u_C,v_C)，然后将o(u_C,v_C)代入式(3)得o在o_Sx_Sy_S下的二维坐标值(x_SC，y_SC)为(z_S(u_C-u₀)d_X/f，z_S(v_C-v₀)d_Y/f)，将(z_S(u_C-u₀)d_X/f，z_S(v_C-v₀)d_Y/f)代入式(5)得o在o_Mx_My_M下的二维坐标值为(x_MC+z_S(u_C-u₀)d_X/f，y_MC-z_S(v_C-v₀)d_Y/f)，则T₂=(-x_MC-z_S(u_C-u₀)d_X/f，-y_MC+z_S(v_C-v₀)d_Y/f)；将R₂、T₂代入式(6)可得

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_M\\ y_M\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-x_{\mathrm{MC}}-z_S(u_C-u_0)d_X/f\\ {-y}_{\mathrm{MC}}+z_S(v_C-v_0)d_Y/f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_M-x_{\mathrm{MC}}-z_S(u_C-u_0)d_X/f\\ y_M-y_{\mathrm{MC}}+z_S(v_C-v_0)d_Y/f\end{array}\right]---\left(7\right)$

式(5)代入式(7)得

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}+z_S\left({u-u}_0\right)d_X/f-x_{\mathrm{MC}}-z_S(u_C-u_0)/f\\ y_{\mathrm{Mi}}-z_S(v-v_0)d_Y/f-y_{\mathrm{MC}}+z_S(v_C-v_0)/f\end{array}\right]---\left(8\right)$

因为当测头装置完成对焦后测量机竖直方向上的自由度被锁定，即z_S、f的值都保持不变，所以式(8)中z_S/f为常数。由式(3)可知，z_S/f即为第一镜头13的放大倍数，设为K_I，代入式(8)得（公式（9）中K加了下标I）

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}-x_{\mathrm{MC}}+K_I{d}_X(u-u_C)\\ y_{\mathrm{Mi}}-y_{\mathrm{MC}}-K_I{d}_Y(v-v_C)\end{array}\right]---\left(9\right)$

通过式(9)便可以把测量结果从图像坐标系统一转换到基准坐标系下。其中放大倍数K_I的确定方法如下所述。

使第一镜头13在放大系数参考标志上方移动，选择一个大小合适的放大系数参考标志，使该标志能完整地出现在第一镜头13的视野内，摄取该标志图像，并提取标志边界。设所选参考标志的实际边长为h，在图像坐标系o_Puv中，在o_Pu方向上标志所占像素数目为m，在o_Pv方向上所占像素数据为n，则在OXY中的OX方向上边长为md_X，OY方向上边长为nd_Y，则

$K_I=\frac{{\mathrm{md}}_X+{\mathrm{nd}}_Y}{2h}---\left(10\right)$

完成坐标系转换与镜头放大系数标定后可以开始测量。设被测薄片零件的形貌如图5所示，首先将该被测薄片零件水平放置在测量基台上，然后控制三坐标测量机移动测头装置，使第一镜头13对准薄片零件，由照相机摄取薄片零件的全景图像。

三、二次测量路径规划

获得被测薄片零件的全景图像后，图像处理模块首先用边缘保持滤波器Kuwahara滤波器对图像进行滤波，去除图像中的噪声。然后图像处理模块作出全景图像的灰度直方图，并根据灰度直方图的整体分布设置灰度预值(如将整体图像的平均灰度作为预值)，然后对图像中所有像素的灰度值进行重置：将灰度值大于预值的像素，灰度值重置为255；将灰度值小于预值的像素，灰度值重置为0。

完成噪声处理与二值化后，图像处理模块接着用Harris角点探测器提取全景图像中的角点。然后用Steger图像边缘检测算法提取图像中角点与角点之间的轮廓线，得到单像素宽的轮廓线。单像素宽的轮廓线转化到基准坐标系下为一系列离散点，测量系统以这些点基础，用目前成熟的最小二乘逼近法将角点之间的离散点拟合成三次B样条曲线，完成B样条曲线拟合后全景图像的轮廓便转化成数字化曲线，如图6所示是对图5所示薄片零件进行一次测量后获得的整体数字化轮廓。二次测量路径规划以整体数字化轮廓曲线为基础，具体规划过程如下所述

第二镜头12、第三镜头11在具体装置上的精确放大倍数需要通过标定确定，但镜头上标示的放大倍数是已知的。二次测量选择第二镜头12还是第三镜头11，由被测量薄片零件的形貌、尺寸，第二镜头12或第三镜头11标示的放大倍数及测量精度要求决定，这里假设二次测量使用第二镜头12，则二次测量路径规划过程说明如下：设第一镜头13经标定获得的放大倍数为K_I，第二镜头12标示的放大倍数为K_Ⅱ，取γ=K_Ⅱ/K_Ⅰ，则在基准坐标系下若第一镜头13可拍摄区域尺寸为a_Ⅰ×b_Ⅰ，则第二镜头12的可拍摄区域尺寸为a_Ⅱ×b_Ⅱ，其中a_Ⅱ=a_Ⅰ/γ，b_Ⅱ=b_Ⅰ/γ。如图7所示，设P(t)是用B样条曲线表示的薄片零件的一段数字化轮廓，以G_S(x_S，y_S)为起点，G_S对应的B样条曲线上表示为P(t_S)，二次测量路径规划步骤为：

①设x_max＝x_s，x_min＝x_s，y_max＝y_s，y_min＝y_s，a_i=0，b_i=0；

②将P(t)的参数t值增加0.01，设P(t+0.01)所对应的坐标点为G_i(x_i，y_i)，首先比较x_max与x_i的大小，若x_max＜x_i，则将x_i的值赋给x_max；若x_i＜x_min，则将x_i的值赋给x_min；同时比较y_max与y_i的大小，若y_max＜y_i，则将y_i的值赋给y_max；若y_i＜y_min，则将y_i的值赋给y_min；若x_min≤x_i≤x_max，y_min≤y_i≤y_max则当a_i＜5a_Ⅱ/6且b_i＜5b_Ⅱ/6时，转入步骤③，当a_i≥5a_Ⅱ/6或b_i≥5b_Ⅱ/6时，直接转入步骤④；

③设a_i＝x_max-x_min，b_i＝y_max-y_min，若a_i≥5a_Ⅱ/6或b_i≥5b_Ⅱ/6，则将此时曲线上点记为P(t_S)，将其坐标点记为G_S2(x_S2，y_S2)，否则转入步骤④；

④若a_i≥a_Ⅱ或b_i≥b_Ⅱ，则取o_Si((x_max+x_min)/2,(y_max+y_min)/2)为二次测量拍摄位置，其中o_S1为二次测量时传感器测量坐标系原点所在位置，然后转入步骤⑤；否则退回步骤②；

⑤以P(t_S)为起点，循环步骤①~④，直至全景图像上所有的封闭曲线都完成二次测量路径规划。

完成上述六个步骤后按序连接二次测量传感器坐标系原点o_S1、o_S2、…、o_Sn即得到第二镜头12的二次测量路径。如图7所示，规划的二次测量路径中，以o_S1为中心的镜头可视区与以o_S2为中心的可视区在y轴方向上有一个长度为a_Ⅱ/6的重叠区，那是为了防止图像连接处轮廓特征丢失，另外还有利于图像拼接。如图8所示是对图6所示的全景轮廓图进行二测量路径规划后的结果。

四、二次测量：

开启电机8，转动镜头转换器，使第二镜头12换至工作位置。镜头转换完成后，通过控制三坐标测量机移动测头装置，使第二镜头12对准测量基台上的基准标志，然后由自动对焦模块实现自动对焦，自动对焦的实现过程与步骤二中所述的过程一致。完成对焦后，为了防止测量过程中Z轴的高度发生变化而影响图像清晰度，测量机锁定Z轴在竖直方向上的自由度。

然后由标定模块确定使用第二镜头12时照相机图像坐标系o_Puv与基准坐标系oxy的关系，同时标定模块标定第二镜头12的放大倍数K_Ⅱ。图像坐标系o_Puv与基准坐标系oxy转换关系的确定方法、标定模块标定第二镜头12放大倍数K_Ⅱ的方法与步骤二中所述的方法一致。

完成坐标系转换、标定K_Ⅱ后，测量系统按步骤三提供的二次测量路径移动测头装置，在每一个拍摄点拍摄薄片零件的局部轮廓图像，直至遍历整个二次测量路径。如图8所示，测量系统首先将测头装置移动至A₀处，并使照相机传感器坐标系中心o_S与A₀对齐，然后拍摄第二镜头12视野内的图像并保存；接着测量系统将测头装置移动至A₁处，并使照相机传感器坐标系o_S与A₁对齐，然后拍摄第二镜头12视野内的图像并保存；然后按如图8所示的测量路径进行后续测量，当第二镜头12在A₁₅处完成图像摄取后，测量装置将移动至B₀处摄取图像，然后向B₁、B₂……移动，直至在B₆处摄取图像后测头装置完成图像采集。局部图像采集时，照相机传感器坐标系o_S中心与二次测量位置A_i、B_i的对齐主要利用三坐标测量机精确的空间定位功能。

五、数字轮廓提取：

获得所有的局部图像后，图像处理模块首先在oxy下以二次测量位置A_i、B_i的坐标值为基准对局部图像进行排列，将被测薄片零件的局部图像拼接成全景组合图，然后以局部图像的重叠区为依据对局部图像的位置进行修正，实现精确拼接。

完成全景图拼接后，图像处理模块对组合全景图进行滤波、二值化，然后提取薄片零件的整体轮廓，并将它作为最终的测量结果，其中滤波、二值化与轮廓提取方法与步骤三中处理一次测量获得的全景图的处理方法一致。如图9所示是以图5所示薄片零件为例，对其进行影像复合检测后最终获得的数字化轮廓。

Claims (6)

1.一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：该方法实现的步骤为：

（1）根据被测薄片零件的形状、尺寸和测量精度要求，选择三个照相机镜头：第一镜头、第二镜头、第三镜头，然后将这三个镜头安装在镜头转换器上，这三个镜头的放大倍数关系为：第一镜头﹤第二镜头﹤第三镜头；

（2）开启电机，转动镜头转换器，将第一镜头转换至工作位置；然后移动测头装置，使第一镜头对准测量基台上的基准标志，接着由自动对焦模块实现自动对焦，对焦完成后测量机锁定Z轴在竖直方向上的自由度，然后由标定模块确定照相机图像坐标系与基准坐标系的转换关系，同时标定模块确定第一镜头的放大倍数；最后将被测薄片零件水平放置在测量基台上，第一镜头对准被测薄片零件，照相机摄取被测薄片零件的全景图像；

（3）由图像处理模块对薄片零件的全景图像进行处理，提取薄片零件的整体轮廓，然后以薄片零件的整体轮廓为基础，规划完整的二次测量路径；

（4）开启电机，转动镜头转换器，使第二镜头或第三镜头转换至工作位置，然后移动测头装置，使第二镜头或第三镜头对准基台上的基准标志，接着先由自动对焦模块实现自动对焦，然后由标定模块确定使用第二镜头或第三镜头时照相机图像坐标系与基准坐标系的转换关系，同时标定模块确定第二镜头或第三镜头的放大倍数；接着按步骤（3）提供的测量路径逐步移动测头装置并拍摄薄片零件的局部轮廓图像，直至完整地走完测量路径；

（5）由图像处理模块对二次测量获得的图像进行拼接，然后提取拼接图像中薄片零件的整体轮廓，并把它作为最后的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：所述的测量基台是一个方形大理石质的平台，平台的左上角有两个白色的正方形沿对角线方向连接，这两个正方形为基准标志，两个正方形的连接点为测量基准坐标系原点；基准标志的右边排列着十个边长逐渐增大且边长尺寸已知的白色正方形，为镜头放大系数参考标志。

3.根据权利要求1所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：所述的由自动对焦模块实现自动对焦，其实现方法为：以照相机所获图像的Brenner函数作为清晰度评价函数，控制三坐标测量机的Z轴在竖直方向上下移动以调整照相机物距，直至Brenner函数达到极大值。

4.根据权利要求1所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：所述的由标定模块确定照相机图像坐标系与测量基准坐标系的转换关系，其实现方法为：由照相机摄取基准标志图像，同时记录此时三坐标测量机光栅尺坐标系的坐标值(x _MC,y _MC)，然后提取所获基准标志图像中测量基准坐标系原点在图像坐标系中的坐标值(u _C,v _C)，同时确定测量基准坐标系原点在照相机传感器测量坐标系中的坐标值(x _SC,y _SC)，最后根据(x _MC,y _MC)、(u _C,v _C)、(x _SC,y _SC)的关系确定照相机图像坐标系与测量基准坐标系的转换关系。

5.根据权利要求1所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：所述的标定模块确定第一镜头的放大倍数，实现方法为：在测量基台上选择一个镜头放大系数参考标志，然后移动测头装置使第一镜头对准被选择的参考标志并摄取该标志图像，然后提取图像中的正方形，并计算图像坐标系下正方形的边长，最后取该正方形在图像坐标系中的边长与实际边长的比值，此比值即为镜头的放大倍数。

6.根据权利要求1所述的一种基于影像复合的薄片零件轮廓自动检测方法，其特征在于：所述的对薄片零件的全景图像进行处理，处理内容包括：用边缘保持滤波器Kuwahara滤波器对图像进行滤波；然后基于图像灰度对图像进行二值化；最后用Steger图像边缘检测算法提取轮廓线。

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