CN102721372A - 基于双线阵ccd的带材宽度测量方法及系统 - Google Patents

基于双线阵ccd的带材宽度测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双线阵CCD的带材宽度测量方法，仿照人类利用两只眼睛感知距离的方法，通过左右两个CCD检测传感器获得带材的两端的视差，就能够获得带材两端点的Y轴坐标；再根据其几何特性，便可获得带材两端点的X轴坐标，将带材的宽度测量问题转化为空间内两点的距离问题，继而得到带材的宽度。本发明还公开了用于实现该方法的测量系统。本发明在测量高速生产线上带材宽度时不受振动干扰，测量精度高。

Description

基于双线阵CCD的带材宽度测量方法及系统
技术领域
本发明属于机器视觉的非接触测量方法技术领域，具体涉及一种基于双线阵CCD的带材宽度测量方法，还具体涉及基于双线阵CCD的带材宽度测量系统。
背景技术
带材是长宽比很大的成卷供应的带状金属材料。宽度大于600mm的带材，称为宽带材；宽度小于600mm的带材，称为窄带材。随着现代工业的日益发展，带材的宽度测量是现代工业生产中需要解决的重要问题，带材生产过程中的自动化程度不断提高，带材生产中带材宽度的测量，以便提高带材的成材率，稳定产品质量。
在基于机器视觉的非接触测量技术中，比较成熟的应用方案是采用单线阵CCD，原理是光源发出平行的可见光，照向CCD，带材在CCD与光源之间，一部分光源因受到带材边缘的遮挡而未能到达传感器，而其余部分光线就被CCD接收。这样，CCD上图像信息的变化，经过后续信号处理电路，CCD上采集的图像信息就可以准确地反应出带材边缘的位置。然而，此方案不能克服带材的振动对测量的影响。也有采用双CCD相机的测量方法，在带材的两个边缘各安装一个CCD相机，通过标定好的测量系统，计算各边缘在对应的CCD相机中的相对位置变化，实现宽度测量，此方案前期标定过程较烦琐，也不能克服带材的振动对测量的影响。因此，在高速生产线中存在受振动干扰的弊端，已成为制约带材生产相关行业发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双线阵CCD的带材宽度测量方法，与现有方法相比，在测量高速生产线上带材宽度时不受振动干扰，测量精度高。
本发明的另一目的是提供一种基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，结构简单，测量精度高。
本发明所采用的技术方案是，一种基于双线阵CCD的带材宽度测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在待测量带材的下方设置直线型光源，在待测量带材的上方设置相间隔的左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器，左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器的连线与带材和光源均相平行；其中，左侧CCD检测传感器光学中心为C1，右侧CCD检测传感器光学中心为C2，C1和C2的间距为b，左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器的成像焦距均为f，以C1和C2的连线为X轴方向，以左侧CCD检测传感器的光轴为Y轴方向，建立平面直角坐标系；
步骤2、通过左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器分别获得带材在光源照射下的两个成像平面信息，
计算带材左端点P点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为P点的视差s1，计算P点在Y轴上的坐标y1：
Figure BDA00001605250900021
计算带材右端点Q点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为Q点的视差s2，计算Q点在Y轴上的坐标y2：
Figure BDA00001605250900022
步骤3、根据几何特性，分别计算P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2；
步骤4、计算带材的宽度W：
Figure BDA00001605250900031
步骤3中，P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2的具体计算方法为：
Figure BDA00001605250900032
Figure BDA00001605250900033
其中，l1为P点在左侧CCD检测传感器形成的成像平面上的宽度，l2为Q点在左侧CCD检测传感器形成的成像平面上的宽度。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，其特征在于，包括设置在待测量带材下方的直线型光源，待测量带材的上方间隔设置有左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器，左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器的连线与带材和光源均相平行，左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器用于获得带材在光源照射下的成像平面信息，左侧CCD检测传感器与第一AD转换器相连接，右侧CCD检测传感器与第二AD转换器相连接，第一AD转换器、第二AD转换器、左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器均与FPGA相连接并受其驱动工作，第一AD转换器和第二AD转换器均通过FPGA与PC机相连接；PC机用于根据带材左端点P点和右端点Q点分别在上述两个成像平面中的位置差异以及几何特性，计算P点和Q点在平面直角坐标系中的坐标，继而计算P点和Q点的空间距离，即为带材的宽度。
左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器均包括相连接的CCD感光元件和光学镜头，光学镜头上均安装有滤光片。
光源是有多个波长为700nm～900nm的红外二极管组成的直线型阵列。
本发明的有益效果是：采用非接触的双目视觉技术，通过建立二维空间坐标系的方法，响应速度快，稳定性好，抗振动干扰能力强，安装、操作简便，易于维护与调试。
附图说明
图1是本发明基于双线阵CCD的带材宽度测量系统的结构框图；
图2是本发明的左侧CCD检测传感器和右侧CCD检测传感器的结构框图；
图3是本发明基于双线阵CCD的带材宽度测量方法的的原理图之一；
图4是本发明基于双线阵CCD的带材宽度测量方法的的原理图之二；
其中，1.光源，2.带材，3.左侧CCD检测传感器，4.第一AD转换器，5.PC机，6.FPGA，7.第二AD转换器，8.右侧CCD检测传感器，9.CCD感光元件，10.光学镜头。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，包括设置在待测量带材2下方的直线型光源1，待测量带材2的上方间隔设置有左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8。左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8的连线与带材2和光源1均相平行。
光源1是有多个波长为700nm～900nm的红外二极管组成的直线型阵列，具有使用寿命长、易安装的特点。左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8用于获得带材2在光源1照射下的成像平面信息，如图2所示，左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8均包括相连接的CCD感光元件9和光学镜头10，为了滤除环境光的干扰，光学镜头10上安装有滤光片，从而使系统只能感应光源1发出的红外光。
左侧CCD检测传感器3与第一AD转换器4相连接，右侧CCD检测传感器8与第二AD转换器7相连接，第一AD转换器4、第二AD转换器7、左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8均与FPGA6相连接并受其驱动工作，第一AD转换器4和第二AD转换器7均通过FPGA6与PC机5相连接。第一AD转换器4和第二AD转换器7对成像平面信息数据进行模数转换后，通过FPGA6送至PC机5。PC机5用于根据带材2左端点P点和右端点Q点分别在上述两个成像平面中的位置差异（即视差）以及几何特性，计算P点和Q点在平面直角坐标系中的坐标，继而计算带材2的宽度。
以C1和C2的连线为X轴方向，以左侧CCD检测传感器3的光轴为Y轴方向，建立平面直角坐标系。此时，P点和Q点在Y轴上的坐标与两个CCD检测传感器光学中心的间距b、成像焦距f、以及对应的视差相关。由于b和f都可以通过标定得到，因此，最关键部分就是求得视差。PC机5根据左右两个两个成像平面中信息对比即可获得视差，具体为：比较P点在两个CCD检测传感器的成像位置，其差值为P点视差，比较Q点在两个CCD检测传感器的成像位置，其差值为Q点视差。
P点和Q点在X轴上的坐标与该点的Y轴坐标、成像焦距f以及其在左侧CCD检测传感器3或左侧CCD检测传感器8的成像平面上的宽度有关。此时，该点的Y轴坐标已知，f可以通过标定得到，该点在成像平面上的宽度即为其在成像平面上的像元总个数，是可即时测量的。
在生产现场中，高速运动的带材2，由于震动等因素的影响，会出现左边缘翘起、右边缘翘起、倾斜、垂直上下振动等因素的影响，此时，带材就会与水平方向成一定的夹角。如图3所示，利用本发明系统进行测量的方法，仿照人类利用两只眼睛感知距离的方法，通过左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8获得带材2的两端边缘信息产生的视差，就能够反映带材2左端点P点和右端点Q点的Y轴坐标。再根据其几何特性，便可获得带材2左端点P点和右端点Q点的X轴坐标，此时得到P点和Q点在平面直角坐标系中的坐标，将带材2的宽度测量问题转化为空间内两点的距离问题，继而得到带材2的宽度。具体步骤如下：
步骤1、在待测量带材2的下方设置直线型光源1，在待测量带材2的上方设置相间隔的左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8，左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8的连线与带材2和光源1均相平行。其中，左侧CCD检测传感器3光学中心为C1，右侧CCD检测传感器8光学中心为C2，C1和C2的间距为b，左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8的成像焦距均为f，以C1和C2的连线为X轴方向，以左侧CCD检测传感器3的光轴为Y轴方向，建立平面直角坐标系。
步骤2、通过左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8分别获得带材2在光源1照射下的两个成像平面信息。
计算带材2左端点P点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为P点的视差s1，计算P点在Y轴上的坐标y1：
计算带材2右端点Q点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为Q点的视差s2，计算Q点在Y轴上的坐标y2：
Figure BDA00001605250900062
以上原理为：如图4所示，带材2左端点P点在左侧CCD检测传感器3和右侧CCD检测传感器8的成像平面上的投影点分别为P1和P2，点P到C1C2连线的距离为d，过C1和C2分别向左右两成像平面上做垂线，垂足分别为A1和A2，再过点P向P1P2连线的延长线做垂线，垂足为B。那么，令|A1P1|为L1，|A2P2|为L2，|P2B|为L3，则根据相似三角形的性质可以得到：
Figure BDA00001605250900063
由于，d为P点在Y轴上的坐标y1，L1-L2为P点的视差s1，它表示了P点在两个成像平面中成像点的位置差异。即得：
Figure BDA00001605250900071
步骤3、根据几何特性，分别计算P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2。
如图4所示，P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2的具体计算方法为：
Figure BDA00001605250900072
Figure BDA00001605250900073
其中，l1为P点在左侧CCD检测传感器3形成的成像平面上的宽度，l2为Q点在左侧CCD检测传感器3形成的成像平面上的宽度。
步骤4、计算带材2的宽度W：
本发明能有效有效地消除带材2与CCD检测传感器间距变化、以及带材2与CCD检测传感器空间位置变化对测量产生的影响，即带材2生产过程中振动干扰对测量的影响。实验表明，本发明在带材高度任意、带材较簿、宽度小于600mm窄带材的高速生产线中的测量效果好。

Claims (5)

1.一种基于双线阵CCD的带材宽度测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、在待测量带材（2）的下方设置直线型光源（1），在待测量带材（2）的上方设置相间隔的左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8），所述左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）的连线与带材（2）和光源（1）均相平行；其中，所述左侧CCD检测传感器（3）光学中心为C1，所述右侧CCD检测传感器（8）光学中心为C2，C1和C2的间距为b，所述左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）的成像焦距均为f，以C1和C2的连线为X轴方向，以左侧CCD检测传感器（3）的光轴为Y轴方向，建立平面直角坐标系；
步骤2、通过左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）分别获得带材（2）在光源（1）照射下的两个成像平面信息，
计算带材（2）左端点P点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为P点的视差s1，计算P点在Y轴上的坐标y1：
Figure FDA00001605250800011
计算带材（2）右端点Q点在上述两个成像平面中Y轴坐标的位置差异，将该位置差异定义为Q点的视差s2，计算Q点在Y轴上的坐标y2：
Figure FDA00001605250800012
步骤3、根据几何特性，分别计算P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2；
步骤4、计算带材（2）的宽度W：
Figure FDA00001605250800013
2.按照权利要求1所述的基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，其特征在于，步骤3中，P点在X轴上的坐标x1以及Q点在X轴上的坐标x2的具体计算方法为： 其中，l1为P点在左侧CCD检测传感器（3）形成的成像平面上的宽度，l2为Q点在左侧CCD检测传感器（3）形成的成像平面上的宽度。
3.一种基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，其特征在于，包括设置在待测量带材（2）下方的直线型光源（1），所述待测量带材（2）的上方间隔设置有左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8），所述左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）的连线与带材（2）和光源（1）均相平行，所述左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）用于获得带材（2）在光源（1）照射下的成像平面信息，所述左侧CCD检测传感器（3）与第一AD转换器（4）相连接，所述右侧CCD检测传感器（8）与第二AD转换器（7）相连接，所述第一AD转换器（4）、第二AD转换器（7）、左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）均与FPGA（6）相连接并受其驱动工作，所述第一AD转换器（4）和第二AD转换器（7）均通过FPGA（6）与PC机（5）相连接；
所述PC机（5）用于根据带材（2）左端点P点和右端点Q点分别在上述两个成像平面中的位置差异以及几何特性，计算P点和Q点在平面直角坐标系中的坐标，继而计算P点和Q点的空间距离，即为带材（2）的宽度。
4.按照权利要求3所述的基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，其特征在于，所述左侧CCD检测传感器（3）和右侧CCD检测传感器（8）均包括相连接的CCD感光元件（9）和光学镜头（10），所述光学镜头（10）上均安装有滤光片。
5.按照权利要求3所述的基于双线阵CCD的带材宽度测量系统，其特征在于，所述光源（1）是有多个波长为700nm～900nm的红外二极管组成的直线型阵列。
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