CN102818523A - 小工件视觉测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小工件视觉测量方法及测量系统，其中方法包括：在被测工件的高度范围内，利用线结构光发生器生成的线结构光对被测工件所在的测量系统进行高度分层标定，得到测量系统的高度标定参数；利用测量系统中的圆形靶标在每一分层高度对测量系统进行平面二维尺寸标定，得到每一分层高度对应的平面标定参数；将平面标定参数与高度标定参数进行拟合，建立平面标定参数和高度标定参数的对应关系；利用激光三角法测量被测工件的台阶面的高度；通过被测工件的台阶面的高度、该被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和对应关系获取被测工件的测量参数。本发明可以实现对被测工件的不同高度平面几何尺寸的测量，并提高被测工件测量的准确性。

Description

小工件视觉测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及视觉测量技术领域，特别涉及一种小工件视觉测量方法及测量系统。

背景技术

机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域，是计算机科学重要的研究领域之一；机器视觉由于与被观测的对象无接触，因此对观测者与被观测对象都不会产生任何损伤。激光具有方向性好、高亮度等特点，利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测，被称为激光视觉检测技术。激光三角法是激光视觉检测技术的基础，是非接触光学测量的重要形式，并且作为一种非接触测量手段已经越来越引起人们的重视。

激光三角法一般应用于工业制造领域，对工业生产线上的工件表面二维、三维结构信息的获取或加工进行精确定位；具体地，激光三角法测距主要用于以下检测：位移检测（包括距离测量、厚度检测、液位检测等方面）、表面检测（出其表面的起伏或整体的倾斜角度）、形貌检测（如工业上检测汽车的车体、零件，生物医学上获取表面三维结构信息，在地理方面上绘制立体地图等）。但是现有的激光三角法很难获得工件的高度信息。

针对复杂小工件有多个测量尺寸且分布在不同高度上的特点，采用传统的二维视觉测量方法很难获得工件的高度信息，由于传统的接触式测量容易损伤工件表面和改变工件的相对位置，且由于测量结果往往会因检验者读数方式及测量方法的不同而不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小工件视觉测量方法及测量系统，通过采用非接触式测量提高对小工件测量的准确性。

本发明实施例提供一种小工件视觉测量方法，包括：

在被测工件的高度范围内，利用线结构光发生器生成的线结构光对被测工件所在的测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数；

利用所述测量系统中的圆形靶标在每一分层高度对所述测量系统进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；

将所述平面标定参数与所述高度标定参数进行拟合，建立所述平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

利用激光三角法测量所述被测工件的台阶面的高度；

通过所述被测工件的台阶面的高度、所述被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和所述对应关系获取所述被测工件的测量参数。

本发明实施例还提供一种能够实现上述技术方案的小工件视觉测量系统，其特征在于，所述系统包括：线结构光发生器、摄像机、升降台、图像采集卡、计算机；其中，

在被测工件的高度范围内，所述摄像机用于获取所述线结构光发生器生成的线结构光的多幅光条图像和所述圆形靶标的多幅靶标图像；

所述计算机根据所述光条图像对所述测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数；

所述计算机利用所述多幅靶标图像在每一分层高度对所述测量系统进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；将所述平面标定参数与所述高度标定参数进行拟合，建立所述平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

所述计算机利用激光三角法测量所述被测工件的台阶面的高度；通过所述被测工件的台阶面的高度和所述对应关系获取所述被测工件的测量参数。

本发明提供的小工件视觉测量方法及测量系统，通过在被测工件的高度范围内对测量系统进行高度分层标定和平面二维尺寸标定，建立了平面标定参数和高度标定参数的对应关系；用激光三角法测量被测工件各平面的高度，得到被测工件的各平面处的测量参数，从而完成了对被测工件的不同高度平面几何尺寸的测量，由于对测量系统进行统一的标定后再对被测工件进行尺寸测量，因此提高了对被测工件测量的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所适用的测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所采用的圆形靶标的示意图；

图3为本发明小工件视觉测量方法一个实施例的流程示意图；

图4为本发明小工件视觉测量方法又一个实施例的流程示意图；

图5为图4所示实施例中在第1层光条图像的示意图；

图6为图4所示实施例中在第2层光条图像的示意图；

图7为图4所示实施例中在第20层光条图像的示意图；

图8为图4所示实施例在测量阶梯状工件时的光条中心的图像示意图；

图9为图4所示实施例进行误差分析所采用的靶标图像的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例所适用的测量系统的结构示意图，图2为本发明实施例所采用的圆形靶标的示意图；如图1所示，测量系统10包括：实验台11、升降台12、光源13、线结构光发生器14、摄像机15、计算机16。

其中，线结构光发生器14和摄像机（具体可以为CCD相机）15以及光源13共同用于采集光条图像及被测物图像，将采集的图像发送到计算机16，计算机16对测量系统进行标定并对被测工件进行几何参数的测量，最后由相应的输出设备输出测量结果。由于本发明实施例采用了一个摄像机，因此实现了单镜头对三维空间中的工件进行尺寸测量。

本领域技术人员可以理解的是，用于摄像机参数标定的靶标根据具体需要设置在测量系统10中（图1中未示出），进一步地，靶标可以设置在升降台12的上表面上；如图2所示，靶标具有以下两个基本条件：①靶标特征点的相对位置关系已知；②图像特征点的坐标容易求取。靶标可以根据实际图像测量系统的视场大小具体设计，因此本发明实施例对靶标的大小和形状并未做限制。本发明实施例具体测量系统采用圆形靶标上的特征点的直径为2mm，两相邻特征点的圆心距为2.5mm。

图3为本发明小工件视觉测量方法一个实施例的流程示意图；如图3所示，本发明实施例具体包括如下步骤：

步骤301、在被测工件的高度范围内，利用线结构光发生器生成的线结构光对被测工件所在的测量系统进行高度分层标定，得到测量系统的高度标定参数；

步骤302、利用测量系统中的圆形靶标在每一分层高度对测量系统进行平面二维尺寸标定，得到测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；

步骤303、将平面标定参数与高度标定参数进行拟合，建立平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

步骤304、利用激光三角法测量被测工件的台阶面的高度；

步骤305、通过被测工件的台阶面的高度、该被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和对应关系获取被测工件的测量参数。

本发明实施例提供的小工件视觉测量方法，通过在被测工件的高度范围内对测量系统进行高度分层标定和平面二维尺寸标定，建立了平面标定参数和高度标定参数的对应关系；用激光三角法测量被测工件各平面的高度，得到被测工件的各平面处的测量参数，从而完成了对被测工件的不同高度平面几何尺寸的测量，由于对测量系统进行统一的标定后再对被测工件进行尺寸测量，因此提高了对被测工件测量的准确性。

图4为本发明小工件视觉测量方法又一个实施例的流程示意图，图5为图4所示实施例中在第1层光条图像的示意图，图6为图4所示实施例中在第2层光条图像的示意图，图7为图4所示实施例中在第20层光条图像的示意图，图8为图4所示实施例在测量阶梯状工件时的光条中心的图像示意图，本发明实施例可以结合图1所示实施例的结构图进行描述；如图4所示，本发明实施例包括如下步骤：

步骤401、在被测工件的高度范围内，从测量系统的基准高度开始控制测量系统中的升降台垂直移动；

步骤402、在升降台的垂直移动过程中，利用摄像机拍摄被测工件在每一分层高度上的光条图像，光条图像为测量系统中的线结构光激光器生成的线结构光形成的图像；

步骤403、在每幅光条图像上提取线结构光的光条中心，得到多条线结构光在图像坐标系中的多条直线方程；

步骤404、采用最小二乘法拟合多条直线方程和升降台的移动高度对应的函数关系；

步骤405、根据函数关系获取测量系统的高度标定参数；

步骤406、在测量系统的每一分层高度上，利用测量系统中的圆形靶标进行线形标定和非线性标定，得到每一分层高度对应的线性标定参数和非线性标定参数；

步骤407、根据线性标定参数和非线性标定参数对测量系统进行平面二维尺寸标定，得到测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；

步骤408、将平面标定参数与高度标定参数进行拟合，建立平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

步骤409、利用激光三角法测量该被测工件的台阶面的高度；

步骤410、通过被测工件的台阶面的高度、该被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和对应关系获取被测工件的测量参数。

在上述步骤401～步骤405中，在被测工件的高度范围内，测量系统从基准高度h0开始，对每个标定面，用摄像机拍摄由线结构光生成器生成的线结构光的光条图像；提取光条图像的光条中心，得到每条线结构光在图像坐标系中的光条中心的直线方程，记为y=k_ix+b_i，由于升降台的上升是垂直移动，所以升降台的载物面始终保持水平，所以直线方程y=k_ix+b_i中斜率k值保持不变，截距值b随高度的升高而变化，因此在图像坐标系中可以得到如图5～图7所示的第1层光条图像、第2层光条图像、第20层光条图像的图像，当然图5～图7仅作示例性说明而不能形成对本发明实施例的限制；本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中还存在第3层光条图像～第19条光条图像，本发明实施例仅通过图5～图7进行示例性说明光条图像的不同位置。

对截距值b和高度h的数据进行分析，可以得到h与b的函数关系h=f(b)。通过实验得到的截距值b和高度h的数据表1所示。

表1高度标定数据

在上述表1中，k表示斜率，b表示截距，Δb_i表示每上升一高度光条中心对应的直线方程的截距与基准面处的光条中心对应的直线方程的截距之差，即|b_i-b₁|，Δb表示相邻高度两光条中心对应的直线方程的截距之差，即|b_i+1-b_i|，其中i=1,2,...,9，i为光条中心的个数。此外，本领域技术人员可以理解的是，表1仅为本发明实施例的示例性说明，具体测量数据需结合测量系统的具体结构和升降台的尺寸而定。

从上述表1所示数据可知，k的标准差很小，说明各个高度的光条的斜率变化程度较小，可以认为k值基本相同，即假设斜率不变。所以在高度标定时候，只考虑相对基准平面的高度h与Δb_i之间的关系。

根据表1高度标定得到的相关数据，确定h与Δb_i之间的函数关系。采用最小二乘法拟合，求其函数关系，分别用一次拟合，二次拟合，三次拟合以及四次拟合，具体算法如下（本发明实施例仅对三次拟合的介绍，其余各次拟合方法均类似，本发明实施例不再赘述）：

$h=\left(\begin{array}{c}{h}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{10}\end{array}\right)$

其中，h_i表示各个第i个高度与基准面的高度差，x_i表示第i个高度的截距与基准平面的截距之差，i=1,2,…,10，表示测量系统共有10个高度平面。用最小二乘法进行拟合：

f=(A^TA)^-1A^Th

得到函数f，即为得到h与Δb_i之间的关系。

根据表1所示的数据，分别可得拟合后的函数如下：

一次拟合：f₁=0.0385+0.0521x     （1-1）

二次拟合：f₂=-0.0542+0.0534x-0x²          （1-2）

三次拟合：f₃=-0.1003+0.0544x-0x²+0x³      （1-3）

四次拟合：f₄=-0.1064+0.0546x-0x²+0x³-0x⁴  （1-.4）

由等式（1-1）～（1-4）可知，二次项、三次项及四次项的系数均很小，近似为0，对计算结果的影响很小，可以忽略，故本发明实施例优选地采用最小二乘一次拟合得到截距值和升降台的移动高度对应的函数关系。

在上述步骤406～步骤408中，通过圆形靶标对每一分层高度进行线形标定和非线性标定，得到每一层高度对应的线性标定参数和非线性标定参数。然后选用合适的标定方法进行平面二维尺寸标定，将得到的标定参数与高度标定参数相拟合，建立起平面二维尺寸标定参数和高度的对应关系。进一步地，在本发明实施例中，非线性标定参数具体可以包括：摄像机的径向畸变参数、偏心畸变参数和薄透镜畸变参数。

具体地，由于图像的中心区域一般无畸变或畸变较小，所以先利用线性标定方法对图像的中心区域进行标定，此时即使有一定的畸变误差，但是由于多个特征点标定的平均效果，对线性标定的结果影响不大。然后根据线性标定方法得到的线性标定参数和圆形靶标的所有特征点的实际点中心坐标计算出圆形靶标图像上的所有特征点的理想图像坐标点，将各个特征点的理想图像坐标点和所有特征点的实际图像坐标点用最小二乘法即可求解出非线性标定参数，非线性标定参数具体包括：畸变参数m₁、p₁、p₂、s₁、s₂，其中，m₁为径向畸变系数，p₁、p₂为切向畸变系数，s₁、s₂为薄透镜畸变参数。

以中心区域具体为靶标图像上的中心的3×3个特征点为例进行示例性说明，具体实现方式为：对采集的靶标图像，提取出所有特征点，选择中心区域的3×3个特征点来进行线性标定，用线性标定结果和提取出的所有特征点的实际图像坐标点，计算出所有特征点的理想图像坐标点，与实际图像坐标点用最小二乘法求解出畸变系数m₁、p₁、p₂、s₁、s₂。

在上述步骤409和步骤410中，在基准高度上测量阶梯状工件（本发明实施例以被测共建具体为对四个阶梯型工件进行进行示例性说明）时，得到的光条图像如图8所示，因为阶梯状工件的四个台阶面在不同的高度上，因此得到四条光条中心，延长四条光条中心得到截距b₁、b₂、b₃、b₄。将b₁、b₂、b₃、b₄带入到函数关系h=f(b)中，即可得到四个台阶面对应的高度h₁、h₂、h₃、h₄。在此基础上，通过阶梯状工件的台阶面的高度和步骤406～步骤408得到的平面二维尺寸标定参数和高度的对应关系即可对被测工件的尺寸参数进行测量。

在本发明实施例通过对不同的高度平面的实验验证，得出不同位置的点在平面高度测量存在误差Δh=0.1mm，点在物空间中的坐标偏移量较小，最大为0.0141mm，因此高度测量的误差对测量结果的影响很小；当线结构光以55°角入射时，标定数据比较稳定，实际测量值误差也比较小，因此本发明实施例通过采用非接触式测量提高了对小工件测量的准确性。

进一步地，在上述图4所示实施例中，还可以包括如下步骤：

在测量系统的每一分层高度上，获取圆形靶标上的特征点的圆心距；根据圆心距确定测量系统的标定误差。

具体地，用圆形靶标对测量系统在某一高度下进行线性标定和非线性标定，得到线性标定参数E=[X₀ a₁ a₂ Y₀ b₁ b₂]^T和非线性标定参数E2=[k₁ p₁ p₂ s₁ s₂]^T，在此高度处，提取靶标图像上的特征点的点中心。进一步地，如图9所示，取靶标图像的中心区域的5×7个特征点的实际点中心坐标(X_d,Y_d)，利用实际点中心坐标(X_d,Y_d)和线性标定参数E=[X₀ a₁ a₂ Y₀ b₁ b₂]^T计算出圆形靶标的所有特征点的实际点中心坐标(X_b,Y_b)，进一步通过所有特征点的实际点中心坐标(X_b,Y_b)计算出两相邻圆圆心的距离，通过线性标定方法计算出的靶标图像上的所有特征点的横向误差值和纵向误差值。

利用图9所示的5×7个特征点的实际点中心坐(X_d,Y_d)和非线性标定参数E2=[k₁ p₁ p₂ s₁ s₂]^T对圆形靶标的所有特征点的实际图像坐标进行畸变校正，得到所有特征点在靶标图像上的理想图像坐标点(X_f,Y_f)，再用线性标定参数E=[X₀ a₁ a₂ Y₀ b₁ b₂]^T计算所有特征点在靶标平面的实际坐标(X_b,Y_b)，计算出两相邻特征点之间的距离，进一步得到通过非线性标定方法得到的特征点的横向误差值和纵向误差值。

通过对线性标定参数和非限定标定参数的误差进行分析，从而可以根据具体的测量系统选择是采用线性标定方法还是非线性标定，还是采用线性标定方法和非线性标定方法的结合，从而提高测量系统在实际测量过程中的灵活性。

本发明实施例提供的小工件视觉测量系统可以实现上述图3和图4所示实施例的方法流程；小工件视觉测量系统参考图1所示，包括：光源13、线结构光发生器14、摄像机15、计算机16；其中，光源13和线结构光发生器14可以设置在实验台11上。

在被测工件的高度范围内，摄像机14用于获取线结构光发生器14生成的线结构光的多幅光条图像和圆形靶标的多幅靶标图像；计算机16根据所述光条图像对所述测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数；计算机16利用所述多幅靶标图像在每一分层高度对所述测量系统进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；将所述平面标定参数与所述高度标定参数进行拟合，建立所述平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；计算机16利用激光三角法测量所述被测工件的台阶面的高度；通过所述被测工件的台阶面的高度和所述对应关系获取所述被测工件的测量参数。

由于本发明实施例采用了一个摄像机，因此实现了单镜头三维空间尺寸测量。

进一步地，计算机16还用于在测量系统的每一分层高度上，获取圆形靶标上的特征点的圆心距；根据所述圆心距确定所述测量系统的标定误差。

综上，本发明实施例通过在被测工件的高度范围内对测量系统进行高度分层标定和平面二维尺寸标定，建立了平面标定参数和高度标定参数的对应关系；用激光三角法测量被测工件各平面的高度，得到被测工件的各平面处的测量参数，从而完成了对被测工件的不同高度平面几何尺寸的测量，由于对测量系统进行统一的标定后再对被测工件进行尺寸测量，因此提高了对被测工件测量的准确性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种小工件视觉测量方法，其特征在于，包括：

在被测工件的高度范围内，利用线结构光发生器生成的线结构光对被测工件所在的测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数；

利用所述测量系统中的圆形靶标在每一分层高度对所述测量系统的进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；

将所述平面标定参数与所述高度标定参数进行拟合，建立所述平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

利用激光三角法测量所述被测工件的台阶面的高度；

通过所述被测工件的台阶面的高度、所述被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和所述对应关系获取所述被测工件的测量参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用线结构光发生器生成的线结构光对所述被测工件所在的测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数的步骤包括：

从所述测量系统的基准高度开始控制所述测量系统中的升降台垂直移动；

在所述升降台的垂直移动过程中，利用摄像机拍摄所述被测工件在每一分层高度上的光条图像，所述光条图像为所述测量系统中的线结构光激光器生成的线结构光形成的图像；

在每幅所述光条图像上提取所述线结构光的光条中心，得到多条线结构光在图像坐标系中的多条直线方程；

采用最小二乘法拟合所述多条直线方程和所述升降台的移动高度对应的函数关系；

根据所述函数关系获取所述测量系统的高度标定参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最小二乘法拟合为最小二乘一次拟合。

4.根据权利要求1~3任一所述的方法，其特征在于，所述利用所述测量系统中的圆形靶标在每一分层高度对所述测量系统进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数的步骤包括：

在所述测量系统的每一分层高度上，利用所述测量系统中的圆形靶标进行线形标定和非线性标定，得到每一分层高度对应的线性标定参数和非线性标定参数；

根据所述线性标定参数和所述非线性标定参数对所述测量系统进行平面二维尺寸标定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述测量系统中的圆形靶标进行线形标定和非线性标定，得到每一分层高度对应的线性标定参数和非线性标定参数参数的步骤包括：

在每一分层高度上，通过所述摄像机采集所述圆形靶标的靶标图像，所述靶标图像上设置有多个特征点；

提取所述靶标图像上的所有特征点的实际点中心坐标；

根据所述靶标图像的中心区域的特征点进行线性标定，得到线性标定参数；

根据所述线性标定参数和所述靶标图像上的所有特征点的点中心坐标获取非线性标定参数。

6.根据权利要求4所述的方法，所述非线性标定参数包括：所述摄像机的径向畸变参数、偏心畸变参数、薄透镜畸变参数。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述线性标定参数和所述靶标图像上的所有特征点的点中心坐标获取非线性标定参数的步骤包括：

通过所述线性标定参数和所述圆形靶标的所有特征点的实际点中心坐标，计算所述靶标图像上的所有特征点的理想图像坐标点；

将所有特征点的理想图像坐标点与所有特征点的实际图像坐标点用最小二乘法求解非线性标定参数。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述测量系统的每一分层高度上，获取所述圆形靶标上的特征点的圆心距；

根据所述圆心距确定所述测量系统的标定误差。

9.一种能够实现权利要求1所述方法的小工件视觉测量系统，其特征在于，所述系统包括：线结构光发生器、摄像机、升降台、计算机；其中，

在被测工件的高度范围内，所述摄像机用于获取所述线结构光发生器生成的线结构光的多幅光条图像和所述圆形靶标的多幅靶标图像；

所述计算机根据所述光条图像对所述测量系统进行高度分层标定，得到所述测量系统的高度标定参数；

所述计算机利用所述多幅靶标图像在每一分层高度对所述测量系统进行平面二维尺寸标定，得到所述测量系统在每一分层高度对应的平面标定参数；将所述平面标定参数与所述高度标定参数进行拟合，建立所述平面标定参数和所述高度标定参数的对应关系；

所述计算机利用激光三角法测量所述被测工件的台阶面的高度；通过所述被测工件的台阶面的高度、所述被测工件的台阶面的高度对应的平面标定参数和所述对应关系获取所述被测工件的测量参数。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述计算机还用于在所述测量系统的每一分层高度上，获取所述圆形靶标上的特征点的圆心距；根据所述圆心距确定所述测量系统的标定误差。

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