CN103808280B - 一种基于相机的对心检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相机的对心检测方法，具体为：向待测物体与基准物体投射光，表面反射的光对称分为两路光束，其同时被相机捕获完成双视角成像；在第一束光对应的成像区域内，确定待测物体中心与基准物体中心的水平间距a和垂直间距h；在第二束光对应的成像区域内，确定待测物体中心与基准物体中心的水平间距c和垂直间距h；进而确定待测物体中心A相对于基准物体中心B的图像空间偏差为（a,c,h）；将图像空间偏差（a,c,h）转换为物理空间偏差（m,n,h），即得同心判定结果。本发明还提供了实现上述方法的装置，包括两个一次反射镜、两个二次反射镜、一个相机和一个计算机。本发明对心精度高，适用性好，操作简单方便。

Description

一种基于相机的对心检测方法及装置

技术领域

本发明涉及机器视觉成像技术领域，具体涉及一种基于相机的对心检测方法及装置。

背景技术

在对心检测中，为了判断两个物体是否同心，我们至少要从两个方向上观察，已有的方法是利用多个相机进行观察，或者利用一个相机观察一个角度后，改变相机的角度进行变视角观察，前者成本过高，且占的空间范围比较大，在很多工况下都不允许大范围安装相机及其组件以免与其它机构发生干涉，后者改变相机的位置以及角度操作不便，而且改变相机的位置后不能保证物距相同，得重新调整相机的焦距进行观察。

随着视觉成像技术的发展，后来提出了双目视觉原理。华中科技大学申请的专利200910060962.5公开了一种部件轴向对心检测装置的成像系统，其基于正交双光路系统，从垂直两物体轴线平面进行对心视觉观察和检测，直接从一个方向渠道两针状物体的像，同时，通过平面镜的反射获取另一方向上两针状物体的像，能在一个固定位置对待对心两针状物体的空间三维的偏差成像。但是，该方案由于两条光路的光程不等，其要求相机的景深比较大，这样才能在两条光路上均能清晰成像；由于两条光路的正交，其视角为固定的90°，因此导致在相同的视觉系统下，其安装位置固定，不能调节成像系统相对于被测物体的距离，有可能出现系统与被测对象的运动发生干涉；由于其只是基于不对称的正交双光路系统，其利用简单的正交系统解耦关系进行坐标的转换，因此精度低，实用性差。

发明内容

为了克服现有对心检测方案的不足，本发明提出一种基于相机的对心 检测方法及装置，对心精度高，适用性好，操作简单方便。

一种基于相机的对心检测方法，用于检测待测物体是否与基准物体同心，该方法包括以下步骤：

（1）向待测物体与基准物体投射光，表面反射的光对称分为两路光束，同时被相机捕获完成双视角成像；

（2）在第一束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距a和垂直间距h；在第二束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距c和垂直间距h；进而确定待测物体中心A相对于基准物体中心B的图像空间偏差为（a,c,h）；

（3）将图像空间偏差（a,c,h）转换为物理空间偏差（m,n,h），依据物理空间偏差（m,n,h）判定是否同心。

进一步地，所述步骤（3）将图像空间偏差（a,c,h）转换为物理空间偏差（m,n,h）的具体实现方式为：

令相机安装架的水平前端与实际空间的水平向的夹角表示为γ，物体反射光与相机轴线方向的夹角表示为α；所述物理空间偏差（m,n,h）的m和n计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{a\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-c\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\\ n=\frac{c\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-a\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\end{array}\right.$

进一步地，当γ＝0，所述物理空间偏差（m,n,h）的m和n的计算公式简化为：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{-(a+c)}{2\cos \mathrm{\α}}\\ n=\frac{(a-c)}{2\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

当α＝γ所述物理空间偏差（m,n,h）的m和n的计算公式简化为：

$\left\{\begin{array}{c}m=-a\\ n=\frac{a\cos 2\mathrm{\α}-c}{\sin 2\mathrm{\α}}\end{array}\right..$

一种实现所述基于相机的对心检测方法的装置，包括两个一次反射镜、两个二次反射镜、一个相机和一个计算机；待测物体与基准物体表面反射的光对称分为两束，两个二次反射镜分别用于将其中一束光反射后水平入射直角形二次反射镜，直角形二次反射镜用于将入射的两束光反射后垂直入射相机；相机用于完成两视角成像并将成像结果传送给计算机；计算机用于在第一束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距a和垂直间距h；在第二束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距c和垂直间距h；进而确定待测物体中心A相对于基准物体中心B的图像空间偏差为（a,c,h）；将图像空间偏差（a,c,h）转换为物理空间偏差（m,n,h），依据物理空间偏差（m,n,h）判定是否同心。

进一步地，所述一次反射镜、二次反射镜与相机满足如下参数关系：

H≥Sl

其中，b为基准物体与二次反射镜面的中心垂直方向的距离，α为基准物体反射光入射到一次反射镜面的光路与竖直方向的角度，β为一次反射镜面与水平方向的夹角，p为相机镜头与水平方向的夹角，l为相机的物距，B1为一次反射镜面的宽度，B2为二次反射镜面的宽度，H为一次反射镜面和二次反射镜面相对相机的高度。

进一步地，所述装置还包括光源、一次镜面支架、角度微调机构、滑块、二次反射镜面支架和总安装架；所述一次反射镜面，固定于镜面支架上；镜面支架固定于角度微调机构上；角度微调机构安放于滑块上，滑块通过螺杆与螺纹配合可相对于安装支架进行滑动，完成一次反射镜面的平动微调；角度微调器通过微分头能够在滑块上转动，完成一次反射镜面的 胶滴微调；二次反射镜面安装于二次反射镜面支架上，滑块与二次反射镜面支架均安装在总安装架上，相机安装于总安装支架末端，光源安装于总支架前端。

进一步地，所述角度微调机构包括锁紧螺钉、粗调杆和微分头，粗调杆用于一次反射镜面角度的粗调，微分头用于一次反射镜面角度的微调，锁紧螺钉用于锁定一次反射镜面角度。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用光路设计以及机械结构设计固定相机和镜头的位置，同时采集两个不同方向上的图像，直接计算出图像空间中被测对象的偏差值，利用在图像空间的偏差值反求出被测对象在实际物理空间中的偏差值，利用运动平台，直接完成自动对心的功能。较已有的方法，本发明不仅偏差计算更为准确，容易实现自动对心的功能，操作方便，整个系统也更具有创新性和实用性。

根据相机的物距以及被测物体与二次反射镜面的合适距离，可以通过调整一次反射镜面与二次反射镜面的距离以及角度，使整个光程正好等于相机镜头的物距，实现双视角清晰采图；其对相机景深要求低，适用性好。被测物体处于足够的光照条件下，通过两次镜面反射能在相机中成清晰的图像，可以根据实际工况加入光源。

通过手动滑动滑块实现一次反射镜面的粗调，扭动滑块上的微分头，使角度微调机构以及一次反射镜面一起实现平动微调；通过角度调整机构完成一次反射镜面的角度粗调以及精调；被测物体的光线通过两对反射镜相机采集两个不同方向的清晰图像，一次反射镜面与二次反射镜面的中心位于同一个水平线上且高度一致，且镜面的尺寸要满足相机的视野范围要求。装个装置简单，操作方便，适用性好。

附图说明

图1为光路设计原理图。

图2为本发明对心检测装置结构图。

图3为一次反射镜面角度微调装置结构图。

图4为一次反射镜面平动微调装置。

图5为镜面尺寸选型示意图。

图6为一般情况下对心偏差计算示意图。

图7为一种特殊情况下对心偏差计算示意图。

图8为自动对心方案示意图。

图中，30-被测对象，31-基准对象，32-待测对象，301条光路，302支架滑块滑动槽，10-二次反射镜面支架，20-二次反射镜，40-角度微调机构，60-总安装架，70-相机，701、702-通过光路设计后采集得到的图像，80-镜面支架，90-一次反射镜，41-锁紧螺钉，42-粗调杆，43-微分头，50-锁紧螺钉，51-扭动微分头，300-相机的视野范围，100-光源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面从如下三个方面对本发明详细说明：1、光路设计；2、机械结构设计；3、自动对心方案设计。

光路设计：

图1为光路设计原理图，实现单相机双视角采图的原理，其中光线从被测对象30分为两路，分别经过一次反射镜90反射为水平光线，作为入射光线经过二次反射镜20反射，在相机70成像。其中被测对象30与二次反射镜面20的中心垂直方向的距离为b；被测物体到一次反射镜面90的光 线与竖直方向成角度为α；一次反射镜面与水平方向的夹角为β；水平线与相机镜头70的距离为p；二次反射镜面均与水平线的夹角为45°，相互垂直；二次反射镜面中心与水平线的垂直距离为q；相机的物距为l。

根据光程等于物距：

$\frac{b}{\cos \mathrm{\α}}+b\tan \mathrm{\α}+p=l$ (式1)

根据α的大小可以计算出一次反射镜面与水平线的夹角β，满足：

（式2）

理论上可以根据以上约束条件求取出无数解，实际中选择合适的一组即可，实际情况中根据工况选择合适的b值，计算出相应的α值，即可求取对应一次反射镜面的与二次反射镜面的中心偏差btanα，另外根据式2中的β值，即为需要调整的一次反射镜面的角度。

镜面尺寸的确定：

为了能够使相机完整地采集被测物体的图像，对镜面的尺寸有一定的要求，要求镜面尺寸要大于最小要求尺寸。分别测得镜头在物距为（p+btanα）以及（P+q）下的视野范围，记为S1、S2，如图5.

要求一次反射镜面的宽度B1满足：

要求二次反射镜面的宽度B2满足：

要求一次反射镜面和二次反射镜面相对相机的高度H均满足：H≥Sl

在结构设计以及实际应用中可以适当增加镜面的宽度和高度，避免应为加工或安装误差，导致不能完整成像。

机械结构设计：

如图2所示，一次反射镜面90，固定在镜面支架80上；镜面支架固定于角度微调机构40上；上述的机构整个固定于滑块上，通过侧面的锁紧螺 钉50固定并实现粗定位；滑块与角度微调器中间可以通过螺杆与螺纹配合进行小距离滑动，通过微分头51实现微调；二次反射镜面20安装在二次反射镜面支架10上，滑块以及二次反射镜面支架均安装在总安装架60上，相机以及镜头70安装于总支架末端，光源100安装于总支架前端。除了要求加工过程中所有镜面的平面度以及与水平面的垂直度满足要求外，设计的关键在于一次反射镜面的平动以及角度的粗调和精调。

如图3中的一次反射镜面的角度微调机构，一次反射镜面固定于角度微调机构的上端，当锁紧螺钉41处于非锁紧状态，通过调整粗调杆42，可以完成角度的粗调功能，拧紧锁紧螺钉41，使角度微调机构的上端与下端固连（不能有相对转动），通过一对微分头43完成角度的微调。在平动调整中，首先通过手动滑动滑块进行平动粗调，调整至合适位置后，拧紧侧面的锁紧螺钉50固定滑块的位置，通过扭动微分头51，完成平动的微调。

图4为一次反射镜面平动微调装置。在平动调整中，首先通过手动滑动滑块进行平动粗调，调整至合适位置后，拧紧侧面的锁紧螺钉50固定滑块的位置，通过扭动微分头51，完成平动的微调。

按照图2安装完成后，一次反射镜面的调整次序如下：

1、手动移动滑块至合适位置（与二次反射镜面的距离在光路设计中说明过），拧紧侧面的锁紧螺钉50，完成平动粗调；

2、微调滑块上的微分头51，完成平动的微调；

3、手动调整角度微调机构的上端粗调杆42，完成一次反射镜面的粗调（与水平线的夹角在光路设计中说明过）；

4、拧紧角度微调机构的锁紧螺钉41，调整角度微调机构的一对微分头43，完成角度微调；

5、重复步骤1-4，完成另一边一次反射镜的粗调和微调。

自动对心方案设计：

假设对心装置前支架与水平X向的夹角为γ，通过相机镜头的物距l以及翻转头到二次反射镜面中心的垂直距离b的选择，计算出视角α，从相机采集的图像左右两边A、B的距离（如图8中701、702），且水平方向上距离分别为（a，c），垂直距离上两边的图像相等（设为h，为A点相对于B点垂直方向上的偏差，也是后期需要调整高度的一个重要的参数），如图8所示。

参见图6，光路e1以及e2分别与负Y轴夹角分别为-α+γ，α+γ，分别过A点作e1、e2的平行线，分别过点B做两条平行线的垂直线，两条垂直线的长度即为a，c。问题转化为求向量即可求A点相对于B点在X，Y方向上的距离设为（m，n），联合上面的h，A相对于B的空间偏差为（m，n，h）。

以点B作为原点建立临时坐标系，A1的坐标为（-acos(-α+γ)，-asin(-α+γ)），A2点的坐标为（-ccos(α+γ），-csin(α+γ))

A的坐标为两条光路的直线方程的解：

$\left\{\begin{array}{c}y+a\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=-\cot (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})(x+a\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ}))\\ y+c\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})=-\cot (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})(x+c\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ}))\end{array}\right.$

解得：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{a\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-c\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\\ n=\frac{c\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-a\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\end{array}\right.$ （式3）

在上述通用的计算方式下，可特别考虑其中的两种特殊情况也是最可能预见的情况，即γ=0以及α＝γ，针对该两种情况可对上述计算公式简化，具体为：

当γ＝0：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{-(a+c)}{2\cos \mathrm{\α}}\\ n=\frac{(a-c)}{2\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.$ （式4）

当α＝γ：

$\left\{\begin{array}{c}m=-a\\ n=\frac{a\cos 2\mathrm{\α}-c}{\sin 2\mathrm{\α}}\end{array}\right.$ （式5）

计算出来的（m，n，h）即为对心检测中计算空间中两点的位置偏差，通过调整由伺服电机驱动的三自由度运动平台调整A点的位置，根据偏差调整至B点，完成对心功能。

当2α≠90°，且a和c中有且只有一个为0时，无法通过有限次的调整将A调整到B点。当出现这种情况后可以连续调整几次（该问题是收敛的），完成近似对心。或者，先利用三方向运动平台微调A点的位置，使a，c均不为0，再一次性调整至对心。

还可从以下几方面进行改进以提高性能：

可以根据实际工况，选择合适的相机和镜头，相机的物距以及视野范围影响机构的设计；图5为镜面尺寸选型示意图，其中90为一次反射镜面，与镜头轴线夹角为β，20为二次反射镜面，与轴线夹角为45°，300为相机的视野范围，70为相机的镜头。

根据实际工况要求，可以选择合适的滑块行程，整个机构更加紧凑，实用；

利用微分头来实现角度的微调以及平动的微调，可以根据实际工况的精度要求，选择合适精度的微分头；

可以加入图像处理模块以及反馈控制模块，实时地检测被测对象的偏差，并传递偏差，通过反馈控制模块实时地调整被测对象，完成对心功能；

被测对象的对心功能在竖直方向上的偏差可以出去理想需求的偏差，得到需要调整的偏差值，该值为最后需要调整的参数；

本发明的说明以及图像均显示被测对象在竖直方向实现对心，可以调整装置的位置，完成任意方向上的对心。

根据上述公开的一种新型的对心检测方案以及实现装置的发明内容，具体实现方法以及操作步骤如下：

设计步骤：

（1）根据精度要求，选择合适的相机与镜头，获得镜头的物距以及不同物距下的视野范围；

（2）根据实际工况，选择合适的二次反射镜与被测对象的距离，计算出视角大小；

（3）通过式（1）（2）完成一次反射镜的位置和角度值的计算；

（4）根据式（3）（4）（5）完成镜面尺寸的计算；

（5）选择合适的滑块行程，按照附图2完成设计；

（6）按照附图2完成整个机械结构的安装。

调整步骤：

（1）手动移动滑块至合适位置，拧紧侧面的锁紧螺钉，平完成粗调；

（2）微调滑块上的微分头，完成平动的微调；

（3）手动调整角度微调机构的上端，完成一次反射镜面的粗调；

（4）拧紧角度微调机构的锁紧螺钉，调整角度微调机构的一对微分头，完成角度微调；

（5）重复步骤1-4，完成另一边一次反射镜的粗调和微调。

自动对心：

（1）通过采集被测对象的图像，从图像中间左右平均分割开；

（2）分别计算出图像中被测对象的偏差值，并通过相机的标定文件转化为物理偏差值；

（3）通过式（7）完成图像空间偏差向实际物理空间偏差的转换；

（4）根据偏差值调整其中一个被测对象的运动平台的位置，完成自动 对心的功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相机的对心检测方法，用于检测待测物体是否与基准物体同心，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)向待测物体与基准物体投射光，表面反射的光对称分为两路光束，同时被相机捕获完成双视角成像；

(2)在第一束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距a和垂直间距h；在第二束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距c和垂直间距h；进而确定待测物体中心A相对于基准物体中心B的图像空间偏差为(a,c,h)；

(3)将图像空间偏差(a,c,h)转换为物理空间偏差(m,n,h)，依据物理空间偏差(m,n,h)判定是否同心；

所述步骤(3)将图像空间偏差(a,c,h)转换为物理空间偏差(m,n,h)的具体实现方式为：

令相机安装架的水平前端与实际空间的水平向的夹角表示为γ，物体反射光与相机轴线方向的夹角表示为α；所述物理空间偏差(m,n,h)的m和n计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{a\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-c\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{cos(\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\\ n=\frac{c\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-acos(\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}{cos(\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})-\cos (-\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})}\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述的基于相机的对心检测方法，其特征在于，

当γ＝0，所述物理空间偏差(m,n,h)的m和n的计算公式简化为：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{-(a+c)}{2\cos \mathrm{\α}}\\ n=\frac{(a-c)}{2\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

当α＝γ，所述物理空间偏差(m,n,h)的m和n的计算公式简化为：

$\left\{\begin{array}{c}m=-a\\ n=\frac{a\cos 2\mathrm{\α}-c}{\sin 2\mathrm{\α}}\end{array}\right..$

3.一种实现权利要求1或2所述基于相机的对心检测方法的装置，其特征在于，包括两个一次反射镜、两个二次反射镜、一个相机和一个计算机；待测物体与基准物体表面反射的光对称分为两束，两个二次反射镜分别用于将其中一束光反射后水平入射直角形二次反射镜，直角形二次反射镜用于将入射的两束光反射后垂直入射相机；相机用于完成两视角成像并将成像结果传送给计算机；计算机用于在第一束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距a和垂直间距h；在第二束光对应的成像区域内，确定待测物体中心A与基准物体中心B的水平间距c和垂直间距h；进而确定待测物体中心A相对于基准物体中心B的图像空间偏差为(a,c,h)；将图像空间偏差(a,c,h)转换为物理空间偏差(m,n,h)，依据物理空间偏差(m,n,h)判定是否同心。

4.根据权利要求3所述的基于相机的对心检测方法的装置，其特征在于，所述一次反射镜、二次反射镜与相机满足如下参数关系：

H≥S1

其中，b为基准物体与二次反射镜面的中心垂直方向的距离，α为基准物体反射光入射到一次反射镜面的光路与竖直方向的角度，β为一次反射镜面与水平方向的夹角，p为相机镜头与水平方向的夹角，l为相机的物距，B1为一次反射镜面的宽度，B2为二次反射镜面的宽度，H为一次反射镜面和二次反射镜面相对相机的高度，S1、S2分别为镜头在物距为(p+btanα)以及(p+q)下的视野范围，q为二次反射镜面中心与水平线的垂直距离。

5.根据权利要求3或4所述的基于相机的对心检测方法的装置，其特征在于，所述装置还包括光源、一次镜面支架、角度微调机构、滑块、二次反射镜面支架和总安装架；所述一次反射镜固定于一次镜面支架上；一次镜面支架固定于角度微调机构上；角度微调机构安放于滑块上，滑块通过螺杆与螺纹配合可相对于总安装架进行滑动，完成一次反射镜面的平动微调；角度微调机构通过微分头能够在滑块上转动，完成一次反射镜面的角度微调；所述二次反射镜安装于二次反射镜面支架上，滑块与二次反射镜面支架均安装在总安装架上，相机安装于总安装架末端，光源安装于总安装架前端。

6.根据权利要求5所述的基于相机的对心检测方法的装置，其特征在于，所述角度微调机构包括锁紧螺钉、粗调杆和微分头，粗调杆用于一次反射镜面角度的粗调，微分头用于一次反射镜面角度的微调，锁紧螺钉用于锁定一次反射镜面角度。