CN104236455B - 蜂巢板在线检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于基于图像识别的检测技术，公开了一种蜂巢板在线检测系统，包括安装在三坐标测量仪的关节臂上的图像采集模块，三坐标测量仪根据控制模块驱动关节臂移动，图像采集模块根据三坐标测量仪关节臂的移动采集不同位置的蜂巢板表面图像；控制模块对采集的蜂巢板表面图像进行处理，识别蜂巢板上编码标志点和检测蜂巢板表面图像的椭圆中心，根据处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标，通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据。本发明融合计算机视觉和摄影测量技术，是非接触式光学测量方式，量程大、精度和测量效率较高。

Description

蜂巢板在线检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于基于图像识别技术的检测技术领域，具体涉及一种蜂巢板在线检测系统及其检测方法。

背景技术

随着建筑技术水平的不断提高，新材料、新工艺得到了广泛的应用，蜂巢芯技术便是其中一项。蜂巢板是一种重量轻，双向受力的空腔构件(如图1)，是由两块较薄的上下面板牢固地粘结在一层较厚的蜂巢状芯材(处于两面板中间)两面而合成的板材。因其强度重量比大，受力平均、耐压力强(破坏力为720kg每平方米)，导热性低，抗震性好及不变形，质轻，有隔音效果的优点，因此广泛应用于大厦的惟幕墙、屋顶、大型门面招牌及内墙等的装饰。

蜂巢状芯材通常用浸渍过合成树脂(酚醛、聚酯等)的牛皮六角形空腰(蜂巢状)的整块芯板；芯板的厚度通常在15mm～45mm范围内；空腔的尺寸在10mm左右。常用的面板为浸渍过树脂的牛皮纸、纤维板、石膏板等。面板通过合适的胶粘剂与芯板牢固地粘合在一起。

蜂巢板借助其大块面、高平整度等特点，可以完美的展现建筑恢宏大气、舒展流畅的设计效果，可应用于各类空间的墙面、屋面、吊顶装饰，能够满足多种场所的应用需求。由于蜂巢板对表面平整度要求较高，因此如何完成蜂巢板生产过程中的在线变形检测成为企业急需解决的技术难题。

传统检测方法的效率低、测量范围小，较难实现三维全场检测。如：全站仪、三坐标测量机和经纬仪测量系统等。其中全站仪的测量精度低，测量点设置数目增加将大大增加测量的工作量，不易实现。

采用三坐标测量机测量存在以下缺点：一是是属于接触式测量方式、不易对准特征点，对测量环境要求高、不便携、测量范围小；二是巨型三坐标机费用极高，测量范围受限，测量4m以上尺寸设备费用超过400万元，并且必须有一个好的工位，环境条件要求高，叶片摆放调整困难，前期需要耗时进行检测坐标系的建立及测量编程，满足不了水轮机叶片的制造检测效率要求。

经纬仪测量系统一般采用手动照准目标，逐点测量，测量速度慢、自动化程度不高，操作复杂，对操作人员的要求很高。其设站位置、瞄准精度、照准次数等因素对最终结果的影响较大。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种蜂巢板在线检测系统，该系统融合了计算机视觉技术和摄影测量技术，是一种非接触式光学测量方法，这种方法有着严谨的理论基础，量程具有较大的弹性，并能提供相当高的精度和较高的测量效率，是解决中大型工件全尺寸检测难题一种可行的方案。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种蜂巢板在线检测系统，其特征在于所述系统包括具有关节臂的三坐标测量仪、用于采集蜂巢板表面图像的图像采集模块以及控制模块，所述图像采集模块安装在三坐标测量仪的关节臂上，所述三坐标测量仪根据控制模块控制驱动关节臂移动，所述图像采集模块根据三坐标测量仪关节臂的移动采集不同位置的蜂巢板表面图像；所述控制模块包括对图像采集模块采集的蜂巢板表面图像进行图像处理，识别上蜂巢板上编码标志点和检测蜂巢板表面图像的椭圆中心的图像处理子模块、根据图像处理子模块处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标的三维重建子模块和通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据的变形检测子模块。

优选的，所述图像采集模块为采用自标定技术的相机。

优选的，所述三坐标测量仪的关节臂根据蜂巢板大小选择2m-4m的行程。

本发明的另一目的在于提供一种采用所述的蜂巢板在线检测系统进行蜂巢板在线检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)先将蜂巢板竖直放置，然后在蜂巢板待检测部位粘贴非编码标志点，最后在待检测部位放置编码标志点和标尺；

(2)以蜂巢板为采集对象，在若干个高度水平下采集若干个角度的蜂巢板表面图像，然后通过图像处理子模块进行蜂巢板表面图像的椭圆中心检测和编码标志点识别处理；

(3)根据图像处理子模块处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标；

(4)通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据。

优选的，所述方法步骤(2)中采集蜂巢板表面图像的每个高度位置根据蜂巢板的实际高度确定，每个高度位置上以蜂巢板为中心环绕蜂巢板的360度范围内设置若干个图像采集模块作为摄站，每个摄站采集若干张蜂巢板表面图像。

优选的，所述方法步骤(2)中所述图像采集模块的内部参数通过同一焦距、不同角度图像采集模块采集的编码点图像推导出来。

优选的，所述方法步骤(4)中蜂巢板的预设模型为生产开发预设的CAD三维模型，蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据获得，通过CAD坐标转换，将重建后的蜂巢板模型与预设模型进行矢量减运算，获得蜂巢板表面每一个编码点位置与预设模型的偏差。

本发明涉及一种基于光学的对蜂巢板进行在线变形检测的方法，特别涉及一种应用视觉测量技术对蜂巢板表面关键点三维坐标进行快速测量的方法。

三维重建按照如下步骤进行：

1)首先按照公共标志点数目的多少，选用两幅图片进行相对定向，计算出外参数。如果此两副图像相机夹角小于30度则改用下一幅图进行相对定向，直到找出相机夹角大于30度的两副图片，完成相对定向，并重建出至少5个编码点的三维坐标作为控制点。

2)然后根据这些图片包含的控制点数目，依次循环处理剩余的图片：

利用控制点定向单张图片；与已经定向好的图片分别搜索公共的未重建的编码标志点，重建编码标志点。每定向完毕一幅图片后，利用光束平差算法同时调整外参数和物体点的三维坐标。

3)所有图片都定向完毕后，利用光束平差算法同时调整内、外参数和物体点的三维坐标。之后利用极线约束匹配并重建非编码点，再利用光束平差算法同时调整内、外参数和物体点的三维坐标。最后加入比例尺和温度补偿，得到最终的物体点三维坐标。如果需要可以利用3-2-1对齐与数模进行对齐以方便偏差分析。

与现有技术全站仪、三坐标机、经纬仪、激光跟踪仪等相比，本发明蜂巢板在线检测系统及基于视觉的测量方法具有如下优点：

(1)由于采用CCD作为传感器，为非接触式测量方式，不会伤及蜂巢板表面，也不受蜂巢板表面形状及粗糙度的影响，也不会耗损测量设备。

(2)测量硬件可以与蜂巢板生产线配合，可以在生产线完成蜂巢板的在线检测，企业可根据检测结果直接对蜂巢板进行修改，提高了企业的生产效率。

(3)检测效率高：检测一个2m*2m的蜂巢板整个过程只需要1小时，相比以前的检测手段，大大提高了蜂巢板的检测效率。

(4)测量结果在对比程序的帮助下，可以自动地进行全尺寸三维色谱分析、随意的定制偏差容限进行合格判定，检测结果直观、快捷。

(5)由于采用CCD作为传感器，本方法中采用的测量设备价格便宜，测量成本低。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明蜂巢板在线检测系统非编码标志点和编码标志点参考方案图。

图2为本发明蜂巢板在线检测系统图像获取的摄站布置视图。

图3a为本发明蜂巢板在线检测系统图像编码标志点进行匹配图像的显示结果；图3b为本发明蜂巢板在线检测系统三维重建得到的蜂巢板关键点三维坐标图；

图4为蜂巢板在线检测系统进行蜂巢板检测的结果。

图5为三维重建的原理框图；

图6为蜂巢板在线检测系统进行蜂巢板检测的方法流程图；

图7为蜂巢板在线检测系统进行检测时三维重建的具体流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

本实施例通过构建蜂巢板在线检测系统来进行待测蜂巢板的在线快速检测：

一、蜂巢板在线检测系统

如图1所示，构建所述的蜂巢板在线检测系统，包括具有关节臂的三坐标测量仪、用于采集蜂巢板表面图像的图像采集模块以及控制模块，所述图像采集模块安装在三坐标测量仪的关节臂上，所述三坐标测量仪根据控制模块控制驱动关节臂移动，所述图像采集模块根据三坐标测量仪关节臂的移动采集不同位置的蜂巢板表面图像；所述控制模块包括对图像采集模块采集的蜂巢板表面图像进行图像处理，识别上蜂巢板上编码标志点和检测蜂巢板表面图像的椭圆中心的图像处理子模块、根据图像处理子模块处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标的三维重建子模块和通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据的变形检测子模块。

所述图像采集模块为采用自标定技术的相机。所述三坐标测量仪的关节臂根据蜂巢板大小选择2m-4m的行程。

然后进行硬件设备安装。根据不同大小的蜂巢板选择不同参数的硬件设备(主要包括关节臂的长度，测量相机的分辨率，测量镜头的焦距、光圈等)。相机选用普通单反相机即可满足蜂巢板检测要求；相机镜头的焦距由拍摄距离确定，一般选用20-24mm定焦镜头；关节臂根据蜂巢板大小选择2m-4m的行程。相机安装在关节臂上，根据需求由电脑控制移动关节臂完成不同位置的拍摄。设备完成初始调试后安装到蜂巢板生产线，在蜂巢板生产过程中根据需要完成在线检测。

二、具体的蜂巢板在线检测工艺：

(1)蜂巢板检测前准备。

蜂巢板由于体积较大，部分位置壁厚较薄，自由态的放置会带来一定的形变，对测量结果有影响。而且检测时需要从不同的位置对被测对象进行拍照，因此本实施例采取的方法是将蜂巢板垂直放置。放置完成后在蜂巢板需要检测的部位粘贴非编码标志点，最后放置编码标志点和标尺。

(2)图像自动采集。

相机采用自标定技术，不需要使用标定板或其他标定装置标定。在图像获取过程中，通过解算在同一焦距、不同角度拍摄的编码点照片反算出相机的内部参数，作为后面图像处理和三维重建计算的依据。根据需要检测的蜂巢板尺寸预先在电脑中设定好拍摄位置，设置拍照位置采用三个依次增加的高度，每个高度均环绕360度从多个位置拍摄。拍照和移动过程均由关节臂和电脑控制完成。例如针对2m＊2m的蜂巢板，采集分为三个高度层：1米高的水平位置1，1.8米高的水平位置2和2.8米高的水平位置3。在每个水平高度建立12个摄站，每个摄站拍四张照片。

(3)图像处理。

计算机将采集好的图片导入自己开发的软件中进行图像。通过改良的图像处理算法实现了高精度的椭圆中心检测和编码标志点的高精度识别。

(4)三维重建

自动利用图像检测结果进行相对定向、预定向、三维重建、捆绑调整和应用比例尺等操作，并最终得到标志点准确的三维坐标。

首先按照公共标志点数目的多少，选用两幅图片进行相对定向，计算出五个外参数(使用共面方程列误差方程，迭代运算)。如果此两副图像相机夹角小于30度则改用下一幅图进行相对定向，直到找出相机夹角大于30度的两副图片，完成相对定向，并重建出至少5个编码点的三维坐标作为控制点。

然后根据这些图片包含的控制点数目，依次循环处理剩余的图片：

1)利用控制点定向单张图片；

2)与已经定向好的图片分别搜索公共的未重建的编码标志点，重建编码标志点。

3)每定向完毕一幅图片后，利用光束平差算法同时调整外参数和物体点的三维坐标。

所有图片都定向完毕后，利用光束平差算法同时调整内、外参数和物体点的三维坐标。之后利用极线约束匹配并重建非编码点，再利用光束平差算法同时调整内、外参数和物体点的三维坐标。最后加入比例尺和温度补偿，得到最终的物体点三维坐标。如果需要可以利用3-2-1对齐与数模进行对齐以方便偏差分析。

(5)变形分析与报告

将蜂巢板关键点三维重建数据与CAD模型的坐标系对齐，对测量模型进行坐标转换。将蜂巢板测量模型与CAD模型对比，对两个模型进行简单的矢量减运算，即可得到蜂巢板表面每一个测量位置与设计模型的偏差，通过编程实现并以3D的形式显示，最终形成检测报告。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种蜂巢板在线检测系统，其特征在于所述系统包括具有关节臂的三坐标测量仪、用于采集蜂巢板表面图像的图像采集模块以及控制模块，所述图像采集模块安装在三坐标测量仪的关节臂上，所述三坐标测量仪根据控制模块控制驱动关节臂移动，所述图像采集模块根据三坐标测量仪关节臂的移动采集不同位置的蜂巢板表面图像；所述控制模块包括对图像采集模块采集的蜂巢板表面图像进行图像处理，识别蜂巢板上编码标志点和检测蜂巢板表面图像的椭圆中心的图像处理子模块、根据图像处理子模块处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标的三维重建子模块和通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据的变形检测子模块。

2.根据权利要求 1 所述的蜂巢板在线检测系统，其特征在于所述图像采集模块为采用自标定技术的相机。

3.根据权利要求 1 所述的蜂巢板在线检测系统，其特征在于所述三坐标测量仪的关节臂根据蜂巢板大小选择 2m-4m 的行程。

4.一种采用权利要求 1~3 任意一项所述的蜂巢板在线检测系统进行蜂巢板在线检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（ 1 ）先将蜂巢板竖直放置，然后在蜂巢板待检测部位粘贴非编码标志点，最后在待检测部位放置编码标志点和标尺；

（ 2 ）以蜂巢板为采集对象，在若干个高度水平下采集若干个角度的蜂巢板表面图像，然后通过图像处理子模块进行蜂巢板表面图像的椭圆中心检测和编码标志点识别处理；

（ 3 ）根据图像处理子模块处理的结果进行蜂巢板的三维重建，获得编码标志点准确的三维坐标；

（ 4 ）通过蜂巢板的预设模型与三维重建后的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据，获得待测蜂巢板与预设模型的偏差数据。

5.根据权利要求 4 所述的方法，其特征在于所述方法步骤（ 2 ）中采集蜂巢板表面图像的每个高度位置根据蜂巢板的实际高度确定，每个高度位置上以蜂巢板为中心环绕蜂巢板的 360 度范围内设置若干个图像采集模块作为摄站，每个摄站采集若干张蜂巢板表面图像。

6.根据权利要求 5 所述的方法，其特征在于所述方法步骤（ 2 ）中所述图像采集模块的内部参数通过同一焦距、不同角度图像采集模块采集的编码点图像推导出来。

7.根据权利要求 4 所述的方法，其特征在于所述方法步骤（ 4 ）中蜂巢板的预设模型为生产开发预设的 CAD 三维模型，将获得的蜂巢板编码标志点准确的三维坐标数据通过 CAD 坐标转换，将重建后的蜂巢板模型与预设模型进行矢量减运算，获得蜂巢板表面每一个编码点位置与预设模型的偏差。