CN104390598A - 一种基于机器视觉的异面直线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于机器视觉的异面直线测量方法描述的是一种相对廉价，能进行精确的非接触式异面直线的测量方法，该发明能够在短时间精确测量空间异面直线之间的距离，还能具备较大的通用性，能够测量特定空间内的不同物件。其采用的测量方式为：第一步：进行相机位置标定、第二步：测量并采集异面上的轴心位置、第三步：拟合并计算得到两个轴心对应面的轴线、第四步：在三维模型中重建轴线公垂点的坐标、第五步：计算两条轴线公垂线的直线距离。

Description

一种基于机器视觉的异面直线测量方法

技术领域

基于机器视觉的测试测量领域，特别是基于机器视觉的异面直线测量方法。

背景技术

现有异面直线的计算方式和计算方法多种多样，但是在实际的应用过程中，不但计算方式复杂，且很难在实际的测量过程中得到一个可靠的测试结果，其原因主要有如下几点：1.被测物件不规则，现有的物理测量方式难以实现、2.常用的测量方式对环境的要求比较苛刻，只有在特定的环境条件下才能测的确切的测量结果；3.在常用的测量设备中，三坐标测量是比较常见的，但是该测量方式耗时过长，且费用高昂、4.很难应用于非接触式测量领域。

本发明描述的是一种相对廉价，能进行精确的非接触式异面直线的测量方法，要求该发明能够在短时间精确测量异面直线之间的距离，还能具备较大的通用性，能够测量特定空间内的不同物件。

发明内容

为了实现上述提出的技术难题，本发明采用一种基于机器视觉的异面直线测量方法，利用多目视觉原理，拍摄被测物的内圆，通过图像处理的方法计算两同心圆的圆心坐标，取得被测物的不同面轴线，再计算两条轴线之间的公垂线距离，该方法不仅可以测量圆柱的同心度，而且还可以计算异面直线之间的公垂线的距离，在工业应用中的异面直线测量具有重要意义。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：采用以下的测量方式：

第一步：进行相机位置标定；

第二步：测量并采集异面上的轴心位置；

第三步：拟合并计算得到两个轴心对应面的轴线；

第四步：在三维模型中重建轴线公垂点的坐标；

第五步：计算两条轴线公垂线的直线距离；

所述第一步中，相机的标定，是利用空间内相机视场的角度关系，来确定待测物体在三维坐标系的位置，相机的位置关系由待测物在三维坐标系中的位置来进行确定。

所述第二步中，轴心的位置可以利用双目视觉的方法，由相机a1、相机b2、相机e17、相机f18、对被测物5的圆筒(7)圆筒两端面的内圆8、内圆12进行不同角度拍摄，得到被测物圆筒7内圆的圆心；由相机c3、相机d4、相机g19、相机h20对被测物5的圆筒6圆筒两端面的内圆9、内圆11进行不同角度拍摄，得到被测物圆筒6内圆的圆心。

所述第三步中，拟合相机采集到的圆筒两端面端面的圆，并得到圆心坐标，通过圆筒两端圆心确定圆筒的轴线；

所述第四步中，将标定相机的位置信息进行记录，再将相机的坐标系转换到同一组坐标系下，进行两条轴线的三维重建，在三维坐标系中得到两轴线之间的位置关系；

所述第五步中，计算两条轴线公垂线的直线距离，就是计算双目视觉拍摄得到的两个被测物的轴线之间的距离，在转换到三维坐标系中后，三维坐标系中两条轴线距离便是两个被测物的轴线之间的距离，就等价于在空间直角坐标系下求已知两条异面直线的距离，

计算公式如下：

$d=\frac{|\stackrel{\→}{M_1{M}_2}\·({\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2)|}{|{\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2|}$

那么被测物的异面直线距离的结果便是：

$d=\frac{|\stackrel{\→}{M_1{M}_2}\·({\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2)|}{|{\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2|}.$

本发明的有益效果是采用上述技术方案，解决了上述提到的技术问题，只需要采用双目视觉的方式，确定异面物体的轴线并采集轴线公垂点、线后，将相机的坐标系转换至三维坐标系中，就只需进行空间直角坐标系下求已知两条异面直线的距离，便能得出异面直线公垂线的距离结果。

附图说明

下面结合附图和实施列对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体示意图；

图2是本发明的被测物示意图；

图3是本发明的被测线三维示意图；

其中：相机a1、相机b2、相机c3、相机d4、被测物5、圆筒6、圆筒7、内圆8、内圆9、轴线10、内圆11、内圆12、轴线13、轴线公垂点14、轴线公垂点15、公垂线16、相机e17、相机f18、相机g19、相机h20。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

如图1为本发明的整体示意图，

如图2为本发明的被测物示意图；

如图3为本发明的被测线三维示意图；

一种基于机器视觉的异面直线测量方法，采用以下的测量方式：

第一步：进行相机a1、相机b2、相机c3、相机d4、相机e17、相机f18、相机g19、相机h20的位置标定；

第二步：测量并采集被测物5，圆筒6和圆筒7上的轴心位置；

第三步：拟合并计算圆筒6的轴心得到对应面的轴线13，同样的方式拟合并计算圆筒7的轴心得到对应面的轴线10；

第四步：在三维模型中重建轴线10的轴线公垂点14、轴线13的轴线公垂点15的坐标；

第五步：计算轴线10与轴线13公垂线16的直线距离；

所述第一步中，相机位置的标定，是利用空间内相机视场的角度关系，来确定被测物5在三维坐标系的位置，相机a1、相机b2、相机c3、相机d4、相机e17、相机f18、相机g19、相机h20的位置关系由被测物5在三维坐标系中的位置来进行确定。

所述第二步中，轴心的位置可以利用双目视觉的方法，由相机a1、相机b2、相机c3、相机d4、相机e17、相机f18、相机g19、相机h20对被测物被测物5的圆筒6、被测物5的圆筒7圆筒两端面的内圆8、内圆11与内圆9、内圆12进行不同角度拍摄，得到被测物圆筒6、圆筒7内圆的圆心；所述被测物的另一端面采样同样的方式，由多个相机对被测物的圆筒两端面的内圆进行不同角度拍摄，得到被测物的圆筒内圆圆心；

所述第三步中，拟合被测物圆筒6、被测物圆筒7两个被测物的内圆圆心，取圆筒两端圆心的距离，得到两个被测物的轴线10和轴线13；

所述第四步中，将标定相机的位置信息进行记录，再将相机的坐标系转换到同一组坐标系下，进行轴线10和轴线13两条轴线的三维重建，在三维坐标系中得到两轴线之间的位置关系；

所述第五步中，计算轴线10和轴线13两条轴线公垂线16的直线距离，就是计算双目视觉拍摄得到的两个被测物的轴线之间的距离，在转换到三维坐标系中后，三维坐标系中两条轴线距离便等于两个被测物的轴线之间的距离，就等价于在空间直角坐标系下求已知两条异面直线的距离，

计算公式如下：

$d=\frac{|\stackrel{\→}{M_1{M}_2}\·({\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2)|}{|{\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2|}.$

具体实施方式：首先对多个相机进行标定，通过标定可以将多个相机坐标系转换到同一个坐标系下。用预先准备好的已知尺寸大小的标定板对多个相机进行标定，得到多个相机之间的相互位置关系；多个相机在不同的角度对被测物进行拍照，然后提取被测物的中心与定位面圆的中心，用标定出来的结果对两个中心进行三维重建，最终计算两条轴线的方程。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：采用以下的测量方式： 

第一步：进行相机a(1)、相机b(2)、相机c(3)、相机d(4)、相机e(17)、相机f(18)、相机g(19)、相机h(20)的位置标定； 

第二步：测量并采集被测物(5)，圆筒(6)和圆筒(7)上的轴心位置； 

第三步：拟合并计算圆筒(6)的轴心得到对应面的轴线(13)，同样的方式拟合并计算圆筒(7)的轴心得到对应面的轴线(10)； 

第四步：在三维模型中重建轴线(10)的轴线公垂点(14)、轴线(13)的轴线公垂点(15)的坐标； 

第五步：计算轴线(1O)与轴线(13)公垂线(16)的直线距离。 

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：所述第一步中，相机位置的标定，是利用空间内相机视场的角度关系，来确定被测物(5)在三维坐标系的位置，相机a(1)、相机b(2)、相机c(3)、相机d(4)、相机e(17)、相机f(18)、相机g(19)、相机h(20)的位置关系由被测物(5)在三维坐标系中的位置来进行确定。 

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：所述第二步中，轴心的位置可以利用双目视觉的方法，由相机a(1)、相机b(2)、相机e(17)、相机f(18)、对被测物(5)的圆筒(7)圆筒两端面的内圆(8)、内圆(12)进行不同角度拍摄，得到被测物圆筒(7)内圆的圆心；由相机c(3)、相机d(4)、相机g(19)、相机h(20)对被测物(5)的圆筒(6)圆筒两端面的内圆(9)、内圆(11)进行不同角度拍摄，得到被测物圆筒(6)内圆的圆心。 

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：所述第三步中，将标定了的相机a(1)、相机b(2)和相机c(3)、相机d(4)、相机e(17)、相机f(18)、相机g(19)、相机h(20)的位置信息进行记录，再将相机的坐标系转换到同一组坐标系下，进行轴线(10)和轴线(13)两条轴线的三维重建，在三维坐标系中得到两轴线之间的位置关系。 

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：所述第三步中，拟合被测物圆筒(6)、被测物圆筒(7)两个被测物的内内圆圆心，取圆筒两端圆心的距离，得到两个被测物的轴线(10)和轴线(13)。 

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的异面直线测量方法，其特征在于：所述第五步中，计算轴线(10)和轴线(13)两条轴线公垂线(16)的直线距离，就是计算双目视觉拍摄得到的两个被测物的轴线之间的距离，在转换到三维坐标系中后，三维坐标系中两条轴线距离便等于两个被测物的轴线之间的距离，就等价于在空间直角坐标系下求已知两条异面直线的距离； 

计算公式如下：