CN107292931A - 用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法，主要包括：布置相机、激光器、第一反射面、第二反射面、带材，使得相机和激光器设置于同一位置，所述第二反射面和带材与所述激光器位于同一侧，所述第一反射面设置于第二反射面的相对侧，且第一反射面、第二反射面和带材互相平行；设置辅助标定板，使得辅助标定板垂直于所述第一反射面；观察激光器光路的折返轨迹；调整相机及辅助标定板的角度，直到激光照射到带材；设置并打开成像光源；测试成像效果。本发明能够实现光路折返的反射面调整和相机位姿调整，能够有效指导和完成复杂折返光路的标定过程，大大提高线扫描相机折返成像的效率和精度。

Description

用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉成像和检测领域，更具体地说，涉及一种用于带材表面质量检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法。

背景技术

基于线扫描相机成像越来越广泛的应用于高精度、连续带材在线质量检测应用中。该技术方案对比与面扫描相机成像，具有速度高、成像敏感度高、容易获得高分辨率、畸变小等优点。

由于高分辨率相机的应用，单个相机的覆盖的成像视野也得到扩展，如单个8K线扫描相机覆盖4米宽度的成像视野的方案设计，能够获得0.5mm/像素的分辨率，该分辨率设计可以满足很多连续带材表面质量检测需要。成像时采用相对长焦镜头能够获得更好畸变误差，但同时带来成像距离非常大的问题，机架的设计和安装都非常困难，尤其是在安装空间受限的场合。设计多个平面镜折返成像能够在不影响成像效果的同时，有效减小安装空间，提高系统设计的实用性。光路折返对反射面的角度要求非常敏感，需要对反射面的角度和相机的位姿进行精细调整。

专利201210094584.4(动态成像线扫描相机标定方法)提出一种动态成像线扫描相机标定方法，将线扫描相机标定辅助装置放置在线扫描相机待成像位置；相机在预设的曝光时间和采集速度参数条件下成像；调整滚筒的旋转速度与图像采集速度匹配，得到所设置的成像分辨率；线扫描相机将滚筒圆周上的图案拍摄成连续的直观图像；逐渐调节相机镜头，观测线扫描相机的成像对比度和清晰度，直至采集到清晰的图像为止。该专利，提出一套标定流程设计，目的在于模拟在线模拟线扫描相机正常工作时的状态，该成像光路中相机与光源通过一次反射完成。

专利200710047426.2(一种用于多台线扫描摄像机标定的方法)提出一种用于多台线扫描摄像机标定的方法，借助辅助标定板，指导线扫描相机的空间位置调整。可以在较短的时间内方便、快捷地调试好线扫描摄像机，使其协调工作。该成像光路中相机与光源通过一次反射完成，通过变换标定物的亮度特征及调整相机位置，实现对相机空间位姿的调整和固定。

发明内容

针对现有技术中成像光路中存在多次反射时，摄像机标定非常困难的问题，本发明提供一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统，包括相机、激光器、第一反射面、第二反射面、带材、成像光源、辅助标定板。相机和激光器设置于同一位置，第二反射面和带材与激光器位于同一侧，第一反射面设置于第二反射面的相对侧，且第一反射面、第二反射面和带材互相平行，辅助标定板垂直于第一反射面设置，并垂直于带材宽度方向。精确标定后，成像光源应置于激光器的发射光经过第一反射面、第二反射面和带材反射后的光路上。

根据本发明的一实施例，激光器在一个角度上具备一定的发散角，在角度的垂直方向上不发散，在平面上的照明区域为一条直线。

根据本发明的一实施例，激光器的光线发射方向与相机镜头的光轴平行，且与相机镜头光轴相对第一反射面在同一纵向位置上。

根据本发明的一实施例，辅助标定板的法线与激光器在第一反射面的照明线平行，即辅助标定板垂直于激光器在第一反射面形成的亮线。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法，包括：布置相机、激光器、第一反射面、第二反射面、带材，使得相机和激光器设置于同一位置，第二反射面和带材与激光器位于同一侧，第一反射面设置于第二反射面的相对侧，且第一反射面、第二反射面和带材互相平行；设置辅助标定板，使得辅助标定板垂直于第一反射面，并垂直于带材宽度方向，激光线经过第一反射面到第二反射面的光线反射关系会显现在辅助标定板上；观察激光器光路的折返轨迹；调整相机及辅助标定板的角度，直到激光照射到带材；设置并打开成像光源；测试成像效果。

根据本发明的一实施例，调整相机及第一反射面角度的步骤包括：激光照射到第一反射面上时，调整相机及激光器绕光轴的旋转自由度，使激光器的激光发散方向与第一反射面长度方向平行。

根据本发明的一实施例，参照辅助标定板上的光线角度和入射点，调整相机相对第一反射面俯仰的角度、第一反射面的角度，使激光器的发射光线进入第二反射面，使光线入射点最终与成像光源对被成像物体的入射点重合。

在上述技术方案中，本发明的用于带材表面质量检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法能够实现光路折返的反射面调整和相机位姿调整，能够有效指导和完成复杂折返光路的标定过程，大大提高线扫描相机折返成像系统标定的效率和精度。

附图说明

图1a和1b是本发明激光器的示意图；

图2a和2b是激光器、相机及反射面的结构示意图；

图3a和3b是辅助标定板光线跟踪的示意图；

图4是本发明用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

线扫描相机光路折返成像设计中光源照射被成像物体表面后，其反射光经过多个反射面进入相机，通过相机成像的明暗对比反映被成像物体表面的纹理特征变化。该设计中的光路，需要对相机及多个反射面的位姿进行精确调整，才能使物体表面的反射光源恰好进入相机。

因此，本发明公开一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统及方法，借助一条线激光光源具有的扇形发射面，通过多组反射面进行折返，模拟线扫描相机成像光路，激光光源扇形发射光线被多个发射面依次反射同时，以可见的形式照射到一个辅助标定板的平面上，在标定平面上可以跟踪光路折返的轨迹，调整多个反射面并跟踪反射轨迹，达到精确调整反射面、相机位姿的目的。

如图1a和1b所示，本发明首先选用一个可见光激光器2，该激光器2能够发出“一”字激光线。即激光器2作为一个点光源，在一个角度上具备一定的发散角，在该角度的垂直方向上不发散，该激光光源在平面上照明区域为一条直线。

如图2a和2b所示，本发明的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统主要包括相机1、激光器2、第一反射面3、第二反射面4、带材5(即成像物体)、成像光源6、辅助标定板7等，下面来详细说明上述各个装置的位置关系及其作用。

相机1和激光器2设置于同一位置，在相机1相邻位置上固定该激光器2，使其光线发射方向与相机1镜头的光轴平行，且与相机1镜头光轴相对第一反射面3在同一纵向位置上。

第二反射面4和带材5与激光器2位于同一侧，第一反射面3设置于第二反射面4的相对侧，且第一反射面3、第二反射面4和带材5互相平行，辅助标定板7垂直于第一反射面3设置，并垂直于带材宽度方向，激光线经过第一反射面3到第二反射面的光线反射关系会显现在辅助标定板7上。成像光源6设置于激光器2的发射光经过第一反射面3、第二反射面4和带材5反射后的光路上。

由于激光器2发射光线在一个方向上会聚、与其垂直方向上发散，因此定义其发散方向为X方向，该方向与线扫描相机成像靶面长度方向平行，与其垂直方向为Y方向。选用一个反射率较低辅助标定板7，放置在激光器2的一侧，辅助标定板7所在平面的法线与激光器2在第一反射面3照明线平行，即辅助标定板7的法线方向与激光器2发光的X方向平行，换句话说，辅助标定板垂直于激光器在第一反射面形成的亮线。

如图4所示，本发明还公开一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法，其主要包括以下步骤：

S1：布置成像光源6。

S2：布置相机1、激光器2、第一反射面3、第二反射面4、带材5，使得相机1和激光器2设置于同一位置，第二反射面4和带材5与激光器2位于同一侧，第一反射面3设置于第二反射面4的相对侧，且第一反射面3、第二反射面4和带材5互相平行。

S3：设置辅助标定板7，使得辅助标定板7垂直于第一反射面3。

S4：观察激光器2光路的折返轨迹。

S5：调整相机1及第一反射面3的角度，直到激光照射到带材5。

该步骤是本发明的核心。S1～S4这4个步骤将相机1、激光器2、第一反射面3、第二反射面4、带材5、成像光源6等布置成上述系统所描述的位置，而S5则通过调整激光器2来调整相机1及多个反射面(第一反射面3、第二反射面4)的位置。具体来说，S5包括以下步骤：

关闭成像光源，打开激光器2，激光线照射到反射板上，调整相机1及激光器2绕光轴的旋转自由度，使激光器2的X方向与第一反射面3长度方向平行，调整相机1及激光器2的俯仰角、沿激光器2的Y轴方向的位置，可以实现激光器2对反射面入射角的角度和反射点，即完成出射方向和出射点的位置调整。

如图3a和3b所示，激光器2光线在第一反射面3发生的反射情况将反映在辅助标定板7上，即以第一反射面3为反射面在垂直X方向、平行于Y方向的平面内显示入射光线和出射光线；如果在相邻位置上反射多次，则同样在辅助标定板7上形成亮线。

参照辅助标定板7上的光线角度和入射点，调整相机1的相对第一反射面3的俯仰角、第一反射面3的角度，使激光器2发射光线进入第二反射面4，并依次调整后续反射面，使光线入射点PN最终与光源对被成像物体的入射点重合。

S6：设置并打开成像光源6。

S7：测试成像效果。若符合要求，则结束标定，否则返回S4。

下面通过一个实施例来进一步说明上述技术方案。

图2a和2b给出了两个平行反射面进行多次光线折返设计中的光路校准方法。将激光器2布置在相机1的侧面并且固定在同一套位姿调整机构上，其光轴方向与相机1镜头的同轴平行，使激光器2的激光发散方向与第一反射面3的长度方向平行，即激光器2的发散方向与线扫描相机成像靶面长度方向平行。该布置使激光器2的发光面与线扫描相机1成像面重合。

在激光器2的侧面垂直第一反射面3且在垂直激光器2发光面放置一个辅助标定平面，调整相机1的俯仰角和前后位移，实现对第一反射面3入射方向和入射点的调整。激光器2对于第一反射面3的入射光线、反射光线和入射点，可以在辅助反射面直接看到，通过调整相机1与第一反射面3的位置和角度，可以调整第一反射面3入射点及反射光线，使其达到指定的位置，比如第二反射面4上的点。借助依次调整入射点和反射角度，直到激光器2最终的照射点达到被成像物体上照明光源照亮的位置。

另外，根据光路的可逆性，可以将激光器2配置在光源侧，借助辅助标定板7，调整反射面角度通过观察辅助标定板上的光线变化，使得激光器2光线照射到相机1附近，微调相机1的位置使相机1的光轴位于激光器2光线的发射面内，完成调整。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统，其特征在于，包括：

相机、激光器、第一反射面、第二反射面、带材、成像光源、辅助标定板；

所述相机和激光器设置于同一位置，所述第二反射面和带材与所述激光器位于同一侧，所述第一反射面设置于第二反射面的相对侧，且第一反射面、第二反射面和带材互相平行，所述辅助标定板垂直于所述第一反射面设置，并垂直于带材宽度方向；

所述成像光源设置于激光器的发射光经过第一反射面、第二反射面和带材反射后的光路上。

2.如权利要求1所述的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统，其特征在于，所述激光器在一个角度上具备一定的发散角，在所述角度的垂直方向上不发散，在平面上的照明区域为一条直线。

3.如权利要求1所述的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统，其特征在于，所述激光器的光线发射方向与相机镜头的光轴平行，且与相机镜头光轴相对第一反射面在同一纵向位置上。

4.如权利要求1所述的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定系统，其特征在于，所述辅助标定板的法线与激光器在第一反射面的照明线平行。

5.一种用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法，其特征在于，包括：

布置相机、激光器、第一反射面、第二反射面、带材，使得相机和激光器设置于同一位置，所述第二反射面和带材与所述激光器位于同一侧，所述第一反射面设置于第二反射面的相对侧，且第一反射面、第二反射面和带材互相平行；

设置辅助标定板，使得辅助标定板垂直于所述第一反射面，并垂直于带材宽度方向；

观察激光器光路的折返轨迹；

调整相机及第一反射面的角度，直到激光照射到带材；

设置并打开成像光源；

测试成像效果。

6.如权利要求5所述的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法，其特征在于，调整相机及第一反射面角度的步骤包括：

激光照射到第一反射面上时，调整相机及激光器绕光轴的旋转自由度，使激光器的激光发散方向与第一反射面长度方向平行。

7.如权利要求6所述的用于带材表面检测的线扫描相机折返成像标定方法，其特征在于，参照辅助标定板上的光线角度和入射点，调整相机的相对第一反射面的俯仰角、第一反射面的角度，使激光器的发射光线进入第二反射面，使光线入射点最终与成像光源对被成像物体的入射点重合。