CN107388995B - 一种手持式平面直线度检测装置及平面直线度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种手持式平面直线度检测装置及平面直线度检测方法，其中，装置包括：手持横杆、激光发射器、相机及万向支架；手持横杆的一端具有一定长度的导轨；激光发射器固定设置在万向支架上，用于发射激光至待扫描物品；相机固定设置在手持横杆的另一端，无线或有线连接外部计算机，用于拍摄无激光图片及带激光图片；万向支架可滑动的设置在导轨上，用于调节激光发射器与相机之间的距离及激光发射器的激光发射方向。该装置具有制造成本低，设备轻便，手持使用特点，适用于各类轴类零件、长直部件、平板以及建筑施工平面的非接触型平面直线度检测。
Description
技术领域
本申请属于计算机视觉三维测量领域，尤其涉及一种手持式平面直线度检测装置及平面直线度检测方法。
背景技术
平面直线度误差的评定是建筑和制造业精度的重要评价指标，也是平行度、垂直度、圆柱度和同轴度等几何测量的基础。随着零部件加工的质量要求不断提高，对测量技术也提出了更高的要求。同时，直线度评估是建筑行业的墙面、地面等施工及验收作业中重要环节。因此，平面度的检测是保证施工质量的关键，是质检和验收中必不可少的一部分。
现有技术中，常用的平面直线度检测设备和方法一般分为两大类：传统手工法和精密仪器测量。
传统手工检测法包括平尺斑点法、水平仪、拉钢丝和放假轴等测量方法。在地面浇筑施工或大型钢板，平面测量平面度作业常用的是铸铁平尺斑点法，平尺斑点法具体流程为：擦净被检面和平尺工作面，用煤油调匀红丹粉均匀地涂在被检面上，把平尺的工作面扣在被检面上作均匀地短距离往复运动，作业完成后观察被检面的斑点数目和分布情况，亮点是被平尺研着的高处；再按照数点方法或按对研后显示出的接触点面积的比率评定平面的平直度。在检测钢构件的平直度作业时，将工件摆放于水平工作台上，根据水平仪气泡和上面的刻度对平直度进行评价。拉钢丝法以张紧的优质钢丝作为测量基线，测出被测直线相对测量基线的偏离量，进而评定直线度误差的方法。在墙面平面直线度测量时使用间隙法，使用平直卡尺垂直放置于墙面，通过记录墙面与卡尺间隙评价墙面的平直度等。
传统的手工检测法检测方法一般不需复杂的机械设备，但普遍存在损伤测量表面、精度不高、人力成本大、施工人员技能经验要求高或者作业场地要求高等缺点。传统手工检测法大多为接触型测量法，不适合表面精密度要求高、高温高腐蚀性等不宜直接接触的场景进行数据采集和评估。
精密仪器检测一般利用光、电、磁等测量技术，结合数字图像采集与处理、光学原理等技术不直接接触被测物体进行采集数据并根据一定的评价算法进行评价。如自准仪的使用方法是将固定有反射镜的桥板置于被测直线上，等跨距首尾衔接地拖动桥板，测出被测直线各相邻两点连线相对主光轴的倾斜角，通过数据处理求出直线度误差值。又如干涉法利用光波干涉原理，根据干涉条纹的形状或干涉带条数来评定直线度的误差值，该方法适用于精研表面的直线度误差等测量。在用以上方法得到误差后按照国标《GB/T11336—2004中的空间直线度误差》相关方法进行评定，其方法包括：最小包容区域法、最小二乘法和两端点连线法等。
总结常见的精密仪器检测法主要有：(1)将直线度误差转换为激光干涉仪相位变化的相位测量型；(2)将直线度误差转换为激光偏振方向变化的位相检测型；(3)利用激光本身的方向性，以光束的光强分布中心作为准直基准的强度测量型；(4)激光准直仪、光学经纬仪和全站仪测量法等。
精密仪器检测法普遍测量精度高，但不同程度的存在成本高、仪器操作人员技能要求高、安装复杂、作业场景适用性差等缺点。
近年来，随着数字图像处理与计算机视觉领域中诸多研究成果被应用于测量，进而发展成为一类新兴的测量方法—计算机视觉检测技术。平面直线度误差的检测可利用机器视觉的检测方法自动获取待检测物件轮廓要素的数字显示信息，采用图像处理技术对数据显示信息进行数据处理，从而获得直线度误差检测结果。但现有的基于计算机视觉检测技术总结来说存在如下缺陷：(1)用于三维重建平面测量的设备制造和维护成本高；(2)安装调试的精度直接影响测量精度；(3)常用正弦光栅相位测量方法无法做到实时性，且解相位的难度很大，另一种傅里叶变换法存在测量精度低，运算量大的问题；(4)用于三维重建平面测量的设备使用性和通用性差，无法对运动的物体进行重建。
发明内容
本申请提供了一种手持式平面直线度检测装置及平面直线度检测方法，用于解决现有技术中手工方法检测直线度存在损伤测量表面、精度低、人力成本大的缺陷，现有精密仪器测量直线度存在成本高、对操作人员技能要求高、安装复杂及作业场景适应性差的缺陷及现有的基于三维重建系统检测直线度存在设备制作成本高、安装精度低、处理速度慢及通用性差的缺陷。
本申请一实施例中，手持式平面直线度检测装置包括：手持横杆、激光发射器、相机及万向支架；
所述手持横杆的一端具有一定长度的导轨；
所述激光发射器固定设置在所述万向支架上，用于发射激光至待扫描物品；
所述相机固定设置在所述手持横杆的另一端，无线或有线连接外部计算机，用于拍摄无激光图片及带激光图片；
所述万向支架可滑动的设置在所述导轨上，用于调节所述激光发射器与所述相机之间的距离及所述激光发射器的激光发射方向。
本申请另一实施例中，提供一种基于上述实施例所述的手持式平面直线度检测装置的平面直线度检测方法，包括：
利用手持式平面直线度检测装置拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片及M组图片，每组图片包括一张无激光标定板图片及一张带激光标定板图片；
根据N张无激光标定板图片对相机进行标定，获取相机内参矩阵和各张带激光标定板图片对应的外参矩阵；
对于每张带激光标定板图片，提取激光点的像素坐标，根据激光点的像素坐标、内参矩阵及该张带激光标定板图片对应的外参矩阵计算激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据M张带激光标定板图片中所有激光点在相机坐标系下的三维坐标拟合激光平面方程，在此后的测量中无需再求解激光平面方程；
利用手持式平面直线度检测装置获取带激光待测物品图片，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标，根据空间直线度误差评定方法(参考国标《GB/T11336—2004中的空间直线度误差》)评价带激光待测物品图片中激光点到基线的偏差。
本申请提供的手持式平面直线度检测装置，具有制造成本低，设备轻便，手持使用特点，同时还具有快速、高精度、现场抗干扰能力强等突出的特点，能很好的满足现代制造业和建筑施工单位的需要，具有非常广阔的应用前景和实用价值。适用于各类轴类零件、长直部件、平板以及建筑施工平面的非接触型平面直线度检测，同时也适用于长度测量以及复杂曲面的逆向工程。
本申请提供的平面直线度检测方法基于机器视觉中的标定算法和数字图像处理技术，可计算出激光平面与多张标定板平面交线上激光点的三维坐标，并拟合得到相机坐标系下的激光平面方程；利用手持式平面直线度检测装置获取带激光待测物品图片，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光线上的点在相机坐标系下的三维坐标，根据空间直线度误差评定方法评价带激光待测物品图片中激光点到基线的偏差。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请一实施例的手持式平面直线度检测装置的结构图；
图2为本申请一实施例的万向支架的结构图；
图3为本申请一实施例的平面直线度检测方法的流程图；
图4为本申请一实施例的基线与直线度误差示意图。
具体实施方式
为了使本申请的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本申请的技术方案做进一步说明，本申请也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本申请的保护范畴。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、或“一些实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
如图1所示，图1为本申请实施例的手持式平面直线度检测装置的结构图。本实施例提供的手持式平面度检测装置具有制造成本低，设备轻便，手持使用特点，适用于各类轴类零件、长直部件、平板以及建筑施工平面的平面直线度非接触型检测。
具体的，包括：手持横杆101、激光发射器102、相机103及万向支架104；
手持横杆101的一端具有一定长度的导轨1011；
激光发射器102固定设置在万向支架上，用于发射激光至待扫描物品；具体实施时，激光发射器还可以用其它波段的光发生器(如红外线发射器)替换；
相机103固定设置在手持横杆101的另一端，无线或有线连接外部计算机，用于拍摄无激光图片及带激光图片；相机103如为WiFi相机，本申请对其具体类型不做限定；
万向支架104可滑动的设置在导轨1011上，用于调节激光发射器102与相机103之间的距离及激光发射器102的激光发射方向。
本申请一实施例中，激光发射器102及相机103之间的最小间距为200mm。相机与激光发射器的距离可通过打开相机和激光发射器在计算机中进行可视化调整，激光发射器发射的激光应能照射在带扫描物品表面。
本申请一实施例中，激光发射器102的激光发射方向与相机103的拍照方向呈一定角度。优选的，激光发射器102的激光发射方向与相机103的拍照方向之间的角度范围为30°～60°。
本申请一实施例中，万向支架具有一滑动结构及一旋转结构。滑动结构可滑动的设置在手持横杆的导轨上，用于调节激光发射器与相机之间的距离。旋转结构可旋转的设置在滑动结构上，用于固定激光发射器及调节激光发射器发射方向。
本申请对滑动结构及旋转结构的具体形式不做限定，只要能实现调节激光发射器与相机之间的距离、调节激光发射器发射方向均属于本申请所述滑动结构及旋转结构的保护范围。
如图2所示，一具体实施例中，旋转结构20包括第一平头螺栓201、套筒202、圆盘203及球头螺栓204，滑动结构30包括两个夹片301、第二平头螺栓302及第三平头螺栓303。
第一平头螺栓201螺纹连接在套筒202上；套筒202用于容置激光发射器102；球头螺栓204的螺纹端依次螺纹连接圆盘203及套筒202，球头螺栓204的球头端卡接在夹片301之间；夹片301相对设置，其中一夹片穿过导轨1011；第二平头螺栓302、第三平头螺栓303螺纹连接在夹片301上。
通过旋转第一平头螺栓201及圆盘203来紧固套筒内的激光发射器，通过转动球头螺栓204来调节激光发射器的激光发射方向。
通过滑动夹片301来调节激光发射器与相机之间的距离，通过旋转第二平头螺栓302、第三平头螺栓303来调节所述夹片的松紧。
实施时，首先需要拧松第二平头螺栓及第三平头螺栓，然后再滑动夹片调节激光发射器与相机之间的距离，通过转动球头螺栓来调节激光发射器的发射方向。另外，还可通过首先拧松第一平头螺栓，然后再扭动套筒，接着拧紧第一平头螺栓的方式来调节激光发射器的发射方向。
一些实施方式中，套筒上具有一相对设置的通孔，其中一通孔螺纹连接第一平头螺栓，另一通孔螺纹连接球头螺栓。
本申请提供的手持式平面直线度检测装置，具有制造成本低，设备轻便，手持使用特点，同时还具有快速、高精度、现场抗干扰能力强等突出的特点，能很好的满足现代制造业和建筑施工单位的需要，具有非常广阔的应用前景和实用价值。适用于各类轴类零件、长直部件、平板以及建筑施工平面的非接触型平面直线度检测，同时也适用于长度测量以及复杂曲面的逆向工程。
如图3所示，图3为本申请一实施例的平面直线度检测方法的流程图。本实施例是基于上述实施例所述的手持式平面直线度检测装置实现的，具体的，包括：
步骤401，利用手持式平面直线度检测装置拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片及M组图片，每组图片包括一张无激光标定板图片及一张带激光标定板图片；
步骤402，根据N张无激光标定板图片对相机进行标定，获取相机内参矩阵和各张带激光标定板图片对应的外参矩阵；
步骤403，对于每张带激光标定板图片，提取激光点的像素坐标，根据激光点的像素坐标、内参矩阵及该张带激光标定板图片对应的外参矩阵计算激光点在相机坐标系下的三维坐标；
步骤404，根据M张带激光标定板图片中所有激光点在相机坐标系下的三维坐标拟合激光平面方程，得到激光平面方程之后就可进行执行步骤405的平面度测试；
步骤405，利用手持式平面直线度检测装置获取带激光待测物品图片，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标，根据空间直线度误差评定方法评价带激光待测物品图片中激光点到基线的偏差，按照国标《GB/T11336—2004中的空间直线度误差》标准评价平面直线度。
本申请通过步骤401～404得到相机内参矩阵及激光平面方程，此后的测量工作操作人员仅需将手持式测量装置对准待测物体后拍摄带激光待测物品图片即可，通过步骤405中算法由偏差来评价平面直线度，可在AutoCAD、Geomagic、3DMax等三维设计软件中进行浏览和测量。
本申请一实施例中，上述步骤401中，利用手持式平面直线度检测装置拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片及M组标定板图片进一步包括：
(1)关闭激光发射器，利用相机拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片；
(2)打开激光发射器，使激光投射到标定板上，利用相机拍摄一张带激光标定板图片，保持标定板和相机不动，关闭激光发射器，拍摄一张无激光标定板图片；
(3)重复(2)中打开激光发射器和关闭激光发射器的过程，拍摄M组带激光及无激光标定板图片。每组图片中标定板旋转角度不同。
一具体实施例中，N取值大于10，假设N＝15，M＝4。步骤(1)中先拍摄的11张无激光标定板图片命名为cam1,cam2…cam11。步骤(2)中拍摄的第1张带激光标定板图片命名为cam12a，拍摄的第12张无激光标定板图片命名为cam12。步骤(3)拍摄的带激光标定图片命名为cam13a,cam14a,cam15a，拍摄的无激光标定图片命名为cam13,cam14,cam15。
因一组图片，如cam12,cam12a拍摄时标定板和相机的位置不变，因此，cam12对应的外参矩阵与cam12a对应的外参矩阵相同。
本申请一实施例中，上述步骤402可使用opencv标定函数或MATLAB标定工具箱对相机进行标定，本申请对标定方法不做具体限定。
本申请一实施例中，上述步骤403中，通过如下公式(1)、(2)根据激光点的像素坐标、内参矩阵及带激光标定板图片对应的外参矩阵计算激光点在相机坐标系下的三维坐标：
图像像素坐标系(u,v)与相机坐标系(O-XcYcZc)转换方程：
其中，/>
世界坐标系(O-XwYwZw)与相机坐标系(O-XcYcZc)转换方程：
其中，/>
其中，(u,v)为像素坐标，Mc为内参矩阵，(xc,yc,zc)为相机坐标系下的三维坐标，Mw为外参矩阵，(xW,yW,zW)为世界坐标系下的三维坐标，R为3×3的旋转矩阵，t为三维平移向量。
详细的说，拟合激光平面方程所用的激光点在相机坐标系下的三维坐标(xc,yc,zc)可通过公式(1)和(2)联立求解得到。
本申请一实施例中，上述步骤404中使用最小二乘法拟合激光平面方程，得到的激光平面方程由如下公式(3)表示：
aXc+bYc+cZc+d＝0，(3)
其中，a、b、c、d为参数，Xc、Yc、Zc为激光点在相机坐标系下的坐标。
本申请一实施例中，上述步骤405中，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标进一步包括：
确定带激光待测物品图片中激光点的像素坐标(u,v)，激光点的数量可按行取或者隔几进行行采点；
通过联立激光平面方程(3)及图像像素坐标系(u,v)与相机坐标系(O-XcYcZc)转换方程(1)求解带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标。
本申请一实施例中，上述步骤405中空间直线度误差评定方法根据国标GB/T11336—2004执行。具体的，先根据带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标拟合一条基线(如图4中的lLS，实施时，可采用最小二乘法拟合基线)；然后计算带激光待测物品图片中激光点(空间三维点，如图4中的点1,点2,点3,点4,点5)到基线的偏差φfLS。
其他实施例中，使用者可根据实际情况调整评判标准，亦可通过多次样品检测根据结果分类标准。
本申请提供的手持式平面直线度检测装置能够实现如下技术效果：
1)无需高精确安装支架和相机，降低了操作的复杂性；
2)无需购置精密昂贵的激光扫描仪、传感器、高分辨率相机等，因此保证了成本灵活性；
3)无特定的操作台，无需将待测物品放置到固定位置，使得操作简便；
4)手持使用，方便快捷，操作者只需拍照即可，后台程序直接出结果，运算速度快；
5)作业工况适应性强，适用于各类轴类零件、长直部件、平板以及建筑施工平面的平面直线度非接触型检测，同时也适用于长度测量以及复杂曲面的逆向工程；
6)测量所得三维坐标可导入AutoCAD、3dMax或Geomagic等主流三维软件进行后续建模工作。
本申请提供的基于手持式平面直线度检测装置的平面直线度检测方法能够实现如下技术效果：基于机器视觉中的标定算法和数字图像处理技术，可计算出激光平面与多张标定板平面交线上激光点的三维坐标，并拟合得到相机坐标系下的激光平面方程；利用手持式平面直线度检测装置获取带激光待测物品图片，求解激光平面与待测物表面交线上的所有三维点，拟合空间直线后根据相应的标准对检测物表面的直线度做出评价。
本领域内的技术人员应明白，本申请平面直线度检测方法可提供为系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅用于说明本申请的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本申请的权利保护范围应视权利要求范围为准。
Claims (7)
1.一种手持式平面直线度检测装置，其特征在于，包括：手持横杆、激光发射器、相机及万向支架；
所述手持横杆的一端具有一定长度的导轨；
所述激光发射器固定设置在所述万向支架上，用于发射激光至待扫描物品；
所述相机固定设置在所述手持横杆的另一端，无线或有线连接外部计算机，用于拍摄无激光图片及带激光图片；
所述万向支架可滑动的设置在所述导轨上，用于调节所述激光发射器与所述相机之间的距离及所述激光发射器的激光发射方向；
所述相机的拍照方向垂直于所述手持横杆，所述激光发射器的激光发射方向与所述相机的拍照方向之间呈一定角度；
所述激光发射器的激光发射方向与所述相机的拍照方向之间的角度范围为30°～60°；
所述万向支架具有一滑动结构及一旋转结构；
所述滑动结构可滑动的设置在所述手持横杆的导轨上，用于调节所述激光发射器与所述相机之间的距离；
所述旋转结构可旋转的设置在所述滑动结构上，用于固定所述激光发射器及调节所述激光发射器发射方向。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发射器及相机之间的最小间距为200mm。
3.一种基于权利要求1至2任一项所述的手持式平面直线度检测装置的平面直线度检测方法，其特征在于，包括：
利用手持式平面直线度检测装置拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片及M组图片，每组图片包括一张无激光标定板图片及一张带激光标定板图片；
根据N张无激光标定板图片对相机进行标定，获取相机内参矩阵和各张带激光标定板图片对应的外参矩阵；
对于每张带激光标定板图片，提取激光点的像素坐标，根据激光点的像素坐标、内参矩阵及该张带激光标定板图片对应的外参矩阵计算激光点在相机坐标系下的三维坐标；
根据M张带激光标定板图片中所有激光点在相机坐标系下的三维坐标拟合激光平面方程；
利用手持式平面直线度检测装置获取带激光待测物品图片，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标，根据空间直线度误差评定方法评价带激光待测物品图片中激光点到基线的偏差。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用手持式平面直线度检测装置拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片及M组图片进一步包括：
关闭激光发射器，利用相机拍摄随机角度旋转的N-M张无激光标定板图片；
打开激光发射器，使激光投射到标定板上，利用相机拍摄一张带激光标定板图片，保持标定板和相机不动，关闭激光发射器，利用相机拍摄一张无激光标定板图片；
重复打开激光发射器和关闭激光发射器的过程，拍摄M组带激光及无激光标定板图片。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过如下方程根据激光点的像素坐标、内参矩阵及该张带激光标定板图片对应的外参矩阵计算激光点在相机坐标系下的三维坐标：
图像像素坐标系与相机坐标系转换方程，
世界坐标系与相机坐标系转换方程，
其中，(u,v)为像素坐标，Mc为内参矩阵，(xc,yc,zc)为相机坐标系下的三维坐标，Mw为外参矩阵，(xw,yw,zw)为世界坐标系下的三维坐标，R为3×3的旋转矩阵，t为三维平移向量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光平面方程为：
aXc+bYc+cZc+d＝0，
其中，a、b、c、d为参数，Xc、Yc、Zc为激光点在相机坐标系下的坐标。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据带激光待测物品图片和激光平面方程计算带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标进一步包括：
提取带激光待测物品图片中激光点的像素坐标；
通过联立所述激光平面方程及所述图像像素坐标系与相机坐标系转换方程求解带激光待测物品图片中激光点在相机坐标系下的三维坐标。
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