CN108253909A - 一种平面度的测量方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种平面度的测量方法和测量装置，包括：采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。本申请采用格雷码图案结合线移图案的方法对结构光进行编码，通过双目相机采集，能够准确快速地生成物体的三维图形，测出待测物体的平面度，测量效率高，且测量装置简便。

Description

一种平面度的测量方法和测量装置

技术领域

本发明涉及平面度测量技术领域，特别是涉及一种平面度的测量方法和测量装置。

背景技术

平面度测量在工业生产上是一项非常重要的检测项目，近些年来，随着社会不断的发展和工业生产水平不断的提高，自动化行业内对物体的三维信息进行测量的需求越来越大，计算机技术和图像处理技术的发展，物体三维轮廓检测和数据信息提取技术被广泛地应用于产品设计、平面度测量、体积测量、质量控制、逆工程仿真、机器视觉以及生物医疗等领域。

常用的平面度测量的方法有打表测量法、千分尺测头测量、液平面法，这几种测量方法程序繁琐，测量准确率较低。传统的光点式结构光测量方法是通过逐点扫描物体来实现表面物体轮廓测量，由于逐点扫描物体导致图像摄取和图形处理需要的时间随被测物体的增大而急剧增大。

因此，如何实现一种检测平面度更快速更简便的方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种平面度的测量方法和测量装置，可以快速地生成三维图形，测出平面度，效率高，装置简便。其具体方案如下：

一种平面度的测量方法，包括：

采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；

对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，在通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之前，还包括：

使用标定板对双目相机进行标定，确定所述双目相机中第一成像镜头和第二成像镜头的相对位置关系。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，在通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之后，还包括：

对采集到的所述图像进行滤波处理去除燥声；

对去除噪声后的所述图像中的黑白条纹进行边缘提取和二值化处理，得到所述图像中每列像素点的格雷码值。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，对所述图像进行解码处理，具体包括：

将所述图像中每列像素点的格雷码值向二进制码转换；

将所述二进制码转换为十进制数，得到所述图像中各像素点的格雷码值并进行存储，同时对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，将所述图像中每列像素点的格雷码值向二进制码转换，具体包括：

将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的最高位设为相同；

将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的次高位作异或运算，得到所述二进制码的次高位。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配，具体包括：

读取所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像；

对第一图像和第二图像进行双目极线校正处理；

读取经双目极线校正处理后的所述第一图像上各采样点的横坐标值；

在经双目极线校正处理后的所述图像上寻找与所述采样点的横坐标值相同的一个行点，对该行所有的像素点读取格雷码值；

判断读取的所述像素点的格雷码值与所述采样点的格雷码值是否相同；若是，则匹配成功；若否，则匹配失败。

优选地，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，生成所述待测物体表面的三维图形，具体包括：

根据匹配成功的各像素点和各采样点，计算出视差值；

根据所述视差值，利用线性插值法进行视差填充处理；

根据填充好的视差图像，利用三角测量法计算出各像素点和各采样点的三维坐标值。

本发明实施例还提供了一种平面度的测量装置，包括：

投影仪，用于采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

双目相机，用于采集所述待测物体表面的图像；

处理器，用于对所述图像进行处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。

本发明所提供的一种平面度的测量方法和测量装置，包括：采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。本发明采用格雷码图案结合线移图案的方法对结构光进行编码，通过双目相机采集，能够准确快速地生成物体的三维图形，测出待测物体的平面度，测量效率高，且测量装置简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平面度的测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的八幅格雷码图案的示意图；

图3为本发明实施例提供的四幅线移图案的示意图；

图4为本发明实施例提供的格雷码的示意图；

图5为本发明实施例提供的平面度的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种平面度的测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101、采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

S102、通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；

S103、对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。

在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，首先采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；然后通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；最后对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。这样采用格雷码图案结合线移图案的方法对结构光进行编码，通过双目相机采集，能够准确快速地生成物体的三维图形，测出待测物体的平面度，测量效率高，且测量装置简便。

具体地，若使用的双目相机的分辨率为800×1280，可以选用投射8幅格雷码图案的方案，8幅图案一共包含了2⁸个码值，对应于每行1280个像素点，每个码值区间里面像素的个数为1280/2⁸＝5个，所以经过格雷码编码以后，图案中每5个像素点拥有相同且唯一的格雷码值(即格雷码中的码值)。图2示出了8幅格雷码图案，在第8幅格雷码图案中，除了左右两端的两个条纹宽度为5个像素点以外，其余所有条纹的宽度均为10个像素点。

在经过格雷码图案编码以后，图像上的每5个像素点拥有相同的格雷码值，如果想要对这5个像素点进行区分，需要用到线移图案。所述线移图案是将所述格雷码图案中的其中一幅图按照设定顺序移动若干次形成的，即线移图案是将n位格雷码图案中的第n幅图按照一定的顺序移动若干次形成的。本发明所采用的线移图案，如图3所示，首先是将第8幅格雷码图案中的黑白条纹每次向左平移一个像素点，共平移4次，然后再将第8幅格雷码图案中黑白条纹依次向右平移一个像素点，共平移5次，得到9幅图案，加上第8幅格雷码图案一共是10幅线移图案。

需要说明的是，如图4所示，对格雷码中的码值为0的点，将图案上对应的区域置为黑色，对格雷码中的码值为1的点，将图案上对应的区域置为白色，得到了黑白相间的格雷码图案。

接下来为了确认双目相机中第一成像镜头和第二成像镜头的的相对位置关系，需要建立坐标系，具体地，图像坐标系是成像平面上定义的平面坐标系O₀—uv，每一像素的坐标(u，v)分别是该像素的列数与行数，就计算机图像而言，原点O₀多选作该图像的左上角顶点。由于(u，v)只表示像素在图像数组中的行数与列数，并没有用物理单位表示出该像素在图像中的位置，因此，需要再建立以物理单位表示的图像坐标系O₁—xy。该坐标系以图像平面与光轴的交点O₁为原点，x轴y轴分别平行于u轴v轴。若点O₁在O₀—uv坐标系中的坐标为(u₀，v₀)，每一个像素在x轴，y轴方向上的物理尺寸为dx，dy，则图像中任意一个像素在两个坐标系中的关系可表示为：

相机坐标系O—X_CY_CZ_C定义为:中心以O点为原点，Z_C轴与光轴重合，X_C轴、Y_C轴分别与图像坐标系的x轴、y轴平行，有效焦距f是图像平面和光心的距离。世界坐标系O_W—X_WY_WZ_W是描述环境中物体位置信息的基准坐标系。相机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移矩阵T来表示。因此，空间一点P点在世界坐标系与相机坐标系下的坐标分别是(X_WY_WZ_W)和(X_CY_CZ_C)之间的关系表示如下：

其中R为3×3的正交矩阵；T为3×l的向量：

T＝[t_x t_y t_z]^T (4)

其中γ为侧倾角、α为俯仰角、β为旋转角。

相机中透镜成像有如下关系：

其中u为物距，v为相距，f为透镜焦距。

可以得到以物理单位表示的图像坐标系O₁—xy与相机坐标系O—X_CY_CZ_C的转换关系：

接下来，在具体实施时，在执行步骤S102通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之前，还可以包括以下步骤：

使用标定板对双目相机进行标定，确定所述双目相机中第一成像镜头和第二成像镜头的相对位置关系。

具体地，使用标定板对双目相机进行标定，过单个相机进行标定我们可以得到世界坐标系到第一成像镜头坐标系、第二成像镜头坐标系的旋转矩阵R_l,R_r和平移矩阵T_l,T_r。根据数学关系可得：

联立两式可得第一成像镜头和第二成像镜头的相对位置关系矩阵R和T：

需要说明的是，第一成像镜头和第二成像镜头可以平行放置，或者交叉放置，具体的位置关系可以由上述公式确定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，在执行步骤S102通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之后，还可以包括以下步骤：

首先，对采集到的所述图像进行滤波处理去除燥声；

然后，对去除噪声后的所述图像中的黑白条纹进行边缘提取和二值化处理，得到所述图像中每列像素点的格雷码值。

之后，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，步骤S103对所述图像进行解码处理，具体可以包括以下步骤：

首先，将所述图像中每列像素点的格雷码值向二进制码转换；

假设有n位格雷码值G_n-1G_n-2…G₁G₀，要转化为n位二进制码B_n-1B_n-2…B₁B₀，其转换公式为:

如上述公式，将格雷码值转换为二进制码，将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的最高位设为相同；将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的次高位作异或运算，得到所述二进制码的次高位；按照这种方法进行下去，依次求得格雷码值对应的二进制码的值；具体地，假设有5位格雷码值1 0 1 10要转换为5位二进制码，具体的转换过程为：将二进制码的最高位(第1位)设为1；二进制码的第2位为第3位为第4位为第5位为因此格雷码1 0 1 1 0对应的二进制码为1 1 0 1 1；

然后，将所述二进制码转换为十进制数，得到所述图像中各像素点的格雷码值并进行存储。

存储的作用是用于后续的立体匹配，也就是说，在具体实施时，得到所述图像中各像素点的格雷码值并进行存储的同时，还可以包括以下步骤：

对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配。

在具体实施时，上述对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配，具体可以包括以下步骤：

步骤一、读取所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像；

步骤二、对第一图像和第二图像进行双目极线校正处理；

步骤三、读取经双目极线校正处理后的所述第一图像上各采样点的横坐标值；

步骤四、在经双目极线校正处理后的所述第二图像上寻找与所述采样点的横坐标值相同的一个行点，对该行所有的像素点读取格雷码值；

步骤五、判断读取的所述像素点的格雷码值与所述采样点的格雷码值是否相同；若是，则匹配成功；若否，则匹配失败。

具体地，在对双目相机采集的信息进行匹配时利用结构光编码图案，通过对投射的编码图案进行解码，对第一图像和第二图像建立纵向约束，结合双目系统中的极线约束条件，可唯一的在二维平面上确定相匹配的点。以第一图像作为主视图，在第二图像中搜索第一图像采样点的对应点，设第一图像和第二图像的分辨率为H×W，搜索步长设为e，采样步长设为d，单位均为像素。首先读入第一图像和第二图像，对第一图像和第二图像进行双目极线校正处理，得到行对齐的第一图像和第二图像。然后对第一图像上每一个采样点，读入该点的横坐标值，在第二图像上寻找横坐标值相同的一行点，对该行所有的点读取格雷码值，判断是否和采样点的格雷码值相同，如果相同，则匹配成功，反之匹配失败。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述平面度的测量方法中，生成所述待测物体表面的三维图形，具体可以包括以下步骤：

首先，根据匹配成功的各像素点和各采样点，计算出视差值；

然后，根据所述视差值，利用线性插值法进行视差填充处理；

最后，根据填充好的视差图像，利用三角测量法计算出各像素点和各采样点的三维坐标值。

具体地，对匹配完成的点计算出视差值，并利用线性插值的原理进行视差填充处理，对填充以后的视差图像，利用三角测量原理，结合视觉系统的相关参数，计算出点的三维坐标值。将所有点的三维坐标在Gemagic Studio里面绘图，可以得到测量出来的物体三维点云图。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种平面度的测量装置，由于该测量装置解决问题的原理与前述一种平面度的测量方法相似，因此该测量装置的实施可以参见平面度的测量方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的平面度的测量装置，如图5所示，具体包括：

投影仪，用于采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

双目相机，用于采集所述待测物体表面的图像；

处理器，用于对所述图像进行处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。

在本发明实施例提供的上述平面度的测量装置中，可以通过投影仪、双目相机和处理器的相互作用，能够准确快速地生成物体的三维图形，测出待测物体的平面度。

本发明实施例提供的一种平面度的测量方法和测量装置，包括：采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。本发明采用格雷码图案结合线移图案的方法对结构光进行编码，通过双目相机采集，能够准确快速地生成物体的三维图形，测出待测物体的平面度，测量效率高，且测量装置简便。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的平面度的测量方法和测量装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种平面度的测量方法，其特征在于，包括：

采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

通过双目相机采集所述待测物体表面的图像；

对所述图像进行解码处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。

2.根据权利要求1所述的平面度的测量方法，其特征在于，在通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之前，还包括：

使用标定板对双目相机进行标定，确定所述双目相机中第一成像镜头和第二成像镜头的相对位置关系。

3.根据权利要求2所述的平面度的测量方法，其特征在于，在通过双目相机采集所述待测物体表面的图像之后，还包括：

对采集到的所述图像进行滤波处理去除燥声；

对去除噪声后的所述图像中的黑白条纹进行边缘提取和二值化处理，得到所述图像中每列像素点的格雷码值。

4.根据权利要求3所述的平面度的测量方法，其特征在于，对所述图像进行解码处理，具体包括：

将所述图像中每列像素点的格雷码值向二进制码转换；

将所述二进制码转换为十进制数，得到所述图像中各像素点的格雷码值并进行存储，同时对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配。

5.根据权利要求4所述的平面度的测量方法，其特征在于，将所述图像中每列像素点的格雷码值向二进制码转换，具体包括：

将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的最高位设为相同；

将所述二进制码的最高位和所述格雷码值的次高位作异或运算，得到所述二进制码的次高位。

6.根据权利要求4所述的平面度的测量方法，其特征在于，对所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像进行格雷码值匹配，具体包括：

读取所述第一成像镜头成像得到的第一图像和第二成像镜头成像得到的第二图像；

对所述第一图像和所述第二图像进行双目极线校正处理；

读取经双目极线校正处理后的所述第一图像上各采样点的横坐标值；

在经双目极线校正处理后的所述第二图像上寻找与所述采样点的横坐标值相同的一个行点，对该行所有的像素点读取格雷码值；

判断读取的所述像素点的格雷码值与所述采样点的格雷码值是否相同；若是，则匹配成功；若否，则匹配失败。

7.根据权利要求6所述的平面度的测量方法，其特征在于，生成所述待测物体表面的三维图形，具体包括：

根据匹配成功的各像素点和各采样点，计算出视差值；

根据所述视差值，利用线性插值法进行视差填充处理；

根据填充好的视差图像，利用三角测量法计算出各像素点和各采样点的三维坐标值。

8.一种平面度的测量装置，其特征在于，包括：

投影仪，用于采用格雷码图案和线移图案对结构光进行编码，将编码后的结构光向待测物体表面进行投射；

双目相机，用于采集所述待测物体表面的图像；

处理器，用于对所述图像进行处理，生成所述待测物体表面的三维图形，确定所述待测物体的平面度。