CN109458929A - 一种圆筒测量现场快速标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆筒测量现场快速标定装置及方法，包括以下步骤：步骤一，设计标定筒；步骤二，基于标定筒的现场快速标定算法，具体包括以下步骤：第一步，标定筒内壁图像采集；第二步，结构光条提取；第三步，线性拟合；第四步，极值点坐标提取；第五步，高度差计算；第六步，单条结构光条比例系数计算；第七步，平均比例系数计算；本发明的圆筒测量现场快速标定装置及方法，利用测量系统获取标定筒内壁的结构光图像，通过比例反推算法，计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系，从而获得标定参数，为后续圆筒内壁几何特征参数的测量提供数据基础。

Description

一种圆筒测量现场快速标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种圆筒测量现场快速标定装置及方法，属于圆筒测量技术领域。

背景技术

某型圆筒是典型的长度长、长径比大的管类元件，且内腔结构复杂，不易设置测量结构体，也不易观察，测量难度较大；目前，常用的圆筒测量技术主要有：机械式测径仪、光学式测径仪、电子式测径仪等，这些测量技术在测量精度、测量效率、环境适应性等方面存在较大不足，且均属于传统的接触式测量方法，在测量过程中容易划伤圆筒内壁表面，带来附加物理损伤；机器视觉技术作为非接触精密测量研究领域的热点方向，能够有效克服圆筒内表面结构形状复杂、测量无法精准定位的困难，因此得到了越来越广泛的应用；测量系统标定技术是机器视觉技术的核心之一；传统的标定手段大多是根据结构光、被测物体、CCD相机三者构成的三角位置关系，得到测量对象相对于测量基准的坐标，需要分别对CCD相机内外参数和光平面结构参数进行标定；通常情况下，需要采用标定靶进行操作，标定过程繁琐、计算复杂，而且一旦系统参数标定完成，测量系统不能任意移动，从而限制了测量效率的提升；对于被测内部空间狭小、长度长、表面特征复杂的特殊圆筒，测量系统既要在圆筒内沿轴线移动，同时要沿径向转动，因而传统标定方法难以实现快速现场标定。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种圆筒测量现场快速标定装置及方法，设计的标准标定筒能够代替测量现场实际圆筒进行标定；且标定算法应简单、高效，避免传统标定算法大量坐标变换的复杂计算，便于实现标定筒的快速标定。

本发明的圆筒测量现场快速标定装置，包括用于反映待测的测量圆筒内壁特征的标定筒；所述标定筒其内壁设置有纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，且每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽。

进一步地，还包括用于获取不同类型凹槽的多种特征图像的测量系统；所述测量系统包括用于产生多线结构光的结构光投射器，及用于圆筒内壁图像采集的CCD相机，及用于计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系并获得标定参数的处理器；所述结构光投射器和CCD相机分别与处理器电连接。

本发明的圆筒测量现场快速标定方法，包括以下步骤：

步骤一，设计标定筒，

设计研制针对不同口径圆筒的标定筒，并将其内壁分为纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽；测量系统能够根据系统标定需求获取不同类型凹槽的多种特征图像；

步骤二，基于标定筒的现场快速标定算法，

假设多线结构光受到被测物体表面矩形凹槽侧壁的遮挡，在忽略镜头畸变影响的条件下，CCD相机获取的图像中，结构光条折断成多条相互平行的光条；以光条折断点和图像边缘为边界，将图像划分为纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，记为A₀、B₀、C₀区域，其中C₀区域为光条遮挡区域；依次提取边缘分割后图像A₀、B₀区域中n条结构光条；在第i(i＝0，1，2…n)条光条提取过程中，选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i；

通过结构光投射器分别产生141条结构光条，其中，126根宽度为5μm的结构光条，14根宽度为20μm的结构光条以及1根宽度为60μm的结构光条，光条按照间隔50μm的距离平均分布；由于线结构光条数量较多，为了识别图像中发生折断偏移光条的相对位置，利用宽度为60μm和宽度为20μm结构光条对每组9根5μm的结构光条进行分隔定位，实现所有结构光条间的一一对应；通过分析光学系统成像过程可知，当同一条光条图像向左错位时，被测物体表面缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸；

以区域A₀和B₀中第i条结构光条AB和CD为例，设在图像像素坐标系OXY内任意直线的方程为y＝ax+b，则由线性最小二乘法公式(1)，分别对结构光条AB和CD进行线性拟合，得到第i条直线段方程A_ix+B_iy+C_i＝0，其中，A_i、B_i、C_i分别为拟合直线方程的系数；

提取区域A₀中拟合得到直线段A′B′的横坐标最大值x_imax和区域B₀中对应折断偏移直线段C′D′的横坐标最小值x_imin，代入对应直线段方程中，得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标B(x_imax,y_{imax_x})和C(x_imin,y_{imin_x})；

由点到直线距离公式(2)，分别计算得到特征点B(x_imax,y_{imax_x})到直线段C′D′的距离值d_Ai，同理可以得到特征点C(x_imin,y_{imin_x})到直线段A′B′的距离值d_Bi，以及两距离值的平均值d_Ci；

式中，(x_i,y_i)为区域A₀和B₀的特征点坐标；A_i、B_i、C_i分别为特征点所在直线方程的系数；

若造成结构光条图像发生折断偏移的凹槽高度差为已知值h，则由p_i＝d_Ci/h可以得到图像偏移量与被测物体表面高度差之间的线性比例系数p_i，对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，如式(3)所示，

至此，即完成了测量系统针对标准尺寸凹槽的快速标定；将标定后的测量系统伸入待测的测量圆筒内，能够获取待测的测量圆筒的内壁图像，利用标定得到的比例系数P，结合上述标定算法，即可计算反推出待测的测量圆筒内壁阴线和阳线之间的高低差。

进一步地，所述步骤二的基于标定筒的现场快速标定算法其具体操作步骤如下：

第一步，标定筒内壁图像采集；

第二步，结构光条提取，

针对采集得到的标定筒内壁特征区域图像，设置ROI区域，并将ROI区域划分为区域A₀和B₀，手动选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i进行提取和编号；提取和编号过程中，利用宽度60μm和宽度20μm结构光条，对区域A₀和区域B₀中位置发生偏移的结构光条进行一一对应；

第三步，线性拟合，

采用线性最小二乘拟合算法拟合提取到的第i条结构光条；

第四步，极值点坐标提取，

分别提取区域A₀和区域B₀中拟合直线段的极值点坐标，即提取ROI区域中图像横坐标的最大值x_max和最小值x_min，代入线性拟合直线段公式中得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标(x_max,y_{imax_x})和(x_min,y_{imin_x})；

第五步，高度差计算，

将提取到的特征点代入点到直线的传统距离公式中得到距离值(即图像高度差)d_Ai和d_Bi以及两者的均值d_Ci；

第六步，单条结构光条比例系数计算，

计算图像高度差与标定筒凹槽高度差之间的线性比例系数p_i＝d_Ci/h；

第七步，平均比例系数计算，

对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，完成测量系统现场标定后，能够利用得到的比例系统P对相同口径圆筒内壁特征区域进行实际测量。

进一步地，所述测量圆筒其内壁表面均有加工出的和其轴线具有倾斜角度的螺旋槽；所述螺旋槽其凸起部分为阳线，且其宽度为a；所述螺旋槽其凹下部分为阴线，且其宽度为b；所述测量圆筒其内径为d，通常需要测量的主要尺寸为相邻阳线与阴线的高度差。

本发明与现有技术相比较，本发明的圆筒测量现场快速标定装置及方法，利用测量系统获取标定筒内壁的结构光图像，通过比例反推算法，计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系，从而获得标定参数，为后续圆筒内壁几何特征参数的测量提供数据基础。

附图说明

图1是本发明的标定筒内部结构示意图。

图2是本发明的测量圆筒结构示意图。

图3是本发明的CCD相机获取的图像示意图。

图4是本发明的图像像素坐标系示意图。

图5是本发明的现场快速标定算法流程示意图。

具体实施方式

如图1所述的圆筒测量现场快速标定装置，包括用于反映待测的测量圆筒内壁特征的标定筒；所述标定筒其内壁设置有纵向凹槽区域A、周向凹槽区域B和光滑区域C，且每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽。

还包括用于获取不同类型凹槽的多种特征图像的测量系统；所述测量系统包括用于产生多线结构光的结构光投射器，及用于圆筒内壁图像采集的CCD相机，及用于计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系并获得标定参数的处理器；所述结构光投射器和CCD相机分别与处理器电连接。

如图2所示，所述测量圆筒其内壁表面均有加工出的和其轴线具有倾斜角度的螺旋槽；所述螺旋槽其凸起部分为阳线，且其宽度为a；所述螺旋槽其凹下部分为阴线，且其宽度为b；所述测量圆筒其内径为d。

一种圆筒测量现场快速标定方法，包括以下步骤：

步骤一，设计标定筒，

设计研制针对不同口径圆筒的标定筒，并将其内壁分为纵向凹槽区域A、周向凹槽区域B和光滑区域C，每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽；测量系统能够根据系统标定需求获取不同类型凹槽的多种特征图像；

步骤二，基于标定筒的现场快速标定算法，

假设多线结构光受到被测物体表面矩形凹槽侧壁的遮挡，在忽略镜头畸变影响的条件下，如图3所示，CCD相机获取的图像中，结构光条折断成多条相互平行的光条；以光条折断点和图像边缘为边界，将图像划分为纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，记为A₀、B₀、C₀区域，其中C₀区域为光条遮挡区域；依次提取边缘分割后图像A₀、B₀区域中n条结构光条；在第i(i＝0，1，2…n)条光条提取过程中，选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i；

通过结构光投射器分别产生141条结构光条，其中，126根宽度为5μm的结构光条，14根宽度为20μm的结构光条以及1根宽度为60μm的结构光条，光条按照间隔50μm的距离平均分布；由于线结构光条数量较多，为了识别图像中发生折断偏移光条的相对位置，利用宽度为60μm和宽度为20μm结构光条对每组9根5μm的结构光条进行分隔定位，实现所有结构光条间的一一对应；通过分析光学系统成像过程可知，当同一条光条图像向左错位时，被测物体表面缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸；

如图4所示，以区域A₀和B₀中第i条结构光条AB和CD为例，设在图像像素坐标系OXY内任意直线的方程为y＝ax+b，则由线性最小二乘法公式(1)，分别对结构光条AB和CD进行线性拟合，得到第i条直线段方程A_ix+B_iy+C_i＝0，其中，A_i、B_i、C_i分别为拟合直线方程的系数；

提取区域A₀中拟合得到直线段A′B′的横坐标最大值x_imax和区域B₀中对应折断偏移直线段C′D′的横坐标最小值x_imin，代入对应直线段方程中，得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标B(x_imax,y_{imax_x})和C(x_imin,y_{imin_x})；

由点到直线距离公式(2)，分别计算得到特征点B(x_imax,y_{imax_x})到直线段C′D′的距离值d_Ai，同理可以得到特征点C(x_imin,y_{imin_x})到直线段A′B′的距离值d_Bi，以及两距离值的平均值d_Ci；

式中，(x_i,y_i)为区域A₀和B₀的特征点坐标；A_i、B_i、C_i分别为特征点所在直线方程的系数；

若造成结构光条图像发生折断偏移的凹槽高度差为已知值h，则由p_i＝d_Ci/h可以得到图像偏移量与被测物体表面高度差之间的线性比例系数p_i，对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，如式(3)所示，

至此，即完成了测量系统针对标准尺寸凹槽的快速标定；将标定后的测量系统伸入待测的测量圆筒内，能够获取待测的测量圆筒的内壁图像，利用标定得到的比例系数P，结合上述标定算法，即可计算反推出待测的测量圆筒内壁阴线和阳线之间的高低差。

如图5所示，所述步骤二的基于标定筒的现场快速标定算法其具体操作步骤如下：

第一步，标定筒内壁图像采集；

第二步，结构光条提取，

针对采集得到的标定筒内壁特征区域图像，设置ROI区域，并将ROI区域划分为区域A₀和B₀，手动选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i进行提取和编号；提取和编号过程中，利用宽度60μm和宽度20μm结构光条，对区域A₀和区域B₀中位置发生偏移的结构光条进行一一对应；

第三步，线性拟合，

采用线性最小二乘拟合算法拟合提取到的第i条结构光条；

第四步，极值点坐标提取，

分别提取区域A₀和区域B₀中拟合直线段的极值点坐标，即提取ROI区域中图像横坐标的最大值x_max和最小值x_min，代入线性拟合直线段公式中得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标(x_max,y_{imax_x})和(x_min,y_{imin_x})；

第五步，高度差计算，

将提取到的特征点代入点到直线的传统距离公式中得到距离值(即图像高度差)d_Ai和d_Bi以及两者的均值d_Ci；

第六步，单条结构光条比例系数计算，

计算图像高度差与标定筒凹槽高度差之间的线性比例系数p_i＝d_Ci/h；

第七步，平均比例系数计算，

对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，完成测量系统现场标定后，能够利用得到的比例系统P对相同口径圆筒内壁特征区域进行实际测量。

本发明提出了一种基于标定筒的多线结构光单目视觉测量系统快速标定方法，利用测量系统获取标定筒内壁的结构光图像，通过比例反推算法，计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系，从而获得标定参数，为后续圆筒内壁几何特征参数的测量提供数据基础。

上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种圆筒测量现场快速标定装置，其特征在于：包括用于反映待测的测量圆筒内壁特征的标定筒；所述标定筒其内壁设置有纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，且每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽。

2.根据权利要求1所述的圆筒测量现场快速标定装置，其特征在于：还包括用于获取不同类型凹槽的多种特征图像的测量系统；所述测量系统包括用于产生多线结构光的结构光投射器，及用于圆筒内壁图像采集的CCD相机，及用于计算得到圆筒内壁图像高度差和实际凹槽高度差之间的线性关系并获得标定参数的处理器；所述结构光投射器和CCD相机分别与处理器电连接。

3.一种圆筒测量现场快速标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，设计标定筒，

设计研制针对不同口径圆筒的标定筒，并将其内壁分为纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，每个区域包含不同深度尺寸和结构类型的凹槽；测量系统能够根据系统标定需求获取不同类型凹槽的多种特征图像；

步骤二，基于标定筒的现场快速标定算法，

假设多线结构光受到被测物体表面矩形凹槽侧壁的遮挡，在忽略镜头畸变影响的条件下，CCD相机获取的图像中，结构光条折断成多条相互平行的光条；以光条折断点和图像边缘为边界，将图像划分为纵向凹槽区域、周向凹槽区域和光滑区域，记为A₀、B₀、C₀区域，其中C₀区域为光条遮挡区域；依次提取边缘分割后图像A₀、B₀区域中n条结构光条；在第i(i＝0，1，2…n)条光条提取过程中，选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i；

通过结构光投射器分别产生141条结构光条，其中，126根宽度为5μm的结构光条，14根宽度为20μm的结构光条以及1根宽度为60μm的结构光条，光条按照间隔50μm的距离平均分布；由于线结构光条数量较多，为了识别图像中发生折断偏移光条的相对位置，利用宽度为60μm和宽度为20μm结构光条对每组9根5μm的结构光条进行分隔定位，实现所有结构光条间的一一对应；通过分析光学系统成像过程可知，当同一条光条图像向左错位时，被测物体表面缺陷为凹，向右错位时，缺陷为凸；

以区域A₀和B₀中第i条结构光条AB和CD为例，设在图像像素坐标系OXY内任意直线的方程为y＝ax+b，则由线性最小二乘法公式(1)，分别对结构光条AB和CD进行线性拟合，得到第i条直线段方程A_ix+B_iy+C_i＝0，其中，A_i、B_i、C_i分别为拟合直线方程的系数；

提取区域A₀中拟合得到直线段A′B′的横坐标最大值x_imax和区域B₀中对应折断偏移直线段C′D′的横坐标最小值x_imin，代入对应直线段方程中，得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标B(x_imax,y_{imax_x})和C(x_imin,y_{imin_x})；

由点到直线距离公式(2)，分别计算得到特征点B(x_imax,y_{imax_x})到直线段C′D′的距离值d_Ai，同理可以得到特征点C(x_imin,y_{imin_x})到直线段A′B′的距离值d_Bi，以及两距离值的平均值d_Ci；

式中，(x_i,y_i)为区域A₀和B₀的特征点坐标；A_i、B_i、C_i分别为特征点所在直线方程的系数；

若造成结构光条图像发生折断偏移的凹槽高度差为已知值h，则由p_i＝d_Ci/h可以得到图像偏移量与被测物体表面高度差之间的线性比例系数p_i，对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，如式(3)所示，

至此，即完成了测量系统针对标准尺寸凹槽的快速标定；将标定后的测量系统伸入待测的测量圆筒内，能够获取待测的测量圆筒的内壁图像，利用标定得到的比例系数P，结合上述标定算法，即可计算反推出待测的测量圆筒内壁阴线和阳线之间的高低差。

4.根据权利要求3所述的圆筒测量现场快速标定方法，其特征在于：所述步骤二的基于标定筒的现场快速标定算法其具体操作步骤如下：

第一步，标定筒内壁图像采集；

第二步，结构光条提取，

针对采集得到的标定筒内壁特征区域图像，设置ROI区域，并将ROI区域划分为区域A₀和B₀，手动选择向量大小相等的行序列号c_i和列序列号r_i进行提取和编号；提取和编号过程中，利用宽度60μm和宽度20μm结构光条，对区域A₀和区域B₀中位置发生偏移的结构光条进行一一对应；

第三步，线性拟合，

采用线性最小二乘拟合算法拟合提取到的第i条结构光条；

第四步，极值点坐标提取，

分别提取区域A₀和区域B₀中拟合直线段的极值点坐标，即提取ROI区域中图像横坐标的最大值x_max和最小值x_min，代入线性拟合直线段公式中得到横坐标极值条件下的纵坐标y_{imax_x}和y_{imin_x}，从而得到结构光条在区域A₀和B₀边界折断处的极值坐标(x_max,y_{imax_x})和(x_min,y_{imin_x})；

第五步，高度差计算，

将提取到的特征点代入点到直线的传统距离公式中得到距离值d_Ai和d_Bi以及两者的均值d_Ci；

第六步，单条结构光条比例系数计算，

计算图像高度差与标定筒凹槽高度差之间的线性比例系数p_i＝d_Ci/h；

第七步，平均比例系数计算，

对提取的i条结构光条得到的比例系数取均值，即可得到图像中光条折断偏移量与被测物体实际高度差的比例系数P，完成测量系统现场标定后，能够利用得到的比例系统P对相同口径圆筒内壁特征区域进行实际测量。

5.根据权利要求1所述的圆筒测量现场快速标定方法，其特征在于：所述测量圆筒其内壁表面均有加工出的和其轴线具有倾斜角度的螺旋槽；所述螺旋槽其凸起部分为阳线；所述螺旋槽其凹下部分为阴线。