CN109712139A - 基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其通过线性运动模组和图像采集系统之间的配合，实现了工件的3D外形轮廓复原和尺寸测量，在保证测量效率的同时，显著降低了成本。将单目相机设置于线性运动模组的正上方，单目相机的选取镜头面域覆盖范围内线性运动模组的线性前进方向的不同位置两点分别拍摄工件在对应位置的两幅图像，之后根据两幅图像通过外接的处理器部分进行重构工件三维尺寸。

Description

基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法
技术领域
本发明涉及三维测量的技术领域，具体为基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法。
背景技术
工件3D尺寸测量是机器视觉在工业领域的重要应用，目前使用的设备主要有线激光测量传感器、结构光测量传感器和双目视觉传感器。
其中，线激光传感器测量时每幅图像仅能获得工件的单一截面轮廓线，对于快速流水线上的工件，其在工件运动方向很难同时实现高精度的测量分辨率和测量速度；结构光测量传感器的标定过程复杂，测量过程需要工件静止不动，不适用于流水线工件测量，因此一般用于静止工件的测量；双目视觉传感器一次成像即可获得整个工件的3D轮廓，适合高速的流水线上的工件3D尺寸测量，但是其设备成本高昂。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其通过线性运动模组和图像采集系统之间的配合，实现了工件的3D外形轮廓复原和尺寸测量，在保证测量效率的同时，显著降低了成本。
基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于，将单目相机设置于线性运动模组的正上方，单目相机的选取镜头面域覆盖范围内线性运动模组的线性前进方向的不同位置两点分别拍摄工件在对应位置的两幅图像，之后根据两幅图像通过外接的处理器部分进行重构工件三维尺寸，重构工件三维尺寸时，其包括如下步骤：
a根据单目相机的标定文件，对两幅图像做畸变校正；
b使用特征点匹配、相位匹配、区域匹配的成熟的图像处理算法匹配两幅图像中的工件，建立两幅图像像素之间的位置对应关系；
c根据两幅图像中工件的成像构建实际平面、单目相机光学孔径中心、成像平面所示的物像关系，分别求解工件表面不同特征点的三维空间坐标；
d根据步骤c中求得的点云数据重构工件的三维模型，并测量工件的三维尺寸。
其进一步特征在于：
工件置于线性运动模组上，并随线性运动模组做直线运动，当工件在第一位置处时，单目相机拍摄第一副图像，记为I1；当工件运动至第二位置处时，单目相机拍摄第二幅图像，记为I2；
步骤c中，所有图像的坐标系的原点为单目相机光学孔径中心垂直于成像平面的点，之后构建成像平面的XY坐标系，将工件表面的特征点R所对应于第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)、第二幅图像I2位置坐标P2(X2,Y2)提取出，同时通过线性运动模组上的位置编码器获得两幅图像之间所对应工件的实际运动长度L，获得单目相机光学孔径中心和成像平面的距离f，之后通过构建工件对应于第一幅图像I1和第二幅图像I2的成像光学图，第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)获得对应的第一光学成角θ1，第二幅图像I2的位置P1(X1,Y1)获得对应的第二光学成角θ2，之后利用三角函数关系获得单目相机光学孔径中心和特征点的实际垂直向距离H，H的表达式如下，
在得到垂直向距离H后，根据(X1,Y1)和(X2,Y2)两个坐标、结合几何关系，求得特征点R的相对于实际平面的坐标(X,Y)，从而获得点R的三维坐标；
特征点R的Z向坐标0点即为单目相机光学孔径中心所在的高度位置；
当线性模组的定位精度为Aum，光学系统的视场角为α，由于两个图片的间隔角度不大于α，则计算精度满足如下公式：该方法的定位精度与单目相机的分辨率和放大倍率相关，分辨率越高、放大倍率约小，则R的坐标位置的定位精度越高。
此方法结合线性模组和单目相机，实现了流水线工件的在线测量，相比于线激光、结构光和双目视觉测量系统有以下优点：
1单个工件的测量仅需拍摄两幅图像，数据量小，对于同样速度的流水线，对于相机帧率要求远低于线激光方法；
2可以对运动工件进行测量，适合流水线工件的测量，优于结构光测量方法；
3使用流水线上的高精度位置编码器作为测量基准，使用单目相机实现了高精度的3D测量，相比于双目视觉成本更低。
附图说明
图1为本发明的方法结构示意简图；
图2为两幅图像成像过程光路图；；
图3为特征点和对应的成像点的几何关系构建图。
具体实施方式
基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，见图1-图3，将单目相机1设置于线性运动模组2的正上方，单目相机1的选取镜头面域覆盖范围内线性运动模组的线性前进方向的不同位置两点分别拍摄工件在对应位置的两幅图像，之后根据两幅图像通过外接的处理器部分进行重构工件三维尺寸，重构工件三维尺寸时，其包括如下步骤：
a根据单目相机的标定文件，对两幅图像做畸变校正；
b使用特征点匹配、相位匹配、区域匹配的成熟的图像处理算法匹配两幅图像中的工件，建立两幅图像像素之间的位置对应关系；
c根据两幅图像中工件的成像构建实际平面5、单目相机光学孔径中心O所在平面1-2、成像平面1-1所示的物像关系，分别求解工件表面不同特征点的三维空间坐标；
d根据步骤c中求得的点云数据重构工件的三维模型，并测量工件的三维尺寸。
工件置于线性运动模组上，并随线性运动模组做直线运动，当工件在第一位置3处时，单目相机拍摄第一副图像，记为I1；当工件运动至第二位置4处时，单目相机拍摄第二幅图像，记为I2；
步骤c中，所有图像的坐标系的原点为单目相机光学孔径中心O垂直于成像平面的点，之后构建成像平面的XY坐标系，将工件表面的特征点R所对应于第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)、第二幅图像I2位置坐标P2(X2,Y2)提取出，同时通过线性运动模组上的位置编码器获得两幅图像之间所对应工件的实际运动长度L，获得单目相机光学孔径中心和成像平面的距离f，之后通过构建工件对应于第一幅图像I1和第二幅图像I2的成像光学图，第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)获得对应的第一光学成角θ1，第二幅图像I2的位置P1(X1,Y1)获得对应的第二光学成角θ2，之后利用三角函数关系获得单目相机光学孔径中心和特征点的实际垂直向距离H，H的表达式如下，
在得到垂直向距离H后，根据(X1,Y1)和(X2,Y2)两个坐标、结合几何关系，求得特征点R的相对于实际平面的坐标(X,Y)，从而获得点R的三维坐标；
特征点R的Z向坐标0点即为单目相机光学孔径中心所在的高度位置；
现有线性模组的定位精度为Aum，光学系统的视场角为α，由于两个图片的间隔角度不大于α，则系统的精度满足如下公式：该方法的定位精度与单目相机的分辨率和放大倍率相关，分辨率越高、放大倍率约小，则R的坐标位置的定位精度越高。
具体实施例，线性运动模组的定位精度为5um，光学系统的视场角为50°，由于两个图片的间隔角度不大于50°，则系统的精度满足如下公式：
步骤3中根据两幅图像中工件的成像构建实际平面、单目相机光学孔径中心、成像平面所示的物像关系、见图2、图3，分别求解工件表面不同特征点的三维空间坐标；
设工件上表面有一点R，在第一位置处，R点在图像I1上的位置为P1(X1,Y1)，在第二位置处时，R点在图像I2上的位置为P2(X2,Y2)，P1和P2的述坐标尺寸通过在成像平面1-1上进行坐标标定即可获得，工件的表面点R与像面中心连线在工件运动方向运动的距离在成像平面上投影长度为Y1，由于已知两幅图像之间所对应工件的实际运动长度L，单目相机光学孔径中心和成像平面的距离f，由Y1求解∠O’OR’的角度值θ1；同理，可以求得角度值θ2。
求得θ1和θ2后，根据图3中的几何关系，可以得到高度H。
在得到高度H后，根据(X1,Y1)和(X2,Y2)，可以求得点R的相对于O’的坐标(X,Y)，从而获得点R的三维坐标；特征点R的Z向坐标0点即为单目相机光学孔径中心所在的高度位置。
进而获得所有特征点的对应三维坐标，通过求得的点云数据重构工件的三维模型，并测量工件的三维尺寸。
其通过线性运动模组和图像采集系统之间的配合，实现了工件的3D外形轮廓复原和尺寸测量，在保证测量效率的同时，显著降低了成本。
以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于，将单目相机设置于线性运动模组的正上方，单目相机的选取镜头面域覆盖范围内线性运动模组的线性前进方向的不同位置两点分别拍摄工件在对应位置的两幅图像，之后根据两幅图像通过外接的处理器部分进行重构工件三维尺寸，重构工件三维尺寸时，其包括如下步骤：
a根据单目相机的标定文件，对两幅图像做畸变校正；
b使用特征点匹配、相位匹配、区域匹配的成熟的图像处理算法匹配两幅图像中的工件，建立两幅图像像素之间的位置对应关系；
c根据两幅图像中工件的成像构建实际平面、单目相机光学孔径中心、成像平面所示的物像关系，分别求解工件表面不同特征点的三维空间坐标；
d根据步骤c中求得的点云数据重构工件的三维模型，并测量工件的三维尺寸。
2.如权利要求1所述的基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于：工件置于线性运动模组上，并随线性运动模组做直线运动，当工件在第一位置处时，单目相机拍摄第一副图像，记为I1；当工件运动至第二位置处时，单目相机拍摄第二幅图像，记为I2。
3.如权利要求2所述的基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于：步骤c中，所有图像的坐标系的原点为单目相机光学孔径中心垂直于成像平面的点，之后构建成像平面的XY坐标系，将工件表面的特征点R所对应于第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)、第二幅图像I2位置坐标P2(X2,Y2)提取出，同时通过线性运动模组上的位置编码器获得两幅图像之间所对应工件的实际运动长度L，获得单目相机光学孔径中心和成像平面的距离f，之后通过构建工件对应于第一幅图像I1和第二幅图像I2的成像光学图，第一幅图像I1的位置P1(X1,Y1)获得对应的第一光学成角θ1，第二幅图像I2的位置P1(X1,Y1)获得对应的第二光学成角θ2，之后利用三角函数关系获得单目相机光学孔径中心和特征点的实际垂直向距离H，H的表达式如下，
在得到垂直向距离H后，根据(X1,Y1)和(X2,Y2)两个坐标、结合几何关系，求得特征点R的相对于实际平面的坐标(X,Y)，从而获得点R的三维坐标。
4.如权利要求3所述的基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于：特征点R的Z向坐标0点即为单目相机光学孔径中心所在的高度位置。
5.如权利要求3所述的基于线性运动模组的单目视觉的尺寸测量方法，其特征在于：当线性模组的定位精度为Aum，光学系统的视场角为α，由于两个图片的间隔角度不大于α，则计算精度满足如下公式：该方法的定位精度与单目相机的分辨率和放大倍率相关，分辨率越高、放大倍率约小，则R的坐标位置的定位精度越高。
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