CN109945792A - 一种高反光圆柱体的直径测量方法、装置以及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高反光圆柱体的直径测量方法、装置以及使用方法，其首先利用拍摄装置获得待测圆柱体的原始图像，然后将待测圆柱体的原始图像转化为灰度图像；利用经典边缘检测算法对灰度图像进行边缘检测，得到待测圆柱体上边缘的轮廓线；再利用改进的二次曲线拟合亚像素边缘检测方法进行边缘定位，得到亚像素级边缘；再采用主元素分析法对边缘轮廓线进行曲线拟合，得到待测圆柱体上边缘成像位置H；然后选取标准圆柱体，根据公式获得待测圆柱体的直径。本发明具有测量快速、结果准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及计算机视觉检测领域，具体来说，是涉及视觉测量高反光圆柱体技术领域。
背景技术
在工业生产中有很多圆柱体的零件，而且其中有很多零件都是金属制造的，有的还要在圆柱体外镀上光滑的金属膜，以达到抗腐蚀、防生锈、美观等目的。随着科技的发展和进步，对于这些圆柱体的直径加工精度有着越来越苛刻的要求。同样，如何有效地准确地测量这些圆柱体零件的直径也越来越重要。这些零件一般都不适合用传统接触式测量方法测量，因为接触式测量的过程中会不可避免的对金属镀膜造成磨损甚至损伤金属膜，从而对金属膜的作用产生影响。所以，高精度非接触测量技术显得尤为重要。相对传统测量检验方法，光学视觉技术测量具有无接触、快速、准确和智能化的优点。高反光圆柱体由于自身的反射特性，用普通的光学测量系统无法实现精确的测量，而远心光学测量系统能够很大程度上减小边缘误差，消除物距变化的影响，有效地改善机器视觉测量系统的光学成像质量，提高测量的精度。通过远心光学成像系统，既可以省去复杂的实时自动对焦系统，降低软件设计的难度，又能够很好地克服由于待测物体不规则而造成的成像模糊而产生的测量误差，特别适合于测量具有一定厚度的物体或测量圆柱体的直径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高反光圆柱体的直径测量方法、装置以及使用方法，其具有测量快速、结果准确的优点。
所述的一种高反光圆柱体的直径测量方法，其技术方案在于：首先利用拍摄装置获得待测圆柱体的原始图像，然后将待测圆柱体的原始图像转化为灰度图像；利用经典边缘检测算法对灰度图像进行边缘检测，得到待测圆柱体上边缘的轮廓线；再利用改进的二次曲线拟合亚像素边缘检测方法进行边缘定位，得到亚像素级边缘；再采用主元素分析法对边缘轮廓线进行曲线拟合，得到待测圆柱体上边缘成像位置H；然后选取标准圆柱体，根据下述公式获得待测圆柱体的直径；
D＝D0+A1*(H-H0)+A2；
其中，待测圆柱体的直径为D；标准圆柱体的直径为D0；标准圆柱体的上边缘图像位置为H0；A1、A2通过系统标定确定具体数值；待测上边缘成像位置H。
所述的一种高反光圆柱体直径测量装置，包括设置在待测圆柱体径向两侧的支架、设置在支架上的水平板、设置在水平板上的用于对待测圆柱体进行拍摄的图像采集装置以及用于接收图像采集装置数据的计算机，其技术方案在于：待测圆柱体设置在用于轴向水平移动该待测圆柱体的移动机构上；该移动机构包括用于放置待测圆柱体的V型传送带和用于驱动V型传送带带动待测圆柱体轴向水平移动的驱动电机；计算机通过数据线与驱动电机连接，用于控制驱动电机的启停。
本发明所带来的有益效果为：本发明通过计算机控制V型传送带匀速运动，当待测圆柱体运动至采集范围内时，与计算机相连的工业相机实时采集待测圆柱体上边缘图像信息，存入计算机，待采集到整个待测物体信息后，经过图像处理算法，获取待测物体直径，实现对圆柱体的高精度、高效率、高稳定性的测量。三角支架上装有可以调整位置的气缸，使得装置可以适用于测量不同尺寸的圆柱体。本发明结构简单，测量方法过程少，运算量小，具有测量快速、结果准确的优点。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为图1的左视图。
图3为图1的右视图。
图4为利用V型槽测量圆柱体直径的测量原理图。
图5为V型传送带驱动示意图。
图6为边缘点及其像素点示意图。
图7为135°方向的相邻像素点示意图。
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付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。
具体实施例I：如图1～5，一种高反光圆柱体直径测量装置，其技术方案在于：包括左三脚架8、右三脚架4、水平设置在左三脚架8、右三脚架4之间的安装板1以及设置在左三脚架8和/或右三脚架4上的用于调整安装板1两端对地距离的调整机构；其中，安装板1上设置有能够随安装板1移动的工业相机2；该工业相机2通过数据线与计算机9相连。调整机构包括分别设置在左三脚架8和右三脚架4上的左气缸11和右气缸10；所述左气缸11和右气缸10均通过数据线与计算机9相连。待测圆柱体设置在用于轴向水平移动该待测圆柱体的移动机构上；该移动机构设置在左三脚架8、右三脚架4之间，包括用于放置待测圆柱体的V型传送带7和用于驱动V型传送带7带动待测圆柱体轴向水平移动的驱动电机12；计算机9通过数据线与驱动电机12连接，用于控制驱动电机12的启停。
其中，所述的V型传送带7为接触待测圆柱体的一侧设置有V型槽；V型槽的相对侧设置有齿条B；驱动电机12的输出端连接有齿轮A；该齿轮A与V型传送带7上的齿条B啮合；由驱动电机12控制V型传送带7匀速移动。
左气缸11和右气缸10可以调整安装板1的水平或者距地距离，用于适合多种直径的高反光圆柱体测量。
各部分的作用是：
1、安装板1，安装板1是具有一定加工精度的平行设置安装板1，用于固定工业相机2、远心镜头3以及平行背光源5，安装在左三角架8和右三角架4上，可以在左气缸11和右气缸10的驱动下调整距地高度；
2、工业相机2：固定在安装板1上，该工业相机2的选择根据镜头参数选定，输出方式为Gig千兆以太网输出，接口为与选择的远心镜头3接口一致，与计算机9主机进行通信。
3、远心镜头3：选用双远心镜头，其入瞳孔径、放大倍率、景深、工作距离、远心度、畸变率、相机接口根据待测圆柱体直径选择合适的镜头；
4、右三角架4，大小与左三角架8一致。
5、平行背光源5：固定在安装板1上，根据远心镜头3选择合适的大小。
6、待测圆柱体6，放置在V型槽传送带7上。
7、V型槽传送带7，放在右三角架4和左三角架8之间，用于放置待测量的圆柱体，在驱动电机12的驱动下做匀速运动。
8、计算机8，与工业相机2、驱动电机12相连，并安装有测量系统，控制驱动电机12驱动V型槽传送带7做匀速运动，与工业相机2相连，对采集的图片进行图像处理，并进行圆柱体的直径计算。
9、右气缸10，安装在右三角架4上，与左气缸11配套共同调整安装板1的高度，使本申请可以测量不同尺寸的圆柱体直径。
10、左气缸11，安装在左三角架8上，与右气缸10配套共同调整安装板1的高度，使本申请可以测量不同尺寸的圆柱体直径。
如上所述的高反光圆柱体直径测量装置的测量过程是：
s1、将安装板1水平设置在支架上；
s2、将图像采集装置固定在安装板1上，并与计算机9进行通信；
s3、待测圆柱体放置在V型槽传送带7上；
s4、V型槽传送带7带动待测圆柱体轴向方向匀速运动；
s5、计算机9采集图像采集装置输出的数据，获得待测圆柱体的直径。
对采集到的图像进行处理最终得到待测高反光圆柱体直径的过程是：
一)建立测量模型
待测圆柱体放在V型槽上，如图4所示，不同圆柱直径ΔD引起不同的高度差Δh，其对应的关系式为：
其中，θ为V型槽夹角的一半，k为ΔD和Δh相关的一阶系数。
图像采集的两圆柱的边缘像素差ΔH和实际高度差Δh之间存在的关系式为：
Δh＝k1*ΔH+k2 (2)
由公式(1)和(2)可以得到两圆实际柱像素差ΔH和两圆柱实际半径差ΔD之间的关系式：
ΔD＝A1*ΔH+A2 (3)
其中，A1和A2可以通过系统标定确定具体数值。
当已知直径D0圆柱的上边缘图像位置H0，根据上述的测量原理，由任意圆柱的上边缘成像位置H可以求解其直径D：
D＝D0+A1*(H-H0)+A2 (4)
二)标定系统参数
采集多个已知直径Di的圆柱上边缘，获取其对应的图像像素位置信息Hi,得到一系列的ΔDi和ΔHi，带入公式(3)可以得到关于A1和A2的方程组，利用最小二乘法对参数进行求解，从而得到标定的系统参数。
三)提取图像像素位置信息
采集圆柱上边缘图像，对采集的图像按照以下步骤进行图像处理，提取图像像素位置信息。
1.将原始图像转化为灰度图像。
利用经典边缘检测算法—Canny算法对灰度图像进行边缘检测，得到圆柱上边缘的轮廓线。
2.利用改进的二次曲线拟合方法，进行边缘检测，得到亚像素级边缘。
3.采用主元素分析法对边缘轮廓线进行曲线拟合。
具体的，改进的二次曲线拟合方法：
图像边缘的灰度值变化是成高斯分布的，高斯曲线的顶点坐标值对应于目标图像边缘像素点的精确位置。
二维高斯曲线的表达式为：
式中，μ为均值，σ为标准差。
对公式(5)两边取对数，可以得到：
这是关于x的二次曲线，利用取对数后的值进行抛物线拟合，然后求出此抛物线的顶点坐标，进而求出高斯曲线顶点的坐标。
设二次曲线的形式为：
y*＝Ax2+Bx+C (7)
每个像素的输出值为：
令差分值最大点的序号为0，此点的灰度值用f0表示，利用Canny算子求出它的值，差分值最大点的相邻两个点的序号分别用-1和1表示，与其对应的灰度值用f-1和f1表示，可求出三个像素输出的灰度值为：
同样可得，
通过公式9～11，可接触A、B、C的表达式为：
抛物线顶点横坐标值为由公式(12)可以得到抛物线的顶点坐标：
将公式13的像素灰度值用对数值代替，即得到了亚像素边缘提取的表达式：
边缘点的相邻像素点按4个方向围绕在边缘点周围，即0°方向，45°方向，90°方向和135°方向。边缘点及边缘点的相邻像素点表示如图6所示。本专利所采用的改进的曲线拟合亚像素边缘检测方法在进行边缘定位时，是采用135°方向图7进行选取的，即f1和f-1对应的分别为f(i-1，j-1)和(i+1，j+1)。
主元素分析法：
主元素分析法计算依据构造协方差矩阵：
其中cov(x，y)等为轮廓数据各类二元协方差，求解C的特征值和特征向量，找到其中最小的特征值对应的特征向量，即为要拟合直线的法向量将中心点坐标带入直线方程n1x+n2y+d＝0，可以确定直线方程的第3个分量。
四)实施过程
1.高反光圆柱体直径测量装置安装完成后，首先进行系统参数标定。采集多个已知直径的圆柱上边缘，通过上述三所述的方法提取圆柱上边缘的亚像素边缘，并用主元素分析法进行拟合，得到一系列的直径值与像素值，带入公式(3)可以得到关于A1和A2的方程组，利用最小二乘法对参数进行求解，从而得到标定的系统参数。将系统参数存入计算机中的测量系统，并将其中一组标准圆柱的直径以及像素值存入计算机的测量系统。
2.测量圆柱体直径。打开计算机9，工业相机2，驱动电机12等。用计算机1控制V型槽传送带7作匀速运动，工业相机2以一定频率采集图片。计算机9对采集的图片进行图像处理，按照上述三所述的方法提取圆柱上边缘的亚像素级边缘，并进行存储，待采集完整个圆柱的上边缘信息后，按照上述步骤三所述的主元素分析法进行拟合。进而利用存入计算机测量系统中标准圆柱的直径和像素值，带入公式(4)，得到测量的圆柱直径。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高反光圆柱体的直径测量方法，其特征在于：首先利用拍摄装置获得待测圆柱体的原始图像，然后将待测圆柱体的原始图像转化为灰度图像；利用经典边缘检测算法对灰度图像进行边缘检测，得到待测圆柱体上边缘的轮廓线；再利用改进的二次曲线拟合亚像素边缘检测方法进行边缘定位，得到亚像素级边缘；再采用主元素分析法对边缘轮廓线进行曲线拟合，得到待测圆柱体上边缘成像位置H；然后选取标准圆柱体，根据下述公式获得待测圆柱体的直径；
D＝D0+A1*(H-H0)+A2；
其中，待测圆柱体的直径为D；标准圆柱体的直径为D0；标准圆柱体的上边缘图像位置为H0；A1、A2通过系统标定确定具体数值；待测上边缘成像位置H。
2.根据权利要求1所述的一种高反光圆柱体的直径测量方法，其特征在于：所述的改进的二次曲线拟合亚像素边缘检测方法的具体步骤是：根据待测圆柱体上边缘的轮廓线的图像边缘灰度值变化呈现成高斯分布，高斯曲线的顶点坐标值对应于目标图像边缘像素点的精确位置；在进行边缘定位时，是采用围绕边缘点135°方向的像素点进行计算，从而得到亚像素级的边缘，其计算公式为：
其中，xg为得到的亚像素级边缘点，f0为边缘像素点f(i，j)，f1和f-1对应的分别为像素点f(i-1，j-1)和f(i+1，j+1)。
3.根据权利要求1所述的一种高反光圆柱体的直径测量方法，其特征在于：对所得到的亚像素边缘用主元素分析法进行直线拟合，所述的主元素分析法的步骤是：构造协方差矩阵，求解协方差矩阵的特征值和特征向量，找到其中最小的特征值对应的特征向量，确定为要拟合直线的法向量，再利用边缘的中心点坐标，可得到要拟合的直线方程，从而得到上边缘成像位置H。
4.一种高反光圆柱体直径测量装置，包括设置在待测圆柱体径向两侧的支架、设置在支架上的水平板、设置在水平板上的用于对待测圆柱体进行拍摄的图像采集装置以及用于接收图像采集装置数据的计算机(9)，其特征在于：待测圆柱体设置在用于轴向水平移动该待测圆柱体的移动机构上；
该移动机构包括用于放置待测圆柱体的V型传送带(7)和用于驱动V型传送带(7)带动待测圆柱体轴向水平移动的驱动电机(12)；
计算机(9)通过数据线与驱动电机(12)连接，用于控制驱动电机(12)的启停。
5.根据权利要求4所述的一种高反光圆柱体直径测量装置，其特征在于：V型传送带(7)的V型面相对侧设置有齿条；驱动电机(12)的输出端设置有与V型传送带(7)上的齿条对应的齿轮。
6.根据权利要求4所述的一种高反光圆柱体直径测量装置，其特征在于：包括左三脚架(8)、右三脚架(4)、水平设置在左三脚架(8)、右三脚架(4)之间的安装板(1)以及设置在左三脚架(8)和/或右三脚架(4)上的用于调整安装板(1)两端对地距离的调整机构；
其中，安装板(1)上设置有能够随安装板(1)移动的工业相机(2)；该工业相机(2)通过数据线与计算机(9)相连。
7.根据权利要求6所述的一种高反光圆柱体直径测量装置，其特征在于：调整机构包括分别设置在左三脚架(8)和右三脚架(4)上的左气缸(11)和右气缸(10)；所述左气缸(11)和右气缸(10)均通过数据线与计算机(9)相连。
8.一种如权利要求4所述的高反光圆柱体直径测量装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
s1、将安装板(1)水平设置在支架上；
s2、将图像采集装置固定在安装板(1)上，并与计算机(9)进行通信；
s3、待测圆柱体放置在V型槽传送带(7)上；
s4、V型槽传送带(7)带动待测圆柱体轴向方向匀速运动；
s5、计算机(9)采集图像采集装置输出的数据，获得待测圆柱体的直径。
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