CN110567345A - 基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量方法与系统，包括图像采集设备、显示器、主机、激光投影器、被测管材和支架。测量原理：投影器向被测管材表面投射特征标记物；利用图像采集设备获取管材表面图像信息；提取柱面上特征标记物和截面轮廓特征，进行特征匹配，并恢复管材柱面和截面的空间位置信息；对柱面进行拟合，确定柱面的轴向向量；计算截面轮廓在柱面轴向平面上的投影；过投影轮廓中心的直线与投影轮廓的一侧交于两点，则这两点之间距离即为被测管材截面实际壁厚值。有益效果是该系统设备简单，成本低，非接触式测量，数据处理速度快，测量结果精度高。

Description

基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量方法与系统
技术领域
本发明涉及厚度测量工具领域，具体涉及一种基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量方法与系统。
背景技术
随着工业的发展，管材广泛应用于石油、造船、水电、化工、建筑、机械制造等领域。管材的壁厚是管材的尺寸指标之一，对管材的机械性能有着重要影响。例如，根据《JGJ130-2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定，钢管脚手架截面的直径和壁厚尺寸应当采用Φ48mm×3.5mm或者Φ51mm×3.0mm的规定。但现在许多生产厂家由于生产工艺粗糙造成管材壁厚不均或为了节省成本降低壁厚，造成市场管材质量参差不齐。如果使用的钢管壁厚不符合国家规定，则会降低钢管的承载能力，缩短使用寿命甚至酿成事故。
目前，管材壁厚测量有常规测量方法和专门测量的仪器，常规的管材壁厚的测量方法是利用卡尺等量具反复测量并记录，这种测量方法花费的人力资源大而且测量精度不高，不适用于当前管材行业自动化的大趋势；而专门的测量仪器，利用超声波、电磁原理制成，比如管道壁厚测量仪。管道壁厚测量仪对厚度的测量，是由探头产生超声波脉冲透过耦合剂到达被测体，一部分超声信号被物体底面反射，探头接收由被测体底面反射的回波，精确地计算超声波的往返时间，并根据时间来计算厚度值，再将计算结果显示出来。这种测量设备测量精度足够，但通常固定以后调节高度和角度的操作不方便，耗费时间；其次当壁厚测量仪的探测头接触到管材时，由于探测头精度高，如果接触时不注意保护，很容易造成探测头损坏；最后当这种壁厚测量仪用于工厂自动化检测管材壁厚时，往往存在设备体型笨重，成本高昂，响应速度相对较慢等问题。
机器视觉技术是用摄像机或照相机等图像采集设备及数字图像处理技术协同作业来代替人眼对图像进行识别、尺寸测量、形状匹配等检查的技术与方法。因其设备简单、成本低、运行速度快、处理结果精度高、不存在主观因素影响等优点，越来越多地被应用于不同的测量领域中。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，用图像采集设备代替人眼，用机器视觉算法代替传统壁厚测量方法来实现管材壁厚的自动测量，从而提高测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量方法与系统，包括图像采集设备、显示器、主机、激光投影器、被测管材和支架。
其中，所述图像采集设备4为相机、摄像头、摄像机、扫描仪或者其它带有拍照功能的设备。
其中，所述激光投影器5与主机3连接，所述主机3与显示器2连接。激光投影器与主机连接，主机与显示器连接，可以保证主机控制激光投影器向所述被测管材1的柱面和截面投射特定的图形。
其中，图像采集设备4与主机3连接，所述主机3与显示器2连接。图像采集设备与主机连接，主机与显示器连接，可以直接将图像采集设备拍摄的图像传输到主机上，在显示器上对图像进行查看、分析和计算，无需频繁地取出图像采集设备导入图像，操作便利快速。
其中，所述支架6和被测管材1连接。支架与被测管材连接，可以保证被测管材在测量过程中的稳定性，进而保证最终测量结果的精度。
参考图4，上述所提及的基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量系统的测量原理包括以下步骤：
首先，图像采集设备4在进行采集图像之前要进行标定。获取图像采集设备的内部参数和坐标转换矩阵，即确定实际空间位置与图像采集设备的成像平面上图像位置之间的转换关系。
激光投影器5向被测管材1的柱面和截面投射特征标记物。其中，标记物的形状可以为圆形、矩形、三角形或者其他几何形状。由于被测管材侧面为圆柱面，表面光滑，没有明显特征，所述图像采集设备无法获取被测管材侧面的空间信息，因此需要所述激光投影器向被测管材圆柱形侧面打上若干个特征标记物作为标记特征，以便图像采集设备完成被测管材的轴向定位。
图像采集设备4对已由激光投影器5投射特征标记物的被测管材1的柱面和截面进行图像采集。由图像采集设备将采集到的图像传输到所述主机3，利用数字图像处理技术对采集到的图像进行预处理，得到清晰的图像。
基于特征提取算法对预处理后的清晰图像进行特征提取，将图像中被测管材柱面上的特征标记物提取出来，将被测管材的截面轮廓特征提取出来。
根据已提取到的柱面特征标记物及截面轮廓特征的图像信息，利用特征匹配算法对图像中的柱面特征标记物及截面轮廓特征分别进行匹配。
根据已获取的图像采集设备内参数及坐标转换矩阵，利用三维重建算法即可对匹配后的图像进行三维重建，从而分别获得被测管材的柱面和截面的空间位置信息。
基于已获取的被测管材1的柱面空间位置信息，对所述被测管材的柱面进行拟合，进一步确定柱面的轴向向量。
基于已获取的被测管材1的截面空间位置信息及柱面的轴向向量，可以计算截面轮廓在管材柱面轴向平面上的投影。过投影轮廓中心的直线与投影轮廓一侧交于两点，则可以得到这两交点在实际空间中的三维位置坐标。
进一步，根据三维空间坐标系下两点之间的距离公式，由所述两交点在实际空间中的三维位置坐标，可以得到这两个交点之间的距离，即被测管材截面的实际壁厚值。
本发明的有益效果是：测量系统设备简单、成本低、可以对被测管材壁厚实现非接触测量、实时动态测量、数据处理速度快、不存在主观因素影响，可以实现对管材壁厚的高精度测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是被测管材截面的投影中确定线段AB的示意图，AB的长度即为A点的壁厚。
图4是被测管材壁厚测量流程图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1-被测管材，2-显示器，3-主机，4-图像采集设备，5-激光投影器，6-支架，7-工业相机，8-工业相机，9-标定板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
参见图2，一种基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，包括被测管材1、显示器2、主机3、图像采集设备4、激光投影器5和支架6。其中，所述图像采集设备4为工业相机7和工业相机8组成的双目视觉图像采集系统。所述图像采集设备4与主机3连接，所述激光投影器5与主机3连接，所述主机3与显示器2连接，所述被测管材1和支架6连接。
参见图2，本实施例中，基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统的测量原理包括以下步骤：
基于标定板9对由工业相机7和工业相机8组成的双目相机成像系统进行标定，确定双目相机成像系统的内参数和坐标转换关系，即确定实际空间位置与双目相机成像系统的成像平面上图像位置之间的转换关系。
激光投影器5向被测管材1的柱面和截面投射特征标记物。其中，标记物的的形状为圆形。
基于工业相机7和工业相机8组成的双目相机成像系统对已投射圆形标记物的被测管材1 的柱面和截面进行图像采集。由双目相机将采集到的图像传输到所述主机3，利用数字图像处理技术对采集到的图像进行预处理，得到清晰的图像。
基于特征提取算法对预处理后的清晰图像进行特征提取，将图像中被测管材柱面上的圆形标记物提取出来，将被测管材的截面轮廓特征提取出来。
根据已提取到的柱面特征标记物及截面轮廓特征的图像信息，利用特征匹配算法对图像中柱面上的圆形标记物及截面轮廓特征分别进行匹配。
根据已获取的双目相机成像系统的内参数及坐标转换矩阵，利用三维重建算法即可对匹配后的图像进行三维重建，从而分别获得被测管材的柱面和截面的空间位置信息。
基于已获取的被测管材1的柱面空间位置信息，对所述被测管材的柱面进行拟合，进一步确定柱面的轴向向量。
基于已获取的被测管材1的截面空间位置信息及柱面的轴向向量，可以计算截面轮廓在管材柱面轴向平面上的投影。过投影轮廓中心的直线与投影轮廓一侧交于两点，则可以得到这两交点在实际空间中的三维位置坐标。
进一步，根据三维空间坐标系下两点之间的距离公式，由所述两交点在实际空间中的三维位置坐标，可以得到这两个交点之间的距离，即被测管材截面实际壁厚值。
假设过投影轮廓中线的直线与投影轮廓一侧两交点的坐标分别为A(x1，y1，z1)、 B(x2，y2，z2)，则A点和B点之间的距离为：
即被测管材截面的实际壁厚值为|AB|。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量系统，包括图像采集设备、显示器、主机、激光投影器、被测管材和支架。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式管材壁厚测量系统，其特征在于，所述图像采集设备与主机连接，所述激光投影器与主机连接，所述主机与显示器连接，所述支架与被测管材连接。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，其特征在于，所述图像采集设备包括但不限于相机、摄像头、摄像机、扫描仪，凡是具有图像采集功能的设备均在本发明的精神范围之内。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，其特征在于，所述的激光投影器可以向所述被测管材表面投射各种形状的图案，包括但不限于圆形、矩形、三角形，凡是可以向被测管材表面投射各种图案的设备均在本发明的精神范围之内。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，其特征在于，所述图像采集设备的数目没有限制，可以是单个图像采集设备，也可以是两个或者多个图像采集设备共同组成的图像采集系统。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，其特征在于，所述图像采集设备的标定方法包括但不限于传统的标定方法、基于主动视觉的标定方法、自标定方法。凡是可以对图像采集设备进行标定，确定实际空间位置与图像采集设备的成像平面上图像位置之间的转换关系和图像采集设备内参数的标定方法均在本发明的精神范围之内。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的非接触式壁厚测量系统，其测量原理包括以下步骤：
对所述图像采集设备进行标定；
利用激光投影器向被测管材柱面和截面投射特征标记物；
利用图像采集设备对被测管材表面进行图像采集，并传输到主机；
利用主机对采集到的图像进行预处理，得到清晰的图像；
基于特征提取算法对预处理后的图像进行特征提取；
基于特征匹配算法对提取的特征进行匹配；
基于三维重建算法对匹配后的图像进行三维重建，恢复被测管材的柱面和截面的空间位置信息。
对所述被测管材的柱面进行拟合，进一步确定柱面的轴向向量；
基于被测管材截面的空间位置信息和柱面轴向向量，计算截面轮廓在管材柱面轴向平面上的投影；
计算壁厚值。过投影轮廓中心的直线与投影轮廓一侧交于两点，这两点之间的距离即为被测管材截面的实际厚度。
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