CN113218325A - 适用于三维尺寸检测的激光相机系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适用于三维尺寸检测的激光相机系统，包括：采集器和处理器；其中，采集器包括：摄像单元、激光单元、驱动装置、反馈单元；其中，摄像单元用于采集平面图像；激光单元用于发射出一个激光面以摄像单元所采集的平面图像中具有一条能反映被激光面投射的待检测物的表面深度的激光线；驱动装置用于驱动摄像单元和激光单元同步转动；反馈单元用于反馈与摄像单元或激光单元的转动位置相对应的位置数据；其中，处理器至少与摄像单元和反馈单元分别构成通讯连接以使处理器用于根据图像数据和位置数据以及它们的对应关系获取摄像单元所采集的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据从而还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。本申请的有益之处在于提供了一种有效利用了激光面投射原理以及图像成像的原理从而能有效进行三维检测的系统。

Description

适用于三维尺寸检测的激光相机系统

技术领域

本申请涉及一种图像检测系统，具体涉及一种适用于三维尺寸检测的激光相机系统。

背景技术

随着光学相机技术的发展，在工业生产线上越来越多的使用图像采集方案进行产品的检测。现有方案中，采用光学相机移动扫描的方式获取图像从而实现二维形状尺寸的检测，这种方案缺点是相机需要平移运动进行扫描，但是往往平移运动需要精密的导轨来支持，并且因为运动，相机设备的空间占用比较大。

现在尚没有一种实现三维轮廓检测的系统。

发明内容

一种适用于三维尺寸检测的激光相机系统，包括：采集器和处理器；其中，采集器包括：摄像单元、激光单元、驱动装置、反馈单元；其中，摄像单元用于采集平面图像；激光单元用于发射出一个激光面以摄像单元所采集的平面图像中具有一条能反映被激光面投射的待检测物的表面深度的激光线；驱动装置用于驱动摄像单元和激光单元同步转动；反馈单元用于反馈与摄像单元或激光单元的转动位置相对应的位置数据；其中，处理器至少与摄像单元和反馈单元分别构成通讯连接以使处理器用于：接收摄像单元所采集的图像数据；接收反馈单元所反馈的位置数据；根据图像数据和位置数据以及它们的对应关系获取摄像单元所采集的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据；根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

进一步地，反馈单元所反馈的位置数据为角度数据。

进一步地，处理器获取的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据为该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标的组合。

进一步地，处理器根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

进一步地，处理器根据平面图像中激光线的每个像素点在该帧平面图像中的二维坐标以及该帧平面图像所对应的角度数据计算该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标。

进一步地，处理器根据平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标生成对应该激光线的单帧轮廓点集的平面图像。

进一步地，理器根据单帧轮廓点集对应的平面图像的角度数据拼接为多帧轮廓点集的立体图。

进一步地，处理器比对多帧轮廓点集中的各个坐标点所构成的立体轮廓的尺寸与预存在处理器中的标准尺寸，如果立体轮廓的尺寸与标准尺寸差值超过预设范围内，处理器输出报警信息。

进一步地，摄像单元的成像平面与激光单元的激光面倾斜相交。

进一步地，系统还包括：显示器，用于显示单帧轮廓点集的平面图像或/和多帧轮廓点集的立体图像。

本申请的有益之处在于提供了一种有效利用了激光面投射原理以及图像成像的原理从而能有效进行三维检测的系统。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：

图1是本申请的一种实施例的适用于三维尺寸检测的激光相机系统的组成框图

图2是根据本申请一种实施例的适用于三维尺寸检测的激光相机系统的中采集器的外观示意图；

图3是图1所示采集器外壳内部立体结构示意图；

图4是图1所示采集器的俯视结构示意图；

图5是图1所示采集器的主视机构示意图；

图6是图1所示实施例俯视视角时摄像单元的视角与激光单元的激光面的示意图；

图7是图5所示部分在旋转平台转动时所覆盖区域的示意图；

图8是图1所示实施例中激光单元侧视时激光面的示意图；

图9是本申请的基于激光相机的三维尺寸检测方法的步骤示意框图；

图10是本申请的激光相机系统的相对位置标定方法的步骤示意框图；

图11是本申请的使用激光相机将三维轮廓数据化的方法的步骤示意框图；

图12是激光面(激光面投射表面时为激光线)投射在表面凹凸不平的物体时图片示意；

图13是处理器获取的单帧轮廓点集的平面图像；

图14是单帧轮廓点集的放大后的示意图；

图15是处理器获取的多帧轮廓点集的平面图像；

图16是图15的放大示意图。

图中附图标记的含义：

图像采集设备200，

外壳201，

视窗202，

平面采集装置203，

控制器204，

旋转平台205，

激光发射装置206，

角度反馈装置207，驱动装置208。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请的适用于三维尺寸检测的激光相机系统包括：采集器、处理器和显示器。

其中，采集器包括：摄像单元、激光单元、驱动装置、反馈单元。

其中，摄像单元用于采集平面图像；激光单元用于发射出一个激光面以摄像单元所采集的平面图像中具有一条能反映被激光面投射的待检测物的表面深度的激光线；驱动装置用于驱动摄像单元和激光单元同步转动；反馈单元用于反馈与摄像单元或激光单元的转动位置相对应的位置数据。

其中，处理器至少与摄像单元和反馈单元分别构成通讯连接，这种通讯连接既可以是通过有线线缆的有线通讯连接，也可以是通过无线网络的无线通讯连接。

处理器通过通讯连接接收摄像单元所采集的图像数据和反馈单元所反馈的位置数据。

更具体而言，处理器根据图像数据和位置数据以及它们的对应关系获取摄像单元所采集的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据；根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

作为具体方案，反馈单元所反馈的位置数据为角度数据。处理器获取的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据为该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标的组合。

如图7和图12所示，不同深度的表面，在摄像单元转动至同一角度位置时，激光面在该位置采集这帧图像中所成激光线的位置时不同的。因此，可以通过单帧图像中的激光线(由多个像素点构成)在图像中二维坐标位置以及相应的角度位置既可以获得深度坐标。

根据以上对应关系，处理器根据平面图像中激光线的每个像素点在该帧平面图像中的二维坐标以及该帧平面图像所对应的角度数据计算该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标。

如图13所示，处理器根据平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标生成对应该激光线的单帧轮廓点集的平面图像。单帧轮廓点集相当于获得了对应一个断面的轮廓线(由多个轮廓点、或称为坐标点构成，如图14所示)。

处理器根据单帧轮廓点集对应的平面图像的角度数据拼接为多帧轮廓点集的立体图像，如图14和图15所示，相当于将多个断面拼接起来。虽然拼接的图像并不是连续的，但是如果采集图像频率足够高且像素足够是完全满足测量的要求。

处理器比对多帧轮廓点集中的各个坐标点所构成的立体轮廓的尺寸与预存在处理器中的标准尺寸，如果立体轮廓的尺寸与标准尺寸差值超过预设范围内，处理器输出报警信息。

摄像单元的成像平面与激光单元的激光面倾斜相交。采集器还包括控制单元，控制单元能根据反馈单元输出的电反馈信号控制摄像单元以使摄像单元在处于若干预设的转动位置时采集图像。

显示器至少用于显示单帧轮廓点集的平面图像或/和多帧轮廓点集的立体图像。

由以上介绍以及图9所示，本申请还提供一种基于激光相机的三维尺寸检测方法。

具体而言，基于激光相机的三维尺寸检测方法包括如下步骤：

以一个激光面向待测物体的表面投射以在待测物体表面获得一条激光线；

采集待测物体的表面的图像；

同步转动激光面和成像平面后再次采集待测物体的表面的图像；

根据激光面的角度位置和所采集的图像中激光线的坐标数据获得深度坐标数据；

根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

以上的方案和方法需要基于激光面的角度位置和基于该角度位置时图像平面坐标与深度坐标的对应关系换算，因此需要在测量之前进行标定以获得对应换算关系和位置关系。

由以上介绍以及图10所示，本申请还提供一种激光相机系统的相对位置标定方法。

该相对位置标定方法包括如下步骤：

以一个激光面向一个已知尺寸的参照物体(可以为标准几何体)的表面投射以在其表面获得一条激光线；

采集参照物体的表面的图像；

同步转动激光面和成像平面后再次采集参照物体的表面的图像；

重复以上的步骤直至对参照物体扫描完毕；

获取多个轮廓信息；

根据相机结构信息将轮廓初始关系拼接；

结合参照物体的特征信息最优化方法逼近实际旋转轴位置关系；

拟合结果和真是结果残差计算；

判断拟合结果和真是结果的残差是否满足期望误差，如果满足则输出旋转轴位置关系标定结果；如果否则继续转回结合参照物体的特征信息最优化方法逼近实际旋转轴位置关系的步骤。

如图11所示，本申请还提供一种使用激光相机将三维轮廓数据化的方法。

具体而言，使用激光相机将三维轮廓数据化包括：

以一个激光面向待测物体的表面投射以在待测物体表面获得一条激光线；

采集待测物体的表面的图像；

同步转动激光面和成像平面后再次采集待测物体的表面的图像；

根据激光面的角度位置和对应角度位置所采集的图像中激光线的像素在图像中的二维坐标获得单帧单帧轮廓点集；

根据单帧单帧轮廓点集及其角度位置将若干所述单帧单帧轮廓点集拼接为多帧轮廓点集，或者称为轮廓点云。通过显示器将轮廓点云显示出来，并存储每个轮廓点的三维坐标值。

轮廓点云既可以将扫描表面三维轮廓进行数据化已获得能被处理器处理数据。

具体而言，对一个标准几何体进行扫描，比如正方体、球体、正四棱锥等进行扫描，这里所指扫描可以是以及本申请的图像采集装置的激光面扫描过几何体同时进行图像采集。

作为采集器的硬件方案，如图2至图7所示，采集器可以被构造为一个图像采集装置，该装置包括：外壳、视窗、平面图像采集装置、激光发射装置、旋转平台、驱动装置、角度反馈装置、控制器。

其中，平面图像采集装置可以作为摄像单元的一种方案，激光发射装置可以作为激光单元的一种方案，角度反馈装置可以作为反馈单元的一种，控制器可以作为控制单元的一种，可以采用MCU芯片构成。

外壳用于保护内部部件和装置，视窗提供扫描的图像所需的视野同时也对外壳内部构成保护。

其中，平面图像采集装置用于采集平面图像；激光发射装置用于发射出一个激光面。具体的，激光发射装置包括：激光发生器用于产生激光；光学元件至少包含有一个弧形的出光面。出光面可以为一个轴线垂直激光面的圆柱体侧面或其一部分。

旋转平台用于承载平面图像采集装置和激光发射装置，它们固定至旋转平台以使平面图像采集装置的成像平面与激光发射装置的激光面的夹角为预设角度。作为扩展方案，这个预设角度是可以调节的，即可以人工调节，亦可以自动调节，可以使这个角度具有多个档位。在旋转平台转动时，该角度应该被固定不可调节。

驱动装置用于驱动旋转平台绕一旋转轴线转动旋转轴线平行于激光发射装置的激光面。具体而言，驱动装置可以为一个无刷电机，更进一步，驱动装置可以为一个步进电机。驱动装置可以直接驱动旋转平台转动，也通过传动机构间接使旋转平台转动。

角度反馈装置用于将旋转平台的转动位置的变化转化为电反馈信号。具体而言，角度反馈装置可以为一个编码器，具体地，为一个旋转编码器，其可以将角度位移转化为变化的电信号，即电反馈信号。

控制器能根据角度反馈装置输出的电反馈信号控制平面图像采集装置以使平面图像采集装置在旋转平台处于若干预设的转动位置时采集激光发射装置的激光面在物体上投射的激光线的图案。即旋转平台每转到一个特定位置时，角度反馈装置和控制器就能触发平面图像采集装置采集图像。

控制器至少与角度反馈装置、驱动装置和平面图像采集装置构成电性连接。

为了更好的实现图像采集与激光面的配合，作为具体方案，旋转轴线平行于平面图像采集装置的成像平面。平面图像采集装置包含一个镜头，镜头的光轴在镜头的前方与激光发射装置的激光面倾斜相交。激光发射装置设置在平面图像采集装置的视角范围之外。这样设计能够最大化图像采集范围使之与激光面有效配合实现三维检测。

另外，平面图像采集装置在垂直于旋转轴线的平面的投影相异于激光发射装置在该平面的投影。

旋转台的旋转轴线在垂直于旋转轴线的平面的内的投影位于平面图像采集装置在该平面的投影之外。

旋转台的旋转轴线在垂直于旋转轴线的平面的内的投影位于平面图像采集装置在该平面的投影之外。平面图像采集装置和激光发射装置分别设置在旋转平台的旋转轴线的两侧。

这样在转动时才不会因为转动使采集图像有效范围被设备本身扫过从而实现不了扫描效果。

平面图像采集设备在每个转动位置采集的图像经过系统处理，根据图像本身以及之前标定的位置关系可以获得单个激光面的三维点线轮廓(实际是离散的点轮廓)然后通过转动位置对应坐标系的对应关系进行拼接从而获得被检测物的轮廓数据实现三维尺寸的测量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：包括：采集器和处理器；

其中，采集器包括：摄像单元、激光单元、驱动装置、反馈单元；

其中，摄像单元用于采集平面图像；激光单元用于发射出一个激光面以摄像单元所采集的平面图像中具有一条能反映被激光面投射的待检测物的表面深度的激光线；驱动装置用于驱动摄像单元和激光单元同步转动；反馈单元用于反馈与摄像单元或激光单元的转动位置相对应的位置数据；

其中，处理器至少与摄像单元和反馈单元分别构成通讯连接以使所述处理器用于：

接收摄像单元所采集的图像数据；

接收反馈单元所反馈的位置数据；

根据图像数据和位置数据以及它们的对应关系获取摄像单元所采集的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据；

根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

2.根据权利要求1所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：所述反馈单元所反馈的位置数据为角度数据。

3.根据权利要求2所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述处理器获取的每帧平面图像中激光线的深度坐标数据为该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标的组合。

4.根据权利要求3所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：处理器根据深度坐标数据以及位置数据还原待检测物的表面的三维轮廓的尺寸数据。

5.根据权利要求4所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述处理器根据平面图像中激光线的每个像素点在该帧平面图像中的二维坐标以及该帧平面图像所对应的角度数据计算该帧平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标。

6.根据权利要求5所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述处理器根据平面图像中激光线的每个像素点的对应深度坐标生成对应该激光线的单帧轮廓点集的平面图像。

7.根据权利要求6所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述理器根据单帧轮廓点集对应的平面图像的角度数据拼接为多帧轮廓点集的立体图。

8.根据权利要求7所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述处理器比对多帧轮廓点集中的各个坐标点所构成的立体轮廓的尺寸与预存在处理器中的标准尺寸，如果立体轮廓的尺寸与标准尺寸差值超过预设范围内，处理器输出报警信息。

9.根据权利要求8所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述摄像单元的成像平面与激光单元的激光面倾斜相交。

10.根据权利要求9所述的适用于三维尺寸检测的激光相机系统，其特征在于：

所述系统还包括：显示器，用于显示单帧轮廓点集的平面图像或/和多帧轮廓点集的立体图像。

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