CN113240674B - 基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法,包括:步骤1:建立基准测量坐标系,确定待测区域和锚点;步骤2:建立测量平面坐标系;标定测量设备坐标系转移到此测量平面坐标系的矩阵;步骤3:转换点云得到位于测量平面坐标系下的点云三维坐标;步骤4:采集二维图像,建立映射关系;步骤5:提取二维图像中锚点,得到锚点的三维坐标值;步骤6:计算对齐标准模型和测量平面坐标系下点云所需的旋转平移矩阵;步骤7:将点云变换到基准测量坐标系下;步骤8:计算目标区域各点位到参考平面的高度值。本发明通过在线识别二维特征,实现三维点云的自动矫正,更加有效地确定待检测点位,提高检测的绝对精度和重复精度。
Description
技术领域
本发明涉及三维测量技术领域,尤其涉及一种基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法。
背景技术
近两年,随着我国电子IC行业和高端制造业的急速扩张,精密机械加工工件和电子元器件的在线检测需求迎来井喷式发展。此类元件制造精度高,结构相对复杂,对品质的把控具有极高的要求。在检测方面,对检测精度及效率要求都比较高。传统的人工检测存在着错检、漏检、标准不一致等情况,且检测效率较低,无法满足大规模的生产需求。
目前的传统的精密元器件的尺寸检测,主要为二维视觉长宽及轮廓检测。三维检测仍处在发展和完善的阶段。一般而言,三维检测涉及共面度、平面度等检测,检测指标较多,难度较大。以5G基站中的滤波器为例,就包括PCB面的平面度、PIN针的高度、陶瓷介质的孔深等众多指标。
当前在线三维共面度检测方式多为线激光扫描与位移装置融合,需要依赖机械位移装置移动精度,对稳定性要求较高。也见结构光面扫描的方式,该方式不需要机械位移装置,相对稳定,且扫描速度更快,更适用于快速在线检测。
上述两种扫描测量方案,也都还面临着无法快速准确定位检测区域的问题。以5G滤波器的共面度检测为例,测量点位往往是PIN针上的某一点,或者PCB面板上某些小的金属面片。这些点位的选取,传统做法,是通过预先配置相对于某个固定坐标系的固定点位来完成。但在实际生产中,来料时,物料自身姿态会出现一定程度的倾斜和歪斜。若变动较大,则机械套用固定点位所选的区域,会严重偏离实际需要测量的区域,导致测量结果出错,同时也会降低重复测量精度。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于,提供一种基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法,以更加有效地确定待检测点位,提高检测的绝对精度和重复精度。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提出了一种基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法,包括:
步骤1:根据待测元器件的CAD图纸数据,建立基准测量坐标系,此坐标系下的模型为标准模型;根据实际检测需求,在标准模型上确定待测区域,待测区域包括参考平面和用于测量高度差的目标区域;选择待测元器件PCB板上易辨识的标志特征的中心点作为锚点,确定锚点在基准测量坐标系下的三维坐标;
步骤2:根据实际检测工位,基于待测元器件静止待测时其PCB板所处的平面,建立测量平面坐标系;标定计算出结构光三维传感器所确立的设备坐标系到该测量平面坐标系的旋转平移矩阵;
步骤3:利用结构光三维传感器获取待测元器件完整的三维点云数据,根据步骤2中的矩阵将其转换得到位于测量平面坐标系下的点云三维坐标;
步骤4:利用结构光三维传感器的镜头额外采集待测元器件PCB板外观的二维图像,建立该图像的每个像素二维坐标和三维点云数据的映射关系;
步骤5:提取所述二维图像中锚点的二维坐标,并根据映射关系得到锚点的点云三维坐标值;
步骤6:根据步骤1中确定的三维坐标和步骤5中得到的点云三维坐标值计算出对齐标准模型和测量平面坐标系下点云所需的旋转矩阵R和平移矩阵T;
步骤7:根据旋转矩阵R和平移矩阵T进行对齐,将测量平面坐标系下的点云转换到基准测量坐标系下;
步骤8:从基准测量坐标系下的点云中提取待测区域对应的点云数据,并拟合对应的参考平面,计算目标区域各点位到参考平面的高度值。
进一步地,步骤5中,若所述二维图像中标志特征不明显,则通过三维点云数据的
高度值z值,构建高度灰度图,设定归一化范围,则高度灰度图中每个像素的灰度
值为,对该高度灰度图再次提取标志特征的中心点作为锚点;为预设的最小高度值, 为预设的最大高度值。
进一步地,所述锚点选择2个。
进一步地,步骤6中采用下式计算旋转矩阵R和平移矩阵T:
其中,分别为2个锚点对应的三维点云数据的三维坐标
值,分别为2个锚点所对应的二维图像坐标值,、分别为2个锚
点在基准测量坐标系下的三维坐标,x为对应的坐标值的X轴分量,y为对应的坐标值的Y轴
分量,、、、为计算所需的中间变量。
本发明的有益效果为:本发明针对常见的电子元器件相关共面度检测需求(例如5G滤波器对PCB板和PIN针共面度检测的需求),利用结构光三维扫描设备获取其完整的三维点云数据,同时采集与之对应的二维图像数据,通过利用二维图像中的某些特殊形状特征,对采集的三维点云进行对齐校准变换操作,从而准确的定位待测区域并高效的实现共面度的在线计算和检测。
附图说明
图1是常见的5G滤波器的结构示意图。
图2是5G滤波器的实际测量场景图。
图3是本发明实施例的基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法的流程示意图。
具体实施方式
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结合,以下所述内容以5G滤波器的PCB与PIN针间的共面度检测为实例,但可以自然应用在PCB,PCBA以及精密机械加工工件和电子元器件的共面度在线检测和评估场景。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。请参照图3,本发明实施例的基于三维点云和二维图像融合的滤波器共面度检测方法总体上分为离线标定和在线测量两个方面。
一是离线标定:
1、本发明针对5G滤波器的CAD图纸,建立基准测量坐标系,该坐标系的X轴平行于长边,Y轴平行于短边,Z轴则垂直于PCB板平面向上,坐标原点可选在PCB面板的左下角。位于此坐标系下的CAD模型称作标准模型。
2、根据实际检测需求,明确待测区域(以下简称ROI),待测区域只需明确XY坐标范
围即可。针对方形区域,ROI表示为:,针对圆形区域,则ROI表示为。用于拟合平面的ROI集合记为,用于测量高度差的ROI集
合记为。根据实际需求将待测区域划分出参考平面ROI和目标ROI(即参考平面和用
于测量高度差的目标区域)。
3、寻找易辨识特征,由于滤波器PCB板上分布有众多的圆形或方形的黄色铜片,与
PCB板墨绿色背景形成较大差别,故选择此类特征作为后续点云矫正所需的锚点。根据提供
的CAD图纸,选取2个锚点,并确定其中心点在基准测量坐标系下的三维坐标,记为。
4、根据实际检测工位,基于滤波器静止待测时PCB板所处的平面,建立测量平面坐
标系,通常情况下测量平面坐标系的x轴和y轴分别平行于PCB板的长边和短边,z轴则必须
垂直于PCB板平面向上。利用圆点标定板,标定计算出三维点云坐标系(即设备坐标系)到该
测量平面坐标系的旋转平移矩阵,记为。
二是在线测量:
2、使用采集结构光图像的相机额外拍摄一张曝光充足,明暗合适的外观二维图
像,由于此相机也被用来生成点云,故该图像的每个像素和实时三维点云数据中的点具有
一一对应的关系,三维点云数组的每个元素是一个XYZ坐标值。图像坐标对应的三维点
云坐标就为,同时也可称作二维数组对应下标。
4、如果图像中的特征不明显,如出现脏污等干扰因素,则无法定位标志特征点,但
标志点自身高度和其周围其他点云高度值有较大差异时,可尝试通过三维点云数据的高度
值z值,构建高度灰度图。设定归一化范围,则高度灰度图中每个像素的灰度值为,其每个像素的灰度值对应归一化后的z值,对该高度灰度图再
进行上一步的提取特征的操作,获取锚点。
6、将测量平面坐标系下的三维点云数据同标准模型进行对齐。即将5中所得旋转平移矩阵用到测量平面坐标系下点云三维坐标值上,获取基准测量坐标系下的点云坐标数据:
示例:请参照图1~图3,步骤1,建立如图1所示的基准测量坐标系,待测区域为1、2、5、6、7号区域。其中,1、2区域用于建立参考平面。5、6为PIN针,7为小面片,需分别计算各自相对于参考平面的高度值。3、4为PCB板平面上形状特征相对明显和独立的锚点。
步骤2,如图2,将标定板水平放置在测量工位上,同测量时PCB面的位置保持平行。通过传统标定方法,计算出该标定板,也即测量平面坐标系,相对于设备坐标系的转换关系。通常情况下测量平面坐标系的x轴和y轴分别平行于PCB板的长边和短边,z轴则必须垂直于PCB板平面向上。
步骤3,将滤波器放置在测量工位,结构光扫描设备扫描一次,获取完整的三维点云,并通过步骤2的坐标转换矩阵将点云转换到测量平面坐标系。此时,z轴相对于实时点云的PCB面垂直朝上。
步骤4,在同样的位置下,用采集结构光图片的相机再采集一张明暗适中的二维图像,此时步骤3中的点云坐标和此图像具备一一对应的关系。
步骤5,在步骤4的图像中,或者利用高度灰度图,提取锚点3和4的图像二维坐标,并根据对应关系,提取3和4的点云三维坐标值。
步骤6,根据步骤1中的3和4的三维坐标值和步骤5中3和4的三维坐标值,计算出将此两者对齐所需的变换矩阵。
步骤7,将步骤6得到的矩阵应用于步骤3得到的点云,此时点云已经完全对齐和校准至基准测量坐标系下。
步骤8,根据步骤1设定的测量算法,提取对应ROI的点云,并拟合对应的参考平面,计算各点位到平面的高度值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (5)
1.一种基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法,其特征在于,包括:
步骤1:根据待测元器件的CAD图纸数据,建立基准测量坐标系,此坐标系下的模型为标准模型;根据实际检测需求,在标准模型上确定待测区域,待测区域包括参考平面和用于测量高度差的目标区域;选择待测元器件PCB板上易辨识的标志特征的中心点作为锚点,确定锚点在基准测量坐标系下的三维坐标;
步骤2:根据实际检测工位,基于待测元器件静止待测时其PCB板所处的平面,建立测量平面坐标系;标定计算出结构光三维传感器所确立的设备坐标系到该测量平面坐标系的旋转平移矩阵;
步骤3:利用结构光三维传感器获取待测元器件完整的三维点云数据,根据步骤2中的矩阵将其转换得到位于测量平面坐标系下的点云三维坐标;
步骤4:利用结构光三维传感器的镜头额外采集待测元器件PCB板外观的二维图像,建立该图像的每个像素二维坐标和三维点云数据的映射关系;
步骤5:提取所述二维图像中锚点的二维坐标,并根据映射关系得到锚点的点云三维坐标值;
步骤6:根据步骤1中确定的三维坐标和步骤5中得到的点云三维坐标值计算出对齐标准模型和测量平面坐标系下点云所需的旋转矩阵R和平移矩阵T;
步骤7:根据旋转矩阵R和平移矩阵T进行对齐,将测量平面坐标系下的点云转换到基准测量坐标系下;
步骤8:从基准测量坐标系下的点云中提取待测区域对应的点云数据,并拟合对应的参考平面,计算目标区域各点位到参考平面的高度值。
3.如权利要求1所述的基于三维点云和二维图像融合的共面度检测方法,其特征在于,所述锚点选择2个。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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