CN113251926B - 一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置，其特征在于，方法包括：步骤1、相机标定，通过静置的标定板对动态的相机进行标定，得出在相机坐标系下的坐标与图像像素坐标之间的关系；步骤2、识别算法建立，通过对模板零件进行图像采集、图像滤波、边缘提取、3D模型构建、算法优化建立一套识别算法；步骤3、测量。装置包括：载物台、移载组件及扫描测量装置，扫描测量装置包括三维扫描组件、显示器和控制器；三维扫描组件包括多轴机械臂及相机、组合光源和位移传感器。本发明扫描速度快，测量时间短，测量精度高，自动化程度高。

Description

一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及尺寸测量技术领域，具体来说，是一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置。

背景技术

传统的测量方法主要是使用人力对待测物体进行检测，但是对于工业领域的精密零部件而言，使用传统的测量方法进行检测显然工作效率极低，并且很难测得准确的数据。

目前，诸如基于机器视觉的测量方法、排水法、超声波测量法、激光扫描法等智能测量方法越来越多的应用于产品外观检测。但上述测量方法均不同程度的存在一些弊端，例如：会对被测物体造成一定程度的损害，测量过程不方便，仪器价格昂贵，设备操作复杂，测量数据不准确等等诸多问题。

发明内容

鉴于以上，本发明旨在提供一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置，以克服现有技术中存在的缺陷与不足。

本发明采用的技术方案是：一种不规则物体的尺寸测量方法，其特殊之处在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、相机标定，通过静置的标定板对动态的相机进行标定，获得相机内参、外参和畸变参数，得出在相机坐标系下的坐标与图像像素坐标之间的关系；

步骤2、识别算法建立，通过对模板零件进行图像采集、图像滤波、边缘提取、3D模型构建、算法优化，建立一套识别算法；

步骤3、待测零件测量，基于步骤2所构建的识别算法对待测零件进行测量。

优选的，所述步骤1中的标定板的精度不低于0.001mm。

优选的，所述步骤2识别算法的建立，包括以下步骤：

步骤201、制作一模板零件，并将该模板零件的数据标定为标准数据，使用多角度组合光源对模板零件进行照明，通过机械臂带动相机转动，采集模板零件不同平面多角度图像，获得模板零件的完整图像；

步骤202、对步骤201获取的图像进行图像滤波、边缘提取及去噪处理，获得模板零件的图像边缘特征；

步骤203、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建模板零件3D模型，并将构建后的模型进行分割；

步骤204、对分割后的模型进行测量，并与标定的标准数据进行对比，校正识别算法的误差。

优选的，所述步骤202中，为了不损失图像边缘信息，图像滤波采用一种基于快速中值的自适应均值滤波算法；先对图像进行反转以增强零件边缘与背景的对比度，通过快速中值法计算滤波窗口的中值，自适应地选取合适的阈值来对滤波系数加以优化。

优选的，所述步骤3的待测零件测量，包括：

步骤301、使用多角度组合光源对待测零件进行照明，通过机械臂带动相机转动，采集待测零件不同平面多角度图像，获得待测零件的完整图像；

步骤302、对步骤301获取的图像先进行位置检测，再进行图像滤波、边缘提取及去噪处理，提得待测零件的图像边缘特征；

步骤303、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建待测零件3D模型，并将构建后的模型进行分割；

步骤304、利用步骤2所构建的识别算法对分割后待测零件的3D模型进行测量。

优选的，所述步骤302中的位置检测，是用模板零件的图像边缘特征对待测零件的图像进行纵向与横向的移动匹配，根据基于灰色值的模板匹配算法计算待测零件图像与模板图像的各个位置的相关程度，并根据各个位置相关程度的大小确定待测零件的不同表面在图像中的位置（像素的坐标），完成待测零件的位置检测定位标注的操作。

一种不规则物体的尺寸测量装置，其特殊之处在于，该装置包括：载物台、移载组件，所述载物台上方依次设有上料区、扫描区和下料区；

所述移载组件以滑动连接的方式活动安装于载物台上，所述移载组件用以放置模板零件或待测零件，通过移载组件在载物台上的滑移实现模板零件或待测零件在上料区、扫描区和下料区之间的输送传递；

所述扫描区配置有扫描测量装置，所述扫描测量装置包括三维扫描组件、显示器和控制器；

所述三维扫描组件包括多轴机械臂，以及固定安装于多轴机械臂上的相机、组合光源和位移传感器。

所述相机通过回转驱动机构安装于多轴机械臂的前端，该回转驱动机构用以实现相机扫描过程中的动态旋转。

所述位移传感器用于检测多轴机械臂的位移量，通过其数据可以辅助计算相机参数。

所述相机采用的是搭载有自动变焦工业光学镜头且像素在2500万至4300万之间的工业摄像机。

与现有技术相比，本发明的有效效果是：本发明的一种不规则物体的尺寸测量方法及测量装置，其装置通过使用高精度的标定板，以及2500万至4300万像素的工业摄像机和自动变焦工业光学镜头，搭配组合光源，获得高对比度图像信息。多轴机械臂带动相机快速旋转，相较于现有的三维扫描仪激光扫描仪，具有扫描速度快，测量时间短的优点；其测量方法通过将模板零件数据标定为标准数据，并结合自适应选择图像滤波、边缘提取方法构建了一套识别算法，再将该识别算法应用于待测零件的测量，本发明的测量结果与传统测量方法的结果相比，具有更高的测量精度。

附图说明

图1为实施例一的不规则物体尺寸测量方法流程图；

图2为实施例二的不规则物体尺寸测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例一

本发明实施例一提供的是一种不规则物体尺寸测量方法，参见图1所示流程，包括：

步骤1、相机标定，通过静态放置的标定板对动态的相机进行标定，获得不同焦距下相机的内参、外参和畸变参数，得出在相机坐标系下的坐标与图像像素坐标之间的关系；

由于在实际测量中，被测物体的表面并不是与地面垂直，所以采用相机动态移动的方式，同时将标定结果进行修正，从而缩小由于平面倾斜带来的测量误差。

步骤2、识别算法建立，通过对模板零件进行图像采集、图像滤波、边缘提取、构建3D模型、算法优化，构建一套识别算法；该识别算法的建立过程包括：

步骤201、制作一个模板零件，并将该模板零件的数据标定为标准数据，将模板零件传送到载物台上，使用多角度组合光源对模板零件进行照明，通过机械臂带动相机转动，采集模板零件不同平面多角度图像，完成所有部位的图像采集，获得模板零件的完整图像；

步骤202、将步骤201获取的多角度图像通过图像滤波、边缘提取及去噪处理，提取模板零件的图像边缘特征；

具体的，为了不损失图像边缘信息，本实施例使用了一种基于快速中值的自适应均值滤波算法实现图像滤波。先对图像进行反转以增强零件边缘与背景的对比度，通过快速中值法计算滤波窗口的中值，自适应地选取合适的阈值来对滤波系数加以优化。图像边缘提取的工作原理是根据图像中局部特性的不连续特性，采用某种图像处理算法来提取图像中目标与背景之间的交界线，从而实现边缘提取。每一张采集到的被测物体的图片进行边缘提取，辅助3D模型构建。

步骤203、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建模板零件3D模型，将构建后的模板零件3D模型进行分割；

具体的，要形成完整的模型重构，需要把多张照片进行拼接。首先，任意选定一个世界坐标系，将照片一从局部坐标系转换至世界坐标系；将多张照片同时拍摄到的模板零件的同一局部称为这些照片的重叠部分，导入与照片一存在重叠部分的照片二；保持照片一不动，平移和旋转照片二，直到两张照片的重叠部分完全重合，完成两张照片的拼接，此时照片二也被从局部坐标系转换至世界坐标系下。重复对剩余有重叠部分的照片进行上述操作，完成全部图像的拼接，即成功构建零件的3D模型。

与标准模型对比是将3D模型与标准模型放入同一坐标系，通过迭代最近点算法对3D模型和标准模型进行整体配准，优化识别算法。

步骤204、对分割后的3D模型进行测量，并与标定的标准数据进行对比，校正识别算法误差；

步骤3、待测零件测量，通过步骤2所构建的识别算法对待测零件进行测量；具体包括：

步骤301、将待测零件传送到载物台上，使用多角度组合光源对待测零件进行照明，通过机械臂带动相机转动，采集待测零件不同平面多角度图像，完成待测零件所有部位的图像采集，获得待测零件的完整图像；

步骤302、将采集到的多角度图像进行位置检测，通过图像滤波、边缘提取，及去噪处理，提取待测零件的图像边缘特征；

优选的，所述位置检测是用模板零件的图像边缘特征对待测零件的图像进行纵向与横向的移动匹配，根据基于灰色值的模板匹配算法计算待测零件图像与模板图像的各个位置的相关程度，并根据各个位置相关程度的大小确定待测零件的不同表面在图像中的位置（像素的坐标），完成待测零件的位置检测定位标注的操作。

步骤303、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建待测零件3D模型，将构建后的待测零件3D模型进行分割；

步骤304、使用所述识别算法对待测零件的3D模型进行测量。

实施例二

本发明实施例二提供了一种不规则物体尺寸测量装置，用以执行实施例一所述的不规则物体尺寸测量方法，参见图2，该装置包括：

载物台513、移载组件512，所述载物台上方设有的上料区510、扫描区520和下料区530；

所述移载组件512以滑动连接的方式活动安装于载物台513上，所述移载组件512用以放置模板零件或待测零件511，通过移载组件512在载物台513上的滑移实现模板零件或待测零件511在上料区510、扫描区520和下料区530之间的输送传递；

所述扫描区520配置有扫描测量装置，所述扫描测量装置包括三维扫描组件、显示器521和控制器525；

所述三维扫描组件包括多轴机械臂522，以及固定安装于多轴机械臂522上的相机523、组合光源524和位移传感器。所述相机523通过回转驱动机构安装于多轴机械臂522的前端，该回转驱动机构用以实现相机扫描过程中的动态旋转。所述位移传感器用于检测多轴机械臂的位移量，通过其数据可以辅助计算相机参数。所述控制器525分别与所述移载组件512、多轴机械臂522、相机523、组合光源524、回转驱动机构及位移传感器。

具体的，所述显示器521需支持强光可视性及电阻式触控功能，所述相机523采用2500万像素的工业3D摄像机和自动变焦工业光学镜头。

实施例三

本实施例与实施例二的不同之处在于，所述相机523采用4300万像素的工业3D摄像机和自动变焦工业光学镜头。

本发明通过构建划定上料区、扫描区、下料区，完成了不规则物体的上料、扫描测量和下料流程，通过机械臂带动相机转动快速完成不规则物体的图像采集工作，为不规则物体尺寸测量方法提供数据。本发明通过将模板零件数据标定为标准数据，并结合自适应选择图像滤波、边缘提取方法构建了一套识别算法，再将该识别算法应用于待测零件的测量，本发明的测量结果与传统测量方法的结果相比，具有更高的测量精度。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种不规则物体的尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、相机标定，通过静置的标定板对动态的相机进行标定，获得相机内参、外参和畸变参数，得出在相机坐标系下的坐标与图像像素坐标之间的关系；

步骤2、识别算法建立，通过对模板零件进行图像采集、图像滤波、边缘提取、3D模型构建、算法优化，建立一套识别算法；

步骤3、待测零件测量，基于步骤2所构建的识别算法对待测零件进行测量；

其中，步骤2识别算法的建立，包括以下步骤：

步骤201、制作一模板零件，并将该模板零件的数据标定为标准数据，对模板零件进行照明并控制相机转动，采集模板零件不同平面多角度图像，获得模板零件的完整图像；

步骤202、对步骤201获取的图像进行图像滤波、边缘提取及去噪处理，获得模板零件的图像边缘特征；所述图像滤波采用一种基于快速中值的自适应均值滤波算法；先对图像进行反转以增强零件边缘与背景的对比度，通过快速中值法计算滤波窗口的中值，自适应地选取合适的阈值来对滤波系数加以优化；

步骤203、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建模板零件3D模型，并将构建后的模型进行分割；

步骤204、对分割后的模型进行测量，并与标定的标准数据进行对比，校正识别算法的误差;

其中，步骤3测量待测零件，包括以下步骤：

步骤301、使用多角度组合光源对待测零件进行照明，通过机械臂带动相机转动，采集待测零件不同平面多角度图像，获得待测零件的完整图像；

步骤302、对步骤301获取的图像先进行位置检测，再进行图像滤波、边缘提取及去噪处理，提得待测零件的图像边缘特征；所述位置检测是用模板零件的图像边缘特征对待测零件的图像进行纵向与横向的移动匹配，根据基于灰色值的模板匹配算法计算待测零件图像与模板图像的各个位置的相关程度，并根据各个位置相关程度的大小确定待测零件的不同表面在图像中的位置，完成待测零件的位置检测定位标注的操作

步骤303、将处理后的图像，通过多视角三维重建技术构建待测零件3D模型，并将构建后的模型进行分割；

步骤304、利用步骤2所构建的识别算法对分割后待测零件的3D模型进行测量。

2.如权利要求1所述的一种不规则物体的尺寸测量方法，其特征在于，

所述步骤1中，标定板的精度不低于0.001mm。

3.用以实施权利要求1-2任一权项所述测量方法的一种不规则物体的尺寸测量装置，其特征在于，该装置包括：

载物台、移载组件，所述载物台上方依次设有上料区、扫描区和下料区；

所述移载组件以滑动连接的方式活动安装于载物台上，所述移载组件用以放置模板零件或待测零件，通过移载组件在载物台上的滑移实现模板零件或待测零件在上料区、扫描区和下料区之间的输送传递；

所述扫描区配置有扫描测量装置，所述扫描测量装置包括三维扫描组件、显示器和控制器；

所述三维扫描组件包括多轴机械臂，以及固定安装于多轴机械臂上的相机、组合光源和位移传感器。

4.如权利要求3所述的一种不规则物体的尺寸测量装置，其特征在于，

所述相机通过回转驱动机构安装于多轴机械臂的前端，该回转驱动机构用以实现相机扫描过程中的动态旋转。

5.如权利要求3所述的一种不规则物体的尺寸测量装置，其特征在于，

所述位移传感器用于检测多轴机械臂的位移量，通过其数据辅助计算相机参数。

6.如权利要求3所述的一种不规则物体的尺寸测量装置，其特征在于，

所述相机采用的是搭载有自动变焦工业光学镜头且像素在2500万至4300万之间的工业摄像机。

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