CN114062265B - 一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，在支撑结构的一端设置观测相机，另一端安装靶标，靶标上设有标志点；在振动中观测相机连续采集多张靶标图像，提取标志点的像素坐标，根据标志点在不同时刻的坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量，根据坐标变化量计算所述支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值；根据角度偏移值解算无振动时外参，获得振动时的外参；再基于无振动、有振动外参、分别解算相同测点的三维坐标，对比坐标变化量；评估支撑结构的稳定性；本方法评估过程简单，可操作性强，耗时短，可用于视觉系统设计阶段的支撑结构选型。
Description
技术领域
本发明涉及结构评估领域，具体涉及一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法。
背景技术
在视觉测量领域，视觉系统往往不止包含一部测量相机，其还包含其他测量部件，如激光器、投影仪，双目相机等；此类视觉检测系统由于测量部件多，需要采用稳定的支撑结构，用以保障测量过程的稳定性，然而在视觉测量环境中，外界振动时有发生，如被测物行驶、检测工位过车、或机器人运动等，这些振动将会引起视觉系统的振动，进而造成视觉系统中相机外参的变化，影响视觉测量的精度；因此，在视觉系统正式投入使用之前，需要评估支撑结构的稳定性，来保障检测过程的准确性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，通过观测相机与靶标获取外界振动对测量相机以及其他测量部件外参造成的影响；解算振动后的外参，获取振动造成的精度损失，进而评估支撑结构的振动稳定性是否满足要求。评估过程简单，可操作性强，耗时短，可用于视觉系统设计阶段的支撑结构选型。
技术方案如下：
一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，所述视觉系统包括支撑结构以及分别固定在支撑结构两端的测量相机I和测量部件；
所述测量部件为激光器、相机和投影仪中的一种或多种；
利用以下步骤评估稳定性，包括：
1)在支撑结构的一端设置观测相机，另一端安装靶标，所述靶标位于所述观测相机的视场范围内，其上设有标志点；
利用起振装置对视觉系统施加连续的振动，在振动期间，所述观测相机按照预设的帧率连续采集多张靶标图像，提取各张靶标图像中标志点的像素坐标，根据标志点在不同时刻的坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量，根据坐标变化量计算所述支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值θ；
根据角度偏移值θ、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参，获得振动时的外参；
2)对于空间中的点，分别基于无振动时外参、步骤1)得到的振动时外参解算各点的三维坐标，对比相同点的三维坐标变化量；若变化量处于容许范围，则当前支撑结构的稳定性满足要求，否则，不满足。
进一步，根据坐标变化量统计所述支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值的方法为：
分别统计各靶标图像上标志点在支撑结构径向方向上的坐标分量，记为径向分量，求其标准差δ；利用3δ表征标志点的坐标变化量；所述支撑结构径向方向垂直于测量相机I的光轴；
利用以下公式计算支撑结构因振动而产生的角度偏移值θ：
其中，p表示观测相机的像元尺寸、f表示观测相机的镜头焦距。
为了防止粗大误差数据的干扰；优选，剔除超过预设值的径向分量，再求取标准差δ。
预设值可设置为所有标志点径向分量均值的2倍。
进一步，当所述测量部件为投影仪或相机；测量相机I、测量部件之间的外参为两者之间的旋转平移关系；
当所述测量部件为线激光器；测量相机I、测量部件之间的外参为：线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程。
进一步，当所述测量部件为投影仪或相机时，根据角度偏移值、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M，利用以下公式获取振动时的外参M'：
其中，无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M通过对测量相机I的外参标定获得。
进一步，当所述测量部件为线激光器，根据角度偏移值、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参的方法为：
记无振动时线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程:aX+bY+cZ+d＝0；有振动时的线激光器光平面为a′X+b′Y+c′Z+d′＝0；
则：
(a,b,c,d)表示无振动时线激光器的光平面参数，其通过对线激光器的标定或调取线激光器设计结构理论值获得。
进一步，标志点为1个；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的图像中标志点圆心与图像中心之间的距离小于30像素；
或者：标志点有多个，均匀分布在靶标上；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的标志点位于图像的中间区域；求取图像中各个标志点中心坐标的均值，以均值表征所有标志点的像素坐标，根据不同时刻的均值坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量。
进一步，步骤2)具体为：
I、对于空间中的点，利用无振动时的外参，解算各点三维坐标，记为初始坐标点，计算任意两个初始坐标点之间的欧氏距离L；
利用有振动时的外参，解算各点三维坐标，记为变换坐标点，计算任意两个变换坐标点之间的欧氏距离L′；
II、将步骤I中得出的欧式距离L、L′，对应作差，利用所有差值拟合直线，得出直线方程，将差值中的最大值代入直线方程，求得结果值，当所述结果值小于系统精度偏差容许值时，当前振动对视觉系统的影响程度可以接受。
进一步，所述起振装置为振动发生器，其对视觉系统施加的连续振动频率和振幅模拟视觉系统实际使用环境中的频率、振幅。
为了准确解算标志点的像素坐标，优选，所述标志点为圆形标志点，提取靶标图像中标志点的像素坐标的方法包括如下步骤：
①对采集的靶标图像进行二值化处理，提取标志点连通域，得到椭圆特征的像素级边缘点；
②对像素级边缘点使用最小二乘法拟合椭圆，得到初始椭圆圆心；
③对于每个像素级边缘点，将其与初始椭圆圆心连线，沿所述连线，在边缘点的两侧查找N个亚像素点的灰度值，N≥2；灰度值计算方法为双线性插值或双三次插值；
将2N+1个亚像素点的灰度梯度极值点记为亚像素边缘点；
④记录各个亚像素边缘点，利用其拟合椭圆中心，作为标志点的像素坐标。
本方法可以模拟实际振动环境，也可以模拟多种振动环境，对视觉系统施加振动；通过观测相机与靶标获取外界振动对测量相机以及其他测量部件外参造成的影响；有振动时的外参，解算振动造成的精度损失，进而评估支撑结构的振动稳定性是否满足要求。
附图说明
图1为具体实施方式中的整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，如图1所示，视觉系统包括支撑结构以及分别固定在支撑结构两端的测量相机I和测量部件；
测量部件为激光器、相机和投影仪中的一种或多种；
利用以下步骤评估稳定性，包括：
1)在支撑结构的一端设置观测相机，另一端安装靶标，靶标位于观测相机的视场范围内，其上设有标志点；实施时，根据现场环境，可增加光源，照明，以保证采集到靶标图像的亮度符合要求；
利用起振装置对视觉系统施加连续的振动，在振动期间，观测相机按照预设的帧率连续采集多张靶标图像，提取各张靶标图像中标志点的像素坐标，根据标志点在不同时刻的坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量，根据坐标变化量计算支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值θ；
根据角度偏移值θ、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参，获得振动时的外参；
2)对于空间中的点，分别基于无振动时外参、步骤1)得到的振动时外参解算各点的三维坐标，对比相同点的三维坐标变化量；若变化量处于容许范围，则当前支撑结构的稳定性满足要求，否则，不满足。
具体的，空间中的点采用以下方式构建(模拟)：在视觉系统全局坐标系的X、Y、Z三个坐标轴上分别随机任选5～20个位置点，再将各个位置点排列组合形成多个空间点，分别基于无振动时外参、步骤1)得到的振动时外参，解算各点的三维坐标，对比相同点的三维坐标变化量；若变化量处于容许范围，则当前支撑结构的稳定性满足要求，否则，不满足。此方式在全局坐标系中模拟空间点，过程简单，适用于视觉系统结构选型阶段。
具体的，根据坐标变化量统计支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值的方法为：
分别统计各靶标图像上标志点在支撑结构径向方向上的坐标分量，记为径向分量，求其标准差δ；利用3δ表征标志点的坐标变化量；支撑结构径向方向垂直于测量相机I的光轴；
具体解算时，建立系统坐标系(测量相机I坐标系)：以测量相机I的光心为原点O，以测量相机I的光轴为Z轴，设测量相机I光心指向测量部件中心的指向为直线X'，以Z轴与直线X'叉乘的结果为Y轴，以Y轴与Z轴的叉乘结果为X轴；此时径向分量即为Y轴方向的坐标分量；
为了保证精度，调节观测相机位置时，将其图像坐标系Y轴尽量靠近系统坐标系的XOZ平面；同时，观测相机的光轴尽可能平行于支持结构长度方向；
更具体的，图像坐标系Y轴与测系统坐标系的XOZ平面的最远距离小于50像素；
利用以下公式计算支撑结构因振动而产生的角度偏移值θ：
其中，p表示观测相机的像元尺寸、f表示观测相机的镜头焦距。
为了防止粗大误差数据的干扰；具体实施时，剔除超过预设值的径向分量，再求取标准差δ。
预设值设置为所有标志点径向分量均值的2倍。
其中，标志点为1个；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的图像中标志点圆心与图像中心之间的距离小于30像素；
或者：标志点有多个，均匀分布在靶标上；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的标志点位于图像的中间区域；求取图像中各个标志点中心坐标的均值，以均值表征所有标志点的像素坐标，根据不同时刻的均值坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量。
为了准确解算标志点的像素坐标，本实施例中，标志点为圆形标志点，提取靶标图像中标志点的像素坐标的方法包括如下步骤：
①对采集的靶标图像进行二值化处理，提取标志点连通域，得到椭圆特征的像素级边缘点；
②对像素级边缘点使用最小二乘法拟合椭圆，得到初始椭圆圆心；
③对于每个像素级边缘点，将其与初始椭圆圆心连线，沿连线，在边缘点的两侧查找N个亚像素点的灰度值，N≥2；灰度值计算方法为双线性插值或双三次插值；
将2N+1个亚像素点的灰度梯度极值点记为亚像素边缘点；
④记录各个亚像素边缘点，利用其拟合椭圆中心，作为标志点的像素坐标。
具体而言，当测量部件为投影仪或相机；测量相机I、测量部件之间的外参为两者之间的旋转平移关系；
当测量部件为线激光器；测量相机I、测量部件之间的外参为：线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程。
更具体的，当测量部件为投影仪或相机时，根据角度偏移值、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M，利用以下公式获取振动时的外参M'：
其中，无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M通过对测量相机I的外参标定获得。
当测量部件为线激光器，根据角度偏移值、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参的方法为：
记无振动时线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程:aX+bY+cZ+d＝0；有振动时的线激光器光平面为a′X+b′Y+c′Z+d′＝0；
则：
(a,b,c,d)表示无振动时线激光器的光平面参数，其通过对线激光器的标定或调取线激光器设计结构理论值获得。
进一步，步骤2)具体为：
I、对于空间中的点，利用无振动时的外参，解算各点三维坐标，记为初始坐标点，计算任意两个初始坐标点之间的欧氏距离L；
利用有振动时的外参，解算各点三维坐标，记为变换坐标点，计算任意两个变换坐标点之间的欧氏距离L′；
II、将步骤I中得出的欧式距离L、L′，对应作差，利用所有差值拟合直线，得出直线方程，将差值中的最大值代入直线方程，求得结果值，当结果值小于系统精度偏差容许值时，当前振动对视觉系统的影响程度可以接受。
其中，起振装置为振动发生器，实施时，其对视觉系统施加的连续振动频率和振幅模拟视觉系统实际使用环境中的频率、振幅。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (9)
1.一种用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，所述视觉系统包括支撑结构以及分别固定在支撑结构两端的测量相机I和测量部件；
所述测量部件为激光器、相机和投影仪中的一种或多种；
其特征在于，包括：
1)在支撑结构的一端设置观测相机，另一端安装靶标，所述靶标位于所述观测相机的视场范围内，其上设有标志点；
利用起振装置对视觉系统施加连续的振动，在振动期间，所述观测相机按照预设的帧率连续采集多张靶标图像，提取各张靶标图像中标志点的像素坐标，根据标志点在不同时刻的坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量，根据坐标变化量计算所述支撑结构因振动而在径向上产生的角度偏移值θ，方法如下：
分别统计各靶标图像上标志点在支撑结构径向方向上的坐标分量，记为径向分量，求其标准差δ；利用3δ表征标志点的坐标变化量；所述支撑结构径向方向垂直于测量相机I的光轴；
利用以下公式计算支撑结构因振动而产生的角度偏移值θ：
其中，p表示观测相机的像元尺寸、f表示观测相机的镜头焦距；
根据角度偏移值θ、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参，获得振动时的外参；
2)对于空间中的点，分别基于无振动时外参、步骤1)得到的振动时外参解算各点的三维坐标，对比相同点的三维坐标变化量；若变化量处于容许范围，则当前支撑结构的稳定性满足要求，否则，不满足。
2.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：剔除超过预设值的径向分量，再求取标准差δ。
3.如权利要求1用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：当所述测量部件为投影仪或相机；测量相机I、测量部件之间的外参为两者之间的旋转平移关系；
当所述测量部件为线激光器；测量相机I、测量部件之间的外参为：线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程。
4.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：当所述测量部件为投影仪或相机时，根据角度偏移值、无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M，利用以下公式获取振动时的外参M'：
其中，无振动时测量相机I和测量部件之间的外参M通过对测量相机I的外参标定获得。
5.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：当所述测量部件为线激光器，根据角度偏移值、无振动时测量相机I、测量部件之间的外参的方法为：
记无振动时线激光器在测量相机I坐标系下的光平面方程:aX+bY+cZ+d＝0；有振动时的线激光器光平面为a′X+b′Y+c′Z+d′＝0；
则：
(a,b,c,d)表示无振动时线激光器的光平面参数。
6.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：
标志点为1个；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的图像中标志点圆心与图像中心之间的距离小于30像素；
或者：标志点有多个，均匀分布在靶标上；预先调节靶标位置，使观测相机采集到的标志点位于图像的中间区域；求取图像中各个标志点中心坐标的均值，以均值表征所有标志点的像素坐标，根据不同时刻的均值坐标变化，统计振动引起的标志点的坐标变化量。
7.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：步骤2)具体为：
I、对于空间中的点，利用无振动时的外参，解算各点三维坐标，记为初始坐标点，计算任意两个初始坐标点之间的欧氏距离L；
利用有振动时的外参，解算各点三维坐标，记为变换坐标点，计算任意两个变换坐标点之间的欧氏距离L′；
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8.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：所述起振装置为振动发生器，其对视觉系统施加的连续振动频率和振幅模拟视觉系统实际使用环境中的频率、振幅。
9.如权利要求1所述用于视觉系统的支撑结构稳定性的评估方法，其特征在于：所述标志点为圆形标志点，提取靶标图像中标志点的像素坐标的方法包括如下步骤：
①对采集的靶标图像进行二值化处理，提取标志点连通域，得到椭圆特征的像素级边缘点；
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