CN114087989A - 汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统，其中，方法包括：S10获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；S20针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量，提高汽车缸体工件定位孔圆心检测效率的同时降低检测成本。

Description

汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统。
背景技术
汽车缸体工件的定位孔是工业生产中作为工艺基准的重要特征，一般用于限制各产品零部件的自由度，因此实现汽车缸体工件定位孔的中心点检测是工业产品标准化和系统化的必然要求。
目前，对于汽车缸体工件定位孔圆心坐标的检测一般采用2D视觉的图像处理和空间物体表面坐标测量仪来实现。2D视觉的图像处理已经很成熟，一般通过图像匹配进行图像的目标识别，再通过目标在图像中的大小估算目标距离，这种方法的优点是成本低，但一般通过估算的方法获取的汽车缸体工件定位孔的Z方向距离坐标，测量精度不高。空间物体坐标测量仪虽然可以实现汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标的检测，但由于成本高昂，操作比较复杂，检测效率低，不适应在较短时间内对汽车缸体工件的定位孔检测。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统，提高汽车缸体工件定位孔圆心检测效率的同时降低检测成本。
本发明提供的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，包括：
S10获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；
S20针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；
S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；
S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
另一方面，本发明提供了一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统，应用于上述汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，所述汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统包括：
图像获取装置，用于获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；
图像数据处理终端，用于对采集的点云图像进行处理，完成定位孔圆心三维坐标测量，包括：
平面拟合模块，用于针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；
边界特征提取模块，用于基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；
定位孔圆心测定模块，用于对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
本发明提供的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法及系统，利用alphashapes算子和空间圆拟合的方法有效解决了工件平面测量方法中不能获取Z方向坐标的问题，从而有效提升了检测的效率和检测的可靠性；另外，在测量系统上采用工业3D相机加工控机的方式，能够有效降低企业的检测成本。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法一种实施例流程示意图；
图2为本发明针对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合得到空间圆的三维坐标的流程示意图；
图3为本发明汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量装置一种实施例结构示意图；
图4为一实例中定位孔工件圆环区域可视化结果。
附图标记说明：
100-汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统，110-图像获取装置，120-图像数据处理终端，111-平面拟合模块，112-边界特征提取模块，113-定位孔圆心测定模块
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
本发明的第一种实施例，一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，包括：
S10获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；
S20针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；
S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；
S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
在本实施例中，在步骤S10中，采用工业3D相机采集待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像。在步骤S20针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合中，通过加入方向向量约束改进的RANSAC的方法实现，包括：
S21从点云图像的点云中随机选取三个点组成一个平面；
S22计算所有其他点到该平面的距离，并与预设距离阈值进行比较；若小于预设距离阈值，判定该点为处于同一平面内的点集(获取内点)，否则判定为离群点；这里距离阈值需要根据汽车缸体工件点云数据量的大小进行设定，例如，依据汽车缸体工件点云数据量采用函数setDistancethreshold(0.01)将距离阈值设定为0.01mm。
S23加入方向向量夹角约束，指定平面垂直于Z轴，计算平面内各点方向向量与设定Z轴方向的夹角，用该夹角与设定的Z轴方向角度阈值进行比较，设定角度阈值作用在于对包含圆环的点云区域进行方向校正，保证整个平面平行于XY轴，对小于该角度阈值的平面内的点集进行标记；这里角度阈值根据汽车缸体工件点云数据量的大小进行设定，例如，依据汽车缸体工件点云数据量采用函数setEpsAngle(0.05)将角度阈值设定为0.05弧度。
S24对标记的点集进行迭代运算，重复S21到S23，达到内点个数最多的模型参数时结束，输出平面模型的参数，平面模型参数方程为Ax+By+Cz＝D。
在步骤S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取中，通过alpha shapes算子对圆环的边界特征进行提取，包括：
S31对于定位孔圆环点云中的任意一点P，记滚动圆半径为r，在点云内搜索距离P点2r内的所有点，记做点集Q。滚动圆半径r根据实际情况进行设定，r值过大时会导致提取非边缘特征点，r值过小会造成边缘点特征提取较少的情况出现，不利于后续空间圆的拟合。如一实例中，设置滚动圆半径(alpha参数圆半径值)为r为0.01mm。
S32选取Q中任意一点p1(x1,y1)，根据p1点坐标和半径r，任取定位孔圆环点云中到p1点坐标距离为r的两点p2和p3；
S33分别计算Q点集中除p1点的其他点到p2和p3点的距离，并与半径r进行比较；若所有点到p2或p3点的距离均大于r，判定p1点为边界点；否则跳转至步骤S34；
S34遍历点集Q中的所有点，判断是否至少存在一点到p2或p3点的距离均大于r；若是，判定p1点为边界点，终止该点的判断，并跳转至步骤S32进入下一点的判定步骤。
在步骤S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量中，如图2所示，包括：
S41从提取的圆环边界特征的边界点数据中随机选取能组成空间圆模型的最小数目的元素，这里的最小数目元素依据所需最少的点求解圆空间参数方程，由要求解三个未知量可知，元素最小数目个数为3。并基于选定的元素计算出相应的模型参数。这里，根据下式圆环的空间坐标方程设定空间圆模型：
Figure BDA0003364442760000041
其中，(x0,y0,z0)表示空间圆模型的圆心坐标，(x,y,z)表示空间圆模型表面的任意一点，A、B、C和D均表示系数。
S42遍历所有的边界点数据，对边界点数据中的其他点是否符合空间圆模型进行判断，将边界点超出模型距离阈值的点判定为离群点并剔除，小于阈值的点被判定为内点并保留。这里，依据汽车缸体工件采集的边缘特征点情况和边沿点云稀疏的特点对上述阈值进行设定，如采用函数setDistancethreshold(0.05)将模型拟合的阈值设定为0.05mm。
S43将判定为内点的点加入到空间圆模型中进行拟合，利用KD树加速搜索提取的边缘点数据，并进行多次迭代运算后求出空间圆的参数，计算得到圆孔中心点坐标，完成测量。
对上述实施例进行改进得到本实施例，在本实施例中，步骤S20针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合之前，还包括：S50对采集的点云图像进行去噪操作，去噪的方法可以实际情况进行选定，这里不做具体限定。一实例中，采用领域半径滤波的方法对定位孔区域点云进行去噪，包括：
S51针对采集的点云图像中的点云数据构造KD树，建立点云拓扑关系；
S52求点云区域中任意一点领域范围内近邻点的个数；
S53将各个点的近邻点个数与判定阈值进行比较，若小于判定阈值，判定该点为噪声点并去除。
在上述去噪过程中，根据工件表面点云采集的数据量大小对半径滤波器的半径大小进行调整，结合实际经验，半径大小在0.3～1mm之间较为合适。一实例中，函数outrem.setRadiusSearch(0.5)设定半径滤波半径值为0.5mm。
另外，为了降低计算机的硬件开销，提升计算效率，在步骤S20针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合之后，还包括：S60对点云进行体素下采样操作，体素下采样的方法同样可以实际情况进行选定，这里不做具体限定。如，一实例中，采用体素滤波(VoxelGrid)的方法对点云进行体素下采样操作，设定体素栅格数值为setleafsize(0.1,0.1,0.1)，体素栅格设定的最小栅格边长为0.1mm，以降低采集点云图像中点的数量。
本发明的另一实施例，一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统100，应用于上述汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，如图3所示，该汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统包括：图像获取装置110，用于获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；图像数据处理终端120，用于对采集的点云图像进行处理，完成定位孔圆心三维坐标测量，包括：平面拟合模块121，用于针对点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；边界特征提取模块122，用基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；定位孔圆心测定模块123，用于对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
在本实施例中，图像获取装置110采用工业3D相机采集待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像。图像数据处理终端120获取了图像获取装置110采集的点云图像之后，将其转化成可编辑处理的图像数据文件，例如，可以使用HALCON(机器视觉算法包)、PCL(Point Cloud Library，点云库)等软件库进行处理。
平面拟合模块121通过加入方向向量约束改进的RANSAC的方法实现，处理过程包括：首先，从点云图像的点云中随机选取三个点组成一个平面；之后，计算所有其他点到该平面的距离，并与预设距离阈值进行比较；若小于预设距离阈值，判定该点为处于同一平面内的点集(获取内点)，否则判定为离群点；这里距离阈值需要根据汽车缸体工件点云数据量的大小进行设定。接着，加入方向向量夹角约束，指定平面垂直于Z轴，计算平面内各点方向向量与设定Z轴方向的夹角，用该夹角与设定的Z轴方向角度阈值进行比较，设定角度阈值作用在于对包含圆环的点云区域进行方向校正，保证整个平面平行于XY轴，对小于该角度阈值的平面内的点集进行标记，角度阈值根据汽车缸体工件点云数据量的大小进行设定；最后，对标记的点集进行迭代运算，重复上述步骤，达到内点个数最多的模型参数时结束，输出平面模型的参数，平面模型参数方程为Ax+By+Cz＝D。
边界特征提取模块122通过alpha shapes算子对圆环的边界特征进行提取，处理过程包括：首先，对于定位孔圆环点云中的任意一点P，记滚动圆半径为r，在点云内搜索距离P点2r内的所有点，记做点集Q。滚动圆半径r根据实际情况进行设定，r值过大时会导致提取非边缘特征点，r值过小会造成边缘点特征提取较少的情况出现，不利于后续空间圆的拟合。如一实例中，设置滚动圆半径(alpha参数圆半径值)为r为0.01mm。之后，选取Q中任意一点p1(x1,y1)，根据p1点坐标和半径r，任取定位孔圆环点云中到p1点坐标距离为r的两点p2和p3；之后，分别计算Q点集中除p1点的其他点到p2和p3点的距离，并与半径r进行比较；若所有点到p2或p3点的距离均大于r，判定p1点为边界点；否则遍历点集Q中的所有点，判断是否至少存在一点到p2或p3点的距离均大于r；若是，判定p1点为边界点，终止该点的判断，并进入下一点的判定步骤。
定位孔圆心测定模块123完成对汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量的过程包括：首先，从提取的圆环边界特征的边界点数据中随机选取能组成空间圆模型的最小数目的元素，并基于选定的元素计算出相应的模型参数。之后，遍历所有的边界点数据，对边界点数据中的其他点是否符合空间圆模型进行判断，将超出错误阈值的元素判定为离群点并剔除，小于阈值的点被判定为内点并保留。最后，将判定为内点的点加入到空间圆模型中进行拟合，利用KD树加速搜索提取的边缘点数据，并进行多次迭代运算后求出空间圆的参数，计算得到圆孔中心点坐标，完成测量。
对上述实施例进行改进得到本实施例，在本实施例中，图像数据处理终端还包括去噪模块，分别与点云图像获取模块和平面拟合模块连接，用于对采集的点云图像进行去噪操作；和/或，体素下采样模块，分别与平面拟合模块和边界特征提取模块连接，用于对点云进行体素下采样操作。其中，去噪模块可以采用领域半径滤波的方法对定位孔区域点云进行去噪，包括：首先，针对采集的点云图像中的点云数据构造KD树，建立点云拓扑关系；之后，求点云区域中任意一点领域范围内近邻点的个数；最后，将各个点的近邻点个数与判定阈值进行比较，若小于判定阈值，判定该点为噪声点并去除。在这一去噪过程中，根据工件表面点云采集的数据量大小对半径滤波器的半径大小进行调整，结合实际经验，半径大小在0.3～1mm之间较为合适。体素下采样模块可以采用体素滤波(VoxelGrid)等方法对点云进行体素下采样操作。
为了便于操作，图像处理终端中还包含人机交互界面，该界面输出圆心坐标测量结果并可视化汽车缸体工件圆环区域的点云数据。另外，图像处理终端根据系统情况对采集的点云数据进行处理，若是在线模式，则将处理结果上传至数据库；若是离线模式，则将测量结果保存至本地，然后执行机构切换下一个工件进行图像采集和测量。该汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统检测效率高、结构简单、可靠性高、成本较低，为企业汽车缸体工件的定位孔检测提供智能化的解决方案。
一实例中，采用工业3D相机采集待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像如图4中的(a)所示，采用上述方法及系统提取的圆环的边界特征如图4中的(b)所示。于图像处理终端含人机交互界面可视化显示的信息包括：
提取边界点个数为：3229
圆心的x的坐标：-7.38158
圆心的y的坐标：8.84736
圆心的z的坐标：-5.11681
圆的半径：9.04003
圆法向量：5.4544e-05，-0.00102295，0.999999。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，包括：
S10获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；
S20针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；
S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；
S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
2.如权利要求1所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，在所述步骤S20针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合中，通过加入方向向量约束改进的RANSAC的方法实现，包括：
S21从所述点云图像的点云中随机选取三个点组成一个平面；
S22计算所有其他点到该平面的距离，并与预设距离阈值进行比较；若小于预设距离阈值，判定该点为处于同一平面内的点集，否则判定为离群点；
S23加入方向向量夹角约束，指定平面垂直于Z轴，计算平面内各点方向向量与设定Z轴方向的夹角，用该夹角与设定的Z轴方向角度阈值进行比较，设定角度阈值作用在于对包含圆环的点云区域进行方向校正，保证整个平面平行于XY轴，对小于该角度阈值的平面内的点集进行标记；
S24对标记的点集进行迭代运算，重复S21到S23，达到内点个数最多的模型参数时结束，输出平面模型的参数，平面模型参数方程为Ax+By+Cz＝D。
3.如权利要求1所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，在所述步骤S30基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取中，通过alphashapes算子对圆环的边界特征进行提取，包括：
S31对于定位孔圆环点云中的任意一点P，记滚动圆半径为r，在点云内搜索距离P点2r内的所有点，记做点集Q；
S32选取Q中任意一点p1(x1,y1)，根据p1点坐标和半径r，任取定位孔圆环点云中到p1点坐标距离为r的两点p2和p3；
S33分别计算Q点集中除p1点的其他点到p2和p3点的距离，并与半径r进行比较；若所有点到p2或p3点的距离均大于r，判定p1点为边界点；否则跳转至步骤S34；
S34遍历点集Q中的所有点，判断是否至少存在一点到p2或p3点的距离均大于r；若是，判定p1点为边界点，终止该点的判断，并跳转至步骤S32进入下一点的判定步骤。
4.如权利要求1或2或3所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，所述步骤S20针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合之前，还包括：S50对采集的点云图像进行去噪操作。
5.如权利要求4所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，在步骤S50对采集的点云图像进行去噪操作中，采用领域半径滤波的方法对定位孔区域点云进行去噪，包括：
S51针对采集的点云图像中的点云数据构造KD树，建立点云拓扑关系；
S52求点云区域中任意一点领域范围内近邻点的个数；
S53将各个点的近邻点个数与判定阈值进行比较，若小于判定阈值，判定该点为噪声点并去除。
6.如权利要求1或2或3所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，所述步骤S20针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合之后，还包括：S60对点云进行体素下采样操作。
7.如权利要求6所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，在所述步骤S60对点云进行体素下采样操作中，采用体素滤波的方法对点云进行体素下采样操作。
8.如权利要求1或2或3或5或7所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，其特征在于，在所述步骤S40对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量中，包括：
S41从提取的圆环边界特征的边界点数据中随机选取能组成空间圆模型的最小数目的元素，并基于选定的元素计算出相应的模型参数；
S42对边界点数据中的其他点是否符合空间圆模型进行判断，将边界点超出模型距离阈值的点判定为离群点并剔除，小于阈值的点被判定为内点；
S43将判定为内点的点加入到空间圆模型中进行拟合并进行多次迭代运算后求出空间圆的参数，计算得到圆孔中心点坐标，完成测量。
9.一种汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统，其特征在于，应用于如权利要求1-8任意一项所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量方法，所述汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量系统包括：
图像获取装置，用于获取待测量汽车缸体工件定位孔区域的点云图像；
图像数据处理终端，用于对采集的点云图像进行处理，完成定位孔圆心三维坐标测量，包括：
平面拟合模块，用于针对所述点云图像，对其中包含有圆环的点云区域进行平面拟合；
边界特征提取模块，用基于平面拟合得到定位孔圆环点云，对圆环的边界特征进行提取；
定位孔圆心测定模块，用于对提取的圆环边界特征进行空间圆拟合，得到空间圆的三维坐标，完成对汽车缸体工件定位孔圆心的三维坐标测量。
10.如权利要求9所述的汽车缸体工件定位孔圆心三维坐标测量装置，其特征在于，所述图像数据处理终端还包括去噪模块，分别与所述点云图像获取模块和平面拟合模块连接，用于对采集的点云图像进行去噪操作；和/或，体素下采样模块，分别与所述平面拟合模块和边界特征提取模块连接，用于对点云进行体素下采样操作。
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