CN114264249B - 深孔狭小内腔三维测量系统及方法 - Google Patents

深孔狭小内腔三维测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机器视觉测量领域，提供了一种深孔狭小内腔三维测量系统及方法，包括高分辨率相机与细长镜头、反射镜组、激光器和进给机构。本发明的深孔狭小内腔三维测量系统，结构简单紧凑，更容易深入狭小内腔内测量，系统中的反射镜组改变成像光路，为激光器的安装提供了不遮挡高分辨率相机成像的空间，激光器投射在内腔上的圆环形结构光就可以在单目立体视觉系统近距离范围内成像，且避免了透明玻璃罩带来的测量误差，提高了测量精度。此外，本发明采用了推进式结合结构光可完成360°内腔三维形貌的测量，无需附加的旋转运动，避免了旋转机构带来的系统误差，提高测量精度的同时降低了装置复杂度。

Description

深孔狭小内腔三维测量系统及方法
技术领域
本发明属于机器视觉测量领域，涉及一种采用视觉手段直接推进式测量深孔狭小内腔三维形貌的系统。
背景技术
深孔类小孔径零件在工业中应用广泛，测量其内腔状态在工程应用中尤为重要。该类零件存在大孔深、小孔径特点，检测难度大。常用的深孔内腔测量方法有接触式与非接触式两种手段，探头式测量是接触式测量的常用方法，因测量探头尺寸可以做到很小而容易进入狭小内腔，但其测量速度慢、采样点少，且易划伤零件表面；相比之下，作为非接触式测量手段的视觉测量方法测量效率高、采样点云密度高，能重建出内腔的三维稠密形貌，具有明显的测量优势。但深孔狭小腔体大孔深、小孔径的特点致使视觉测量手段很难介入，因此，实现深孔狭小内腔的高精度、高效率视觉测量难度很大，研究具有重要意义。
2017年，Artemis vision公司开发了3D管螺纹检测系统，该系统提出了一套在细长杆一端安装平面反射镜，在另一端并排安装激光器和相机的测量装置，测量时，相机采集激光器经平面反射镜反射在内孔表面的条形激光，然后细长杆带动平面反射镜沿内孔轴线旋转进给，最后利用算法分析条纹图案重建出三维内孔形貌。此外，2017年，浙江工业大学的汤一平在Chinese Journal of Scientific Instrument期刊上发表了题为“适用于管道内形貌检测的3D全景视觉传感器”的论文，该论文提出了相机与激光器同轴装配并一同进入内腔的测量方案，该测量方案需从相机后方引出透明玻璃罩来支撑相机前方的激光器，然后利用单目结构光的原理测量内腔三维形貌。现有发明存在以下不足之处：①相机和激光器并排安装尺寸大，不易进入内腔，所以测量内腔的深度有限；②细长杆的旋转误差会引入到测量系统中；③相机和激光器同轴装配进入内腔，安装在相机前端的激光器容易遮挡相机成像，当激光器与相机保持相对较远安装距离时，成像物距较大，导致激光条纹成像精度不高；④采用透明玻璃罩固定激光器，会使相机成像光路发生两次折射，这将进一步降低系统的测量精度。综上，现有深孔狭小内腔的三维测量手段具有较大局限性。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了一种深孔狭小内腔三维测量系统。
本发明的技术方案：
一种深孔狭小内腔三维测量系统，包括高分辨率相机1、细长镜头2、反射镜组3、激光器4、深孔狭小内腔6和进给机构7；
反射镜组3包括镜组外壳8、反射外镜9、反射内镜10、激光器圆孔11、内镜安装台12、镜组内平面13与镜组安装孔14；
反射镜组3的外壳为梯形体结构，下底边所在的平面为开口；镜组外壳8为腰所在的平面，镜组内平面13为上底边所在的平面；内镜安装台12固定于反射镜组3外壳内；内镜安装台12为直五棱柱结构，在其一侧面上开有激光器圆孔11；两块反射内镜10对称贴装在内镜安装台12中与激光器圆孔11所在侧面不相连的两侧面上，两块反射内镜10的一条长边与该两侧面所交的侧棱重合；两块反射外镜9对称贴装在镜组外壳8的内壁面上，反射外镜9的长边与镜组内平面13与镜组外壳8交线重合；激光器圆孔11、镜组安装孔14和两块反射内镜10交线的中点同轴；
高分辨率相机1、细长镜头2和反射镜组3依次连接组合成单目立体视觉系统，反射镜组3通过镜组安装孔14同轴装配在细长镜头2的前端，激光器4一端固定在反射镜组3上的激光器圆孔11上，激光器4另一端位于深孔狭小内腔6内，形成圆环形结构光5，借助圆环形结构光5强化深孔狭小内腔6信息，在三维层面实现深孔狭小内腔6的测量；高分辨率相机1通过其上的安装孔固定在进给机构7上。
一种深孔狭小内腔三维测量方法，步骤如下：
系统中的反射外镜9和反射内镜10利用光学反射原理改变成像光路，将高分辨率相机1的靶面一分为二，使得高分辨率相机1从两个视角近距离拍摄激光器4投射在深孔狭小内腔6上的圆环形结构光5的图像，实现双目视觉的三维测量；
反射镜组3内的两对反射镜呈对称布置，反射镜组3中反射镜的布置直接决定单目立体视觉系统的成像参数，影响成像参数的反射镜组3结构参数有四个：反射内镜10与镜组内平面13的夹角α、反射外镜9与镜组内平面13的夹角β、两反射内镜10交线的中点到相机光心之间的距离d、反射外镜9与镜组内平面13的交线到两反射内镜10交线的距离L；单目立体视觉系统成像参数与结构参数之间的关系为：
Figure BDA0003408810940000031
其中，θ为所选高分辨率相机1视场角的一半；l1和l2为不发生光路干涉的最小反射内镜10和反射外镜9的长度；DepthLow和DepthHigh分别为最近视场和最远视场所处的物距；FovMiddle为最大视场；通过公式1计算四个结构参数对单目立体视觉系统成像参数的影响，确定使单目立体视觉系统在两个视角下的成像均包含激光器4投射在深孔狭小内腔6上的圆环形结构光5的结构参数组合；
进给机构7带动圆环形结构光5中心沿深孔狭小内腔6轴线进给，完成360°全周扫描；在进给机构7的带动下，边推进边图像采集，获得整个进给过程中圆环形结构光5的序列图像，最后对序列图像中的每一张图像，利用分割算法分别提取该图像中两个视角下的圆环形结构光5中心，在立体匹配后重建出该图像圆环形结构光5处内腔的截面形状，这样，遍历所有序列图像，并结合进给机构7的速度信息，重建出整个内腔的三维形貌。
本发明的有益效果：本发明提出了深孔狭小内腔三维测量系统，相比于现有的测量系统，其结构更加简单紧凑，采用单目立体视觉系统模拟双目视觉，具有成本低、集成度高、同步好的优势，尤其适合高精度、高动态和空间受限的场合，并且本系统为激光器4提供了很好的安装位置，使得激光器4投射的圆环形结构光5能近距离落在内腔上，且避免了透明玻璃罩带来的测量误差，提高了测量精度。此外，本发明采用了推进式结合结构光可完成360°内腔三维形貌的测量，无需附加的旋转运动，避免了现有内腔测量方案中旋转机构带来的系统误差，提高测量精度的同时降低了装置复杂度。
附图说明
图1为深孔狭小内腔三维测量系统的结构图。
图2为反射镜组的结构图。
图中：1-高分辨率相机，2-细长镜头，3-反射镜组，4-激光器，5-圆环形结构光，6-深孔狭小内腔，7-进给机构，8-镜组外壳，9-反射外镜，10-反射内镜，11-激光器圆孔，12-内镜安装台，13-镜组内平面，14-镜组安装孔。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
图1为深孔狭小内腔三维测量系统的结构图。系统包括高分辨率相机1、细长镜头2、反射镜组3、激光器4、圆环形结构光5、深孔狭小内腔6、进给机构7。如图1所示，将组合好的高分辨率相机1和细长镜头2固定安装在进给机构7的工作台上，反射镜组3通过镜组安装孔14同轴装配在细长镜头2的前端，反射镜组3、高分辨率相机1和细长镜头2组成单目立体视觉系统，激光器4通过反射镜组3内的激光器圆孔11与细长镜头2同轴安装，最终保证圆环形结构光5的中心在上述两轴线上。
图2为反射镜组3的结构图。反射镜组3包含镜组外壳8、反射外镜9、反射内镜10和内镜安装台12。反射外镜9贴装在镜组外壳8的内壁上，反射内镜10贴装在内镜安装台12上，内镜安装台12直接装配在镜组外壳8内，内镜安装台12上设有激光器圆孔11，该激光器圆孔11用于安装激光器4。选用长1m、内腔直径12cm的油气管道作为深孔狭小内腔6进行测量。
采用单个高分辨率相机1、细长镜头2、反射镜组3及圆柱形激光器4实现深孔狭小内腔6的三维测量。首先，在细长镜头2的前端同轴装配反射镜组3，反射镜组3由四面平面反射镜按特定角度组合封装而成，它与高分辨率相机1和细长镜头2组合成一套单目立体视觉系统，该系统可通过反射镜组3改变成像光路，使高分辨率相机1能同时获取被测目标两个视角下的图像，实现双目视觉的三维测量功能；其次，反射镜组3改变了成像光路，这给激光器4的安装提供了不遮挡高分辨率相机1成像的空间，这样，激光器4就可以保证与细长镜头2同轴安装在反射镜组3上，从而使激光器4投射在内腔上的圆环形结构光5可在单目立体视觉系统近距离范围内成像；最后，进给机构7带动圆环形结构光5中心沿深孔狭小内腔6轴线进行推进式扫描，边推进边进行图像采集，以获得整个进给过程中圆环形结构光5的序列图像，最后对序列图像中的每一张图像，利用分割算法分别提取该图像中两个视角下的圆环形结构光5中心，在立体匹配后重建出该图像圆环形结构光5处内腔的截面形状，这样，遍历所有序列图像，并结合进给机构7的速度信息，就可以重建出整个内腔的三维形貌。本发明提出的测量系统相比于其他测量系统结构更加紧凑简单，更容易深入狭小内腔内测量。系统中的反射镜组3改变成像光路的形式使得系统具有三维测量功能，并为激光器4的安装提供了不遮挡高分辨率相机1成像的空间，使得激光器4投射的圆环形结构光5能近距离落在内腔上，且避免了透明玻璃罩带来的测量误差，测量精度更高。此外，本发明采用了推进式结合结构光可完成360°内腔三维形貌的测量，装置复杂度低，因不涉及机构旋转，避免了旋转机构带来的误差，进一步提高了系统的测量精度。
具体实施步骤如下：
(1)高分辨率相机与细长镜头
本发明为保证高精度成像，选用分辨率为1280×1024像素、帧频为120帧的高分辨率相机1。为了方便对油气管道内腔测量，选用长150mm、前端镜筒直径35mm、内置九对高精度反射镜的细长镜头2，该镜头对焦距离小，可以近距离拍摄清晰的圆环形结构光5图像。
(2)反射镜组
本发明的反射镜组3结构如图2所示，反射镜组3由一对反射内镜10、一对反射外镜9、镜组外壳8和内镜安装台12组成。反射内镜10尺寸为20×14×1.5mm，反射外镜9尺寸为25×15×1.5mm，一对反射内镜10和一对反射外镜9均呈对称布置，反射外镜9贴装在镜组外壳8的内壁上，反射内镜10贴装在内镜安装台12上，内镜安装台12直接装配在反射镜组3内，反射镜组3整体通过镜组安装孔14同轴装配在细长镜头2的前端。设定单目立体视觉系统的工作距离为300mm，编制程序，计算确定单目立体视觉系统可在该距离下对内腔成像的最佳参数组合，确定的α、β、d、L为：反射内镜10与镜组内平面13的夹角α＝50°、反射外镜9与镜组内平面13的夹角β＝40°、两反射内镜10交线的中点到相机光心之间的距离d＝48mm、反射外镜9与镜组内平面13的交线到两反射内镜10的交线的距离L＝17mm。
(3)激光器及安装
根据程序计算的参数，可确定紧靠反射镜组3前端不遮挡相机成像的区域的大小，根据区域大小选用长度为60mm的激光器4，调节激光器4使得圆环形结构光5清晰地投射在距反射镜组3前端300mm处的内腔上，在这种情况下，单目立体视觉系统的成像范围包含激光器4投射在油气管道内腔的圆环形结构光5，使得高分辨率相机1能从两个视角同时采集到完整的圆环形结构光5图像。
如图2所示，激光器4同轴装配在反射镜组3中的激光器圆孔11上，并通过激光器圆孔11保证激光器4与细长镜头2同轴，最终保证圆环形结构光5的中心在上述两轴线上。
(4)进给机构
如图1所示，本发明中高分辨率相机1、细长镜头2、反射镜组3和激光器4组成的整体安装在进给机构7上，该进给机构7带动圆环形结构光5中心沿油气管道轴线进行推进式扫描，测量系统在进给机构7的推进过程中实时采集圆环形结构光5的序列图像，最后对序列图像中的每一张图像，利用分割算法分别提取该图像中两个视角下的圆环形结构光5中心，在立体匹配后重建出该图像圆环形结构光5处内腔的截面形状，这样，遍历所有序列图像，并结合进给机构7的速度信息，就可以重建出整个内腔的三维形貌。
本发明采用单目立体视觉测量技术实现深孔狭小内腔6的三维测量，与现有测量系统相比，结构更加简单紧凑，系统中的反射镜组3改变成像光路的形式使得系统具有三维测量功能，并为激光器4的安装提供了不遮挡高分辨率相机1成像的空间，使得激光器4投射的圆环形结构光5能近距离落在内腔上，且避免了透明玻璃罩带来的测量误差，测量精度更高。本发明采用推进式结合结构光可完成360°内腔三维形貌的测量，无需旋转，装置复杂度更低，进一步提高了测量精度。本发明提出的测量装置简单可靠，并且精度更高，简化了深孔狭小内腔6三维测量的流程。

Claims (2)

1.一种深孔狭小内腔三维测量系统，其特征在于，该深孔狭小内腔三维测量系统包括高分辨率相机(1)、细长镜头(2)、反射镜组(3)、激光器(4)、深孔狭小内腔(6)和进给机构(7)；
反射镜组(3)包括镜组外壳(8)、反射外镜(9)、反射内镜(10)、激光器圆孔(11)、内镜安装台(12)、镜组内平面(13)与镜组安装孔(14)；
反射镜组(3)的外壳为梯形体结构，下底边所在的平面为开口；镜组外壳(8)为腰所在的平面，镜组内平面(13)为上底边所在的平面；内镜安装台(12)固定于反射镜组(3)外壳内；内镜安装台(12)为直五棱柱结构，在其一侧面上开有激光器圆孔(11)；两块反射内镜(10)对称贴装在内镜安装台(12)中与激光器圆孔(11)所在侧面不相连的两侧面上，两块反射内镜(10)的一条长边与该两侧面所交的侧棱重合；两块反射外镜(9)对称贴装在镜组外壳(8)的内壁面上，反射外镜(9)的长边与镜组内平面(13)与镜组外壳(8)交线重合；激光器圆孔(11)、镜组安装孔(14)和两块反射内镜(10)交线的中点同轴；
高分辨率相机(1)、细长镜头(2)和反射镜组(3)依次连接组合成单目立体视觉系统，反射镜组(3)通过镜组安装孔(14)同轴装配在细长镜头(2)的前端，激光器(4)一端固定在反射镜组(3)上的激光器圆孔(11)上，激光器(4)另一端位于深孔狭小内腔(6)内，形成圆环形结构光(5)，借助圆环形结构光(5)强化深孔狭小内腔(6)信息，在三维层面实现深孔狭小内腔(6)的测量；高分辨率相机(1)通过其上的安装孔固定在进给机构(7)上。
2.一种如权利要求1所述的系统的测量方法，其特征在于，步骤如下：
系统中的反射外镜(9)和反射内镜(10)利用光学反射原理改变成像光路，将高分辨率相机(1)的靶面一分为二，使得高分辨率相机(1)从两个视角近距离拍摄激光器(4)投射在深孔狭小内腔(6)上的圆环形结构光(5)的图像，实现双目视觉的三维测量；
反射镜组(3)内的两对反射镜呈对称布置，反射镜组(3)中反射镜的布置直接决定单目立体视觉系统的成像参数，影响成像参数的反射镜组(3)结构参数有四个：反射内镜(10)与镜组内平面(13)的夹角α、反射外镜(9)与镜组内平面(13)的夹角β、两反射内镜(10)交线的中点到相机光心之间的距离d、反射外镜(9)与镜组内平面(13)的交线到两反射内镜(10)交线的距离L；单目立体视觉系统成像参数与结构参数之间的关系为：
Figure FDA0004158111790000021
其中，θ为所选高分辨率相机(1)视场角的一半；l1和l2为不发生光路干涉的最小反射内镜(10)和反射外镜(9)的长度；DepthLow和DepthHigh分别为最近视场和最远视场所处的物距；FovMiddle为最大视场；通过公式(1)计算四个结构参数对单目立体视觉系统成像参数的影响，确定使单目立体视觉系统在两个视角下的成像均包含激光器(4)投射在深孔狭小内腔(6)上的圆环形结构光(5)的结构参数组合；
进给机构(7)带动圆环形结构光(5)中心沿深孔狭小内腔(6)轴线进给，完成360°全周扫描；在进给机构(7)的带动下，边推进边图像采集，获得整个进给过程中圆环形结构光(5)的序列图像，最后对序列图像中的每一张图像，利用分割算法分别提取该图像中两个视角下的圆环形结构光(5)中心，在立体匹配后重建出该图像圆环形结构光(5)处内腔的截面形状，这样，遍历所有序列图像，并结合进给机构(7)的速度信息，重建出整个内腔的三维形貌。
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