CN114383522A - 一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，所述反光差异工件包括反光率不同的区域，将反光率高的表面记为亮面、反光率低的表面记为暗面；线激光器向特征位置处投射激光条，相机连续采集两幅激光条图像；在低亮度激光条图像中提取亮面上的激光条中心线，记为光条I；在高亮度激光条图像中提取暗面上的激光条中心线，记为光条II；利用所述光条I和光条II求取间隙值和/或面差值；本方法能够有效解决因被测工件表面反光差异导致光条采集质量差，无法准确获取间隙面差值的问题；具有普适性好、成本低、速度快、精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及结构光测量领域，具体涉及一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法。
背景技术
近年来随着光电传感技术、计算机技术和光学半导体技术的高速发展，线结构光测量以其非接触高效实时测量的特点而广泛应用于工业检测、目标识别和逆向工程领域中。其中，利用线结构光测量产品表面的间隙、面差特征，逐渐成为主流的自动化检测方法，检测过程为：将线结构光投射到被测物体表面，通过相机拍摄到激光条图像，再由光条中心提取算法及相机标定模型共同推算出被测物体表面的三维坐标信息。在此过程中，激光条的拍摄质量，决定了光条中心点的提取精度，理想的激光条图像具有光条粗细均匀，曝光适中的特点，当被测工件表面材质、颜色差异较小时，其不同位置的光反率是相同的，通过调节激光器发光功率、相机曝光时间，可以拍摄到较为理想的激光条图像；但是，由于间隙、面差特征通常处于产品的组装位置，而组装件往往是由不同材质、颜色的零件构成，如汽车车灯的组装件：透明/半透明材质的车灯被组装到漆面钣金件的车身上；由于工件上不同区域的反光率相差较大(车灯区域反光率低、车身反光率高)，就容易出现反光率高的区域上激光条过亮、反光率低的区域上激光条过暗，难以拍摄到较理想的激光条图像；对于这种情况，现有方法要么选用波长不超过375nm短波长激光器，要么选用支持HDR功能的工业相机，两种方法均存在设备成本高、可选类型少、难以适配测量设备等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，能够有效解决因被测工件表面反光差异导致光条采集质量差，无法准确获取间隙面差值的问题；本方法可以适用于普通间隙、面差测量设备(普通相机+激光器)，无需额外选型为反光差异工件设计专门测量设备，极大降低了设备成本。具有普适性好、成本低、速度快、精度高的特点。
技术方案如下：
一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，所述反光差异工件包括反光率不同的区域，将反光率高的表面记为亮面、反光率低的表面记为暗面，所述亮面和暗面之间形成有间隙和/或面差特征；
将测量设备移动到间隙和/或面差特征附近，所述测量设备包括相机和线激光器；线激光器向特征位置处投射激光条，相机连续采集两幅激光条图像；依据两幅激光条图像上激光条的亮度将其分别记为低亮度激光条图像和高亮度激光条图像；
在所述低亮度激光条图像中提取亮面上的激光条中心线，记为光条I；
在所述高亮度激光条图像中提取暗面上的激光条中心线，记为光条II；
利用所述光条I和光条II求取间隙值和/或面差值。
进一步，所述低亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率小于0.4×额定功率，或者，调节相机曝光时间小于3ms；
所述高亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率大于0.8×额定功率，或者，调节相机曝光时间大于4ms。
进一步，利用所述光条I和光条II求取间隙值和/或面差值的方式为：
在光条I中查找与光条II距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标A；
在光条II中查找与光条I距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标B；
将坐标A与坐标B之间的水平距离记为间隙值、竖直距离记为面差值。
进一步，光条I提取方法为：对低亮度激光条图像进行二值化处理和连通域分析；将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条I。
优选，光条II的提取方法为：先从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条，再对余下的暗面区域中的激光条进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条II。
进一步，从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条的方式包括以下两种：
方式一：利用阈值T对高亮度激光条图像进行二值化处理，得到二值化图像A；
对二值化图像A进行开运算，滤除暗面上的激光条，得到二值化图像B；开运算核的尺寸大于暗面上激光条的线宽，小于亮面上激光条的线宽；
二值化图像A减去二值化图像B，得到二值化图像C，所述二值化图像C中仅余下暗面区域中的激光条，对二值化图像C进行连通域分析；
方式二：先提取光条I，在低亮度激光条图像获取光条I的最小外接矩形，在该最小外接矩形的四个边中查找距离整幅图像中心位置最近的边，记为线条A；
将线条A对应到高亮度激光条图像中，过该线条作贯穿整幅图像的分割线，将高亮度激光条图像中的暗面与亮面分割为两部分；剔除亮面所在的图像区域，余下暗面所在的图像区域，对该区域进行二值化处理、连通域分析。
进一步，对余下的暗面区域进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域的方法为：
对二值化的暗面区域进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；所述预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
从余下的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸；
再利用光条中心提取方法，获取最大连通域内激光条中心线，记为光条II。
优选，光条中心提取方法为重心法或Steger方法。
进一步，所述反光差异工件为车灯安装件，所述亮面为车灯安装处的金属钣金件、暗面为车灯区域，所述间隙特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件之间的缝隙；面差特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件所在平面之间的高度差。
当所述反光差异工件为车灯安装件时，优选，光条II的提取方法为：
先从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条所在的图像区域，再对余下的暗面区域进行以下处理：对二值化的暗面区域进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；所述预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
遍历余下的连通域，分别计算每个连通域内像素点y轴坐标的均值；将得到坐标均值较大的2～4个连通域保留，其他连通域剔除；
从被保留的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸；
再利用重心法或Steger方法，获取最大连通域内的激光条中心线；
将光条中心线上各点的x轴坐标从小到大排序，判断相邻两个x轴坐标的差值是否小于阈值，若是则认为两个坐标点连续，若否，则认为两个坐标点不连续；分别判断每个点的x轴坐标，将各个连续的坐标点存储到同一个点集中；再提取出包含坐标点最多的点集，将其内部的各点形成的线条记为光条II。
本发明方法通过采集两张不同亮度的图像，并利用不同图像分别处理亮面、暗面上的激光条，能够有效解决因被测工件表面反光差异导致光条中心提取不准确的问题；并且对于间隙面差测量设备的类型没有额外要求，无论是固定式的、机器人携带式的、还是手持式的间隙面差测量设备，本方法都能够适用。
由于仅需要采集两幅图像、并且只需调节激光器功率或者相机曝光时间，调节速度快、图像拍摄时间短(毫秒级)，能够适用于普通间隙、面差测量设备(普通相机+激光器)，无需额外选型为反光差异工件设计专门测量设备，极大降低了设备成本。
附图说明
图1为具体实施方式中低亮度激光条图像中最小外接矩形示意图；
图2为具体实施方式中低亮度激光条图像中亮面上的激光条中心线示意图；
图3为具体实施方式高亮度激光条图像中线条A以及分割线示意图；
图4为具体实施方式高亮度激光条图像中暗面上的激光条中心线示意图；
图5为具体实施方式高亮度激光条图像中暗面区域二值化后的图像。
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。
一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，反光差异工件包括反光率不同的区域，将反光率高的表面记为亮面、反光率低的表面记为暗面，亮面和暗面之间形成有间隙和/或面差特征；
将测量设备移动到间隙和/或面差特征附近，测量设备包括相机和线激光器；线激光器向特征位置处投射激光条，相机连续采集两幅激光条图像；依据两幅激光条图像上激光条的亮度将其分别记为低亮度激光条图像和高亮度激光条图像；
在低亮度激光条图像中提取亮面上的激光条中心线，记为光条I；
在高亮度激光条图像中提取暗面上的激光条中心线，记为光条II；
具体的，低亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率小于0.4×额定功率，或者，调节相机曝光时间小于3ms；
高亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率大于0.8×额定功率，或者，调节相机曝光时间大于4ms。
利用光条I和光条II求取间隙值和/或面差值，具体方式为：
在光条I中查找与光条II距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标A；
在光条II中查找与光条I距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标B；
将坐标A与坐标B之间的水平距离记为间隙值、竖直距离记为面差值。
其中，光条I提取方法为：对低亮度激光条图像进行二值化处理和连通域分析；将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，如图2所示，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条I。
光条II的提取方法为：先从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条，再对余下的暗面区域中的激光条进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条II。
其中，从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条的方式包括以下两种：
方式一：利用阈值T对高亮度激光条图像进行二值化处理，得到二值化图像A；
对二值化图像A进行开运算，滤除暗面上的激光条，得到二值化图像B；开运算核的尺寸大于暗面上激光条的线宽，小于亮面上激光条的线宽；
二值化图像A减去二值化图像B，得到二值化图像C，二值化图像C中仅余下暗面区域中的激光条，对二值化图像C进行连通域分析；
方式二：先提取光条I，如图1所示，在低亮度激光条图像获取光条I的最小外接矩形，在该最小外接矩形的四个边中查找距离整幅图像中心位置最近的边，记为线条A；
将线条A对应到高亮度激光条图像中，如图3所示，过该线条作贯穿整幅图像的分割线，将高亮度激光条图像中的暗面与亮面分割为两部分；剔除亮面所在的图像区域，余下暗面所在的图像区域，对该区域进行二值化处理、连通域分析。
更具体的，对余下的暗面区域进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域的方法为：
二值化的暗面区域进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
从余下的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸；
再利用光条中心提取方法，获取最大连通域内激光条中心线，记为光条II。
优选，光条中心提取方法为重心法或Steger方法。
以下步骤以车灯安装件间隙、面差特征的检测为例，进行示例性阐述：
一种测量车灯安装件间隙、面差的方法，其中，亮面为车灯安装处的金属钣金件、暗面为车灯区域，间隙特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件之间的缝隙；面差特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件所在平面之间的高度差。
将测量设备(手持式间隙面差测量设备或者机器人式间隙面差测量设备)移动到间隙和/或面差特征附近，测量设备包括相机和线激光器；线激光器向特征位置处投射激光条，调节激光器发光功率小于0.4×额定功率，或者，调节相机曝光时间小于3ms；相机采集激光条图像，记为低亮度激光条图像，如图1所示，本实施例中，由于背景区域较暗，低亮度激光条整体图像的平均灰度值为18；
再调节激光器发光功率大于0.8×额定功率，或者，调节相机曝光时间大于4ms；相机采集激光条图像，记为高亮度激光条图像，如图3所示，本实施例中，高亮度激光条整体图像的平均灰度值为35。
在低亮度激光条图像中提取亮面上的激光条中心线，记为光条I；
具体方法如下：光对低亮度激光条图像进行二值化处理和连通域分析；将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，如图2所示，记为光条I。
在高亮度激光条图像中提取暗面上的激光条中心线，记为光条II；
具体方法如下：
如图1所示，在低亮度激光条图像获取光条I的最小外接矩形，在该最小外接矩形的四个边中查找距离整幅图像中心位置最近的边，记为线条A；
将线条A对应到高亮度激光条图像中，如图3所示，过该线条作贯穿整幅图像的分割线，将高亮度激光条图像中的暗面与亮面分割为两部分；剔除亮面所在的图像区域；
再对余下的暗面区域(如图4)进行以下处理：对二值化的暗面区域(如图5)进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸，本实施例中，膨胀核高度为3，宽度为7；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
由于实际采集时，如图3～5所示，车灯内部反光形成的噪点在图像上的y坐标小于光条的y坐标，所以通过y坐标进行以下筛选：
遍历余下的连通域，分别计算每个连通域内像素点y轴坐标的均值；将得到坐标均值较大的2～4个连通域保留，其他连通域剔除；
从被保留的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸，本实施例中，膨胀核高度为5，宽度为3；
再利用重心法或Steger方法，获取最大连通域内的激光条中心线；
将光条中心线上各点的x轴坐标从小到大排序，判断相邻两个x轴坐标的差值是否小于阈值，若是则认为两个坐标点连续，若否，则认为两个坐标点不连续；分别判断每个点的x轴坐标，将各个连续的坐标点存储到同一个点集中；再提取出包含坐标点最多的点集，将其内部的各点形成的线条记为光条II(如图4)。
利用光条I和光条II求取间隙值和/或面差值，具体方式为：
在光条I中查找与光条II距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标A；
在光条II中查找与光条I距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标B；
将坐标A与坐标B之间的水平距离记为间隙值、竖直距离记为面差值。
为了验证本发明方法测量结果的准确性，标记汽车前车灯圆周上的四个测点，分别用人工塞尺检测、本发明方法检测间隙值，处理结果如下表：
| 测点序号 | 人工测量的间隙值/mm | 本方法测量的间隙值/mm | 两方法测量差值/mm |
| 测点1 | 2.3 | 2.14 | -0.16 |
| 测点2 | 3.4 | 3.28 | -0.12 |
| 测点3 | 2.2 | 2.13 | -0.07 |
| 测点4 | 5.3 | 5.16 | -0.14 |
由表中数据可知，本方法与人工检测方法之间的差值小于0.2mm，准确度高，适用于对反光差异表面工件进行自动化检测。
Claims (10)
1.一种测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，所述反光差异工件包括反光率不同的区域，将反光率高的表面记为亮面、反光率低的表面记为暗面，所述亮面和暗面之间形成有间隙和/或面差特征；
其特征在于，将测量设备移动到间隙和/或面差特征附近，所述测量设备包括相机和线激光器；线激光器向特征位置处投射激光条，相机连续采集两幅激光条图像；依据两幅激光条图像上激光条的亮度将其分别记为低亮度激光条图像和高亮度激光条图像；
在所述低亮度激光条图像中提取亮面上的激光条中心线，记为光条I；
在所述高亮度激光条图像中提取暗面上的激光条中心线，记为光条II；
利用所述光条I和光条II求取间隙值和/或面差值。
2.如权利要求1所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：所述低亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率小于0.4×额定功率，或者，调节相机曝光时间小于3ms；
所述高亮度激光条图像通过以下方式获得：调节激光器发光功率大于0.8×额定功率，或者，调节相机曝光时间大于4ms。
3.如权利要求1所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：利用所述光条I和光条II求取间隙值和/或面差值的方式为：
在光条I中查找与光条II距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标A；
在光条II中查找与光条I距离较近的一侧位置处的拐点坐标，记为坐标B；
将坐标A与坐标B之间的水平距离记为间隙值、竖直距离记为面差值。
4.如权利要求1所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：光条I提取方法为：对低亮度激光条图像进行二值化处理和连通域分析；将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条I。
5.如权利要求1所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：光条II的提取方法为：先从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条，再对余下的暗面区域中的激光条进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域，在该连通域内利用光条中心提取方法，获取激光条中心线，记为光条II。
6.如权利要求5所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条的方式包括以下两种：
方式一：利用阈值T对高亮度激光条图像进行二值化处理，得到二值化图像A；
对二值化图像A进行开运算，滤除暗面上的激光条，得到二值化图像B；开运算核的尺寸大于暗面上激光条的线宽，小于亮面上激光条的线宽；
二值化图像A减去二值化图像B，得到二值化图像C，所述二值化图像C中仅余下暗面区域中的激光条，对二值化图像C进行连通域分析；
方式二：先提取光条I，在低亮度激光条图像获取光条I的最小外接矩形，在该最小外接矩形的四个边中查找距离整幅图像中心位置最近的边，记为线条A；
将线条A对应到高亮度激光条图像中，过该线条作贯穿整幅图像的分割线，将高亮度激光条图像中的暗面与亮面分割为两部分；剔除亮面所在的图像区域，余下暗面所在的图像区域，对该区域进行二值化处理、连通域分析。
7.如权利要求5所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：对余下的暗面区域进行连通域分析，将包含前景像素点最多的连通域记为最大连通域的方法为：
对二值化的暗面区域进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；所述预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
从余下的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸；
再利用光条中心提取方法，获取最大连通域内激光条中心线，记为光条II。
8.如权利要求4～7中任一项所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：光条中心提取方法为重心法或Steger方法。
9.如权利要求1中任一项所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：所述反光差异工件为车灯安装件，所述亮面为车灯安装处的金属钣金件、暗面为车灯区域，所述间隙特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件之间的缝隙；面差特征为车灯安装后，其与周围金属钣金件所在平面之间的高度差。
10.如权利要求9所述测量反光差异工件表面间隙、面差的方法，其特征在于：光条II的提取方法为：
先从高亮度激光条图像中剔除亮面上激光条所在的图像区域，再对余下的暗面区域进行以下处理：对二值化的暗面区域进行膨胀操作，膨胀操作核的水平方向尺寸大于竖直方向尺寸；获取膨胀操作后的图像中的各个连通域，剔除不满足预设条件的连通域；所述预设条件包括：连通域面积阈值、连通域横纵比例阈值；
遍历余下的连通域，分别计算每个连通域内像素点y轴坐标的均值；将得到坐标均值较大的2～4个连通域保留，其他连通域剔除；
从被保留的连通域中查找最大连通域，在该连通域内再次进行膨胀操作，膨胀操作核的竖直方向尺寸大于水平方向尺寸；
再利用重心法或Steger方法，获取最大连通域内的激光条中心线；
将光条中心线上各点的x轴坐标从小到大排序，判断相邻两个x轴坐标的差值是否小于阈值，若是则认为两个坐标点连续，若否，则认为两个坐标点不连续；分别判断每个点的x轴坐标，将各个连续的坐标点存储到同一个点集中；
再提取出包含坐标点最多的点集，将其内部的各点形成的线条记为光条II。
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