CN114935309A - 机器视觉测量中安装误差矫正方法、系统和可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法、系统和可读存储介质,其中方法包括:用相机对标准长方体件进行成像;测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;根据虚拟长边的长度和实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;根据直线方程和夹角,求出实际长边的在基准坐标系中的方向向量;改变标准长方体件的位置后再次计算,得到N个实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程;根据载物台平面方程对误差进行修正。本发明利用标准长方体块摆放不同位置进行视觉检测及测量,准确估算出相机镜头与载物台之间的安装倾角误差,使得能够矫正安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉领域,更具体的,涉及一种机器视觉测量中安装误差矫正方法、系统和可读存储介质。
背景技术
随着机器视觉系统在精密检测领域的广泛应用,普通工业镜头难以满足检测要求。在使用普通镜头进行尺寸测量时,会存在如下问题:
1)由于被测量物体不在同一个测量平面,而造成放大倍率的不同;
2)镜头畸变大;
3)视差也就是当物距变大时,对物体的放大倍数也改变;
4)镜头的解析度不高;
5)由于视觉光源的几何特性,而造成的图像边缘位置的不确定性。
而远心镜头依据其独特的光学特性:高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光路设计等,因此可用在高精度测量、度量计量等方面。
但远心镜头在应用于高精度测量时,还是会存在如下问题,请参阅图1和图2,图1为载物台安装误差示意图,图2为安装误差下远心镜头下工件的相机成像:
1)由于人工安装问题,难以保证载物平台与镜头光路完全垂直,使拍摄到的被测物尺寸失真;
2)当工件有厚度,置于倾斜的载物平台上,打背光以获取工件边缘时,工件上下面形成阴影造成遮挡,导致尺寸失真。
因此,如何设计一种安装误差矫正方法,消除高精度测量时的安装误差,是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的是提供一种机器视觉测量中安装误差矫正方法方法、系统和可读存储介质,能够矫正安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真。
本发明第一方面提供了一种机器视觉测量中安装误差矫正方法,包括以下步骤:
S1,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S2,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S3,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S4,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S5,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S1至S4,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S6,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
本方案中,所述标准长方体件满足:
其中,L为实际长边长度,H为实际高度,θ为安装倾角。
本方案中,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
本方案中,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程对测量结果进行修正。
本方案中,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
本发明第二方面还提供一种机器视觉测量中安装误差矫正系统,包括存储器和处理器,所述存储器中包括机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:
S1,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S2,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S3,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S4,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S5,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S1至S4,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S6,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
本方案中,所述标准长方体件满足:
其中,L为实际长边长度,H为实际高度,θ为安装倾角
本方案中,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
本方案中,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质中包括机器的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被处理器执行时,实现如上述任一项所述的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法的步骤。
本发明公开的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法和系统和可读存储介质,包括将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对标准长方体件进行成像;测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;根据虚拟长边的长度和标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;根据直线方程和夹角,求出实际长边的在基准坐标系中的方向向量;改变标准长方体件的位置后再次计算,得到N个实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程;根据载物台平面方程对误差进行修正。本发明利用标准长方体块摆放不同位置(平放在载物台上,旋转摆放几个位置)进行视觉检测及测量,根据得到的一组2D图像数据,进行数学计算的转换成3D空间位置的方法,准确估算出相机镜头与载物台之间的安装倾角误差,矫正上述安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真,使高精度测量结果更稳定可靠。
附图说明
图1示出了载物台安装误差示意图;
图2示出了安装误差下远心镜头下工件的相机成像;
图3示出了本申请一种机器视觉测量中安装误差矫正方法的流程图;
图4示出了本发明一种机器视觉测量中安装误差矫正系统的框图;
图5示出了标准长方体件的投影示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图3示出了本申请一种机器视觉测量中安装误差矫正方法的流程图。
如图3所示,本申请公开了一种机器视觉测量中安装误差矫正方法,包括以下步骤:
S302,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S304,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S306,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S308,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S310,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S302至S308,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S312,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
需要说明的是,本申请实施例中,以相机坐标系为三维空间基准坐标系,远心镜头的平行光路方向为Z轴方向,成像图像的X、Y方向为X轴、Y轴方向。用点法式表示基准坐标系中载物平台平面,载物平台可表示为基准坐标系的XOY平面绕原点旋转,即载物平台法向量为基准坐标系的Z轴发生了偏转,则载物平台平面可表示为:A0x+B0y+C0z=0。即载物台平面的法向量:其与基准坐标系XOY平面的夹角为:
需要说明的是,标准长方体件在载物台上任意旋转摆放N个位置,在相机中的成像即为:标准长方体件在基准三维坐标系的XOY平面上的投影(如图2所示)。在位置i时,测量成像后的图像中的长边称为虚拟长边,测量其长度为L′i。同时对虚拟长边的边缘线进行直线拟合,得到拟合直线的方程为:
aix+biy+ci=0;
即该直线的方向向量为:
需要说明的是,针对位置i,标准长方体件的实际长边长度L与基准坐标系XOY平面的夹角为θi,如图5所示,根据虚拟长边L′i在实际长边L方向的投影可知:
L′i=L cosθi+H sinθi;
根据N个位置下的拟合载物台平面方程。因为标准长方体块置于载物台上,其长边的方向向量始终位于载物台平面上,而每个方向向量可以看做起点终点两个点,起点均为(0,0),另有N个终点,这些点都在载物台平面上,故可以通过N+1个点拟合平面得到载物台平面在基准坐标系下的平面方程。
得到载物台平面方程后,即可对载物台或成像图像进行调整,从而实现对机器视觉测量中安装误差的矫正。
本发明实施例所提供的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法,利用标准长方体块摆放不同位置(平放在载物台上,旋转摆放几个位置)进行视觉检测及测量,根据得到的一组2D图像数据,进行数学计算的转换成3D空间位置的方法,准确估算出相机镜头与载物台之间的安装倾角误差,矫正上述安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真,使高精度测量结果更稳定可靠。
根据本发明实施例,所述标准长方体件满足:
其中,L为实际长边长度,H为实际高度,θ为安装倾角。
根据本发明实施例,根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
需要说明的是,在得到载物台平面方程后,即可知道载物台与基准坐标系的XOY平面存在的差异,通过调节载物台各个方位的角度,可将载物台的安装误差进行矫正。
根据本发明实施例,根据所述载物台平面方程对测量结果进行修正。
可以理解的是,在计算出载物台平面方程后,将载物台平面方程的系数矩阵作为矫正矩阵,对待测物体的拍照测量图像的平面方程进行矫正后,即可得到与实际测量值一致的测量图像,达到对安装误差导致的错误测量结果进行修正的效果。测量薄片类工件时,可以利用投影变换通过相机2D图像位置计算得到载物台3D空间位置,进而计算测量结果。
根据本发明实施例,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
可以理解的是,离散点拟合平面的方法为常规方法,如最小二乘法,使各点到平面的距离残差最小。
根据本发明实施例,所述测量成像后的图像中虚拟长边的长度具体为:
根据测量成像后的图像中,拟合虚拟长边的两侧边直线,通过测量所述侧边直线之间的距离,得到所述虚拟长边的长度。
需要说明的是,考虑到通过直接测量虚拟长边两个端点之间的距离可能会存在较大误差,因此本实施例采用对虚拟长边两端点所在的侧边直线进行拟合,由于采用的是标准长方体件,因此侧边直线与虚拟长边垂直;然后计算两个侧边直线之间的距离,可以得到虚拟长边的长度。这个方法相对于直接测量端点距离会减少误差。
图4示出了本发明一种机器视觉测量中安装误差矫正系统的框图。
如图4所示,本发明公开了一种机器视觉测量中安装误差矫正系统4,包括存储器41和处理器42,所述存储器41中包括机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被所述处理器42执行时实现如下步骤:
S1,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S2,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S3,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S4,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S5,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S1至S4,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S6,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
需要说明的是,本申请实施例中,以相机坐标系为三维空间基准坐标系,远心镜头的平行光路方向为Z轴方向,成像图像的X、Y方向为X轴、Y轴方向。用点法式表示基准坐标系中载物平台平面,载物平台可表示为基准坐标系的XOY平面绕原点旋转,即载物平台法向量为基准坐标系的Z轴发生了偏转,则载物平台平面可表示为:A0x+B0y+C0z=0。即载物台平面的法向量:其与基准坐标系XOY平面的夹角为:
需要说明的是,标准长方体件在载物台上任意旋转摆放N个位置,在相机中的成像即为:标准长方体件在基准三维坐标系的XOY平面上的投影(如图2所示)。在位置i时,测量成像后的图像中的长边称为虚拟长边,测量其长度为L′i。同时对虚拟长边的边缘线进行直线拟合,得到拟合直线的方程为:
aix+biy+ci=0;
即该直线的方向向量为:
需要说明的是,针对位置i,标准长方体件的实际长边长度L与基准坐标系XOY平面的夹角为θi,如图5所示,根据虚拟长边L′i在实际长边L方向的投影可知:
L′i=L cosθi+H sinθi;
根据N个位置下的拟合载物台平面方程。因为标准长方体块置于载物台上,其长边的方向向量始终位于载物台平面上,而每个方向向量可以看做起点终点两个点,起点均为(0,0),另有N个终点,这些点都在载物台平面上,故可以通过N+1个点拟合平面得到载物台平面在基准坐标系下的平面方程。
得到载物台平面方程后,即可对载物台或成像图像进行调整,从而实现对机器视觉测量中安装误差的矫正。
本发明实施例所提供的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法,利用标准长方体块摆放不同位置(平放在载物台上,旋转摆放几个位置)进行视觉检测及测量,根据得到的一组2D图像数据,进行数学计算的转换成3D空间位置的方法,准确估算出相机镜头与载物台之间的安装倾角误差,矫正上述安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真,使高精度测量结果更稳定可靠。
根据本发明实施例,所述标准长方体件满足:
其中,L为实际长边长度,H为实际高度,θ为安装倾角。
根据本发明实施例,根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
需要说明的是,在得到载物台平面方程后,即可知道载物台与基准坐标系的XOY平面存在的差异,通过调节载物台各个方位的角度,可将载物台的安装误差进行矫正。
根据本发明实施例,根据所述载物台平面方程对测量结果进行修正。
可以理解的是,在计算出载物台平面方程后,将载物台平面方程的系数矩阵作为矫正矩阵,对待测物体的拍照测量图像的平面方程进行矫正后,即可得到与实际测量值一致的测量图像,达到对安装误差导致的错误测量结果进行修正的效果。测量薄片类工件时,可以利用投影变换通过相机2D图像位置计算得到载物台3D空间位置,进而计算测量结果。
根据本发明实施例,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
可以理解的是,离散点拟合平面的方法为常规方法,如最小二乘法,使各点到平面的距离残差最小。
根据本发明实施例,所述测量成像后的图像中虚拟长边的长度具体为:
根据测量成像后的图像中,拟合虚拟长边的两侧边直线,通过测量所述侧边直线之间的距离,得到所述虚拟长边的长度。
需要说明的是,考虑到通过直接测量虚拟长边两个端点之间的距离可能会存在较大误差,因此本实施例采用对虚拟长边两端点所在的侧边直线进行拟合,由于采用的是标准长方体件,因此侧边直线与虚拟长边垂直;然后计算两个侧边直线之间的距离,可以得到虚拟长边的长度。这个方法相对于直接测量端点距离会减少误差。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质中包括机器的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被处理器执行时,实现如上述任一项所述的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法的步骤。
本发明公开的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法和系统和可读存储介质,包括将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对标准长方体件进行成像;测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;根据虚拟长边的长度和标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;根据直线方程和夹角,求出实际长边的在基准坐标系中的方向向量;改变标准长方体件的位置后再次计算,得到N个实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程;根据载物台平面方程对误差进行修正。本发明利用标准长方体块摆放不同位置(平放在载物台上,旋转摆放几个位置)进行视觉检测及测量,根据得到的一组2D图像数据,进行数学计算的转换成3D空间位置的方法,准确估算出相机镜头与载物台之间的安装倾角误差,矫正上述安装误差引起的远心镜头成像尺寸失真,使高精度测量结果更稳定可靠。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的设备和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元;既可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中,也可以是各单元分别单独作为一个单元,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中;上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者,本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括:移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
Claims (10)
1.一种机器视觉测量中安装误差矫正方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S2,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S3,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S4,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S5,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S1至S4,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S6,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
3.根据权利要求1所述的机器视觉测量中安装误差矫正方法,其特征在于,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
4.根据权利要求1所述的机器视觉测量中安装误差矫正方法,其特征在于,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程对测量结果进行修正。
5.根据权利要求1所述的机器视觉测量中安装误差矫正方法,其特征在于,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
6.一种机器视觉测量中安装误差矫正系统,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器中包括机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:
S1,将标准长方体件安装在载物平台上后,用相机对所述标准长方体件进行成像;
S2,测量成像后的图像中虚拟长边的长度,并对所述虚拟长边进行直线拟合,得到直线方程;
S3,根据所述虚拟长边的长度和所述标准长方体件的实际长边的长度,计算实际长边与基准坐标系的XOY平面的夹角;
S4,根据直线方程和所述夹角,求出所述实际长边的在基准坐标系中的方向向量;
S5,改变所述标准长方体件的位置后,重复步骤S1至S4,得到N个所述实际长边的方向向量,拟合载物台平面方程,其中N为大于1的整数;
S6,根据所述载物台平面方程对误差进行修正。
8.根据权利要求6所述的机器视觉测量中安装误差矫正系统,其特征在于,所述步骤S6具体为:
根据所述载物台平面方程调节载物台和/或相机的位置。
9.根据权利要求6所述的机器视觉测量中安装误差矫正系统,其特征在于,所述拟合载物台平面方程,具体为用最小二乘法拟合载物台平面方程。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中包括一种机器视觉测量中安装误差矫正方法程序,所述机器视觉测量中安装误差矫正方法程序被处理器执行时,实现如权利要求1至5中任一项所述的一种机器视觉测量中安装误差矫正方法的步骤。
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