CN115942096A - 一种rgb-d图像的采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RGB‑D图像的采集系统包括：光源；线阵相机；多个线激光器，其位于所述线阵相机的两侧；面阵相机；所述线阵相机的光轴与所述面阵相机的光轴共面，所述第二视野范围在Y方向上的宽度与所述第一视野范围在Y方向上的宽度相等；图像处理模块，其用于根据接收的所述激光线条图像计算得到深度图像；还用于将所述深度图像和所述RGB图像合成所述RGB‑D图像。本发明通过面阵相机与线激光器的配合以及增加线阵相机，使其能够在相对狭小的空间内，动态连续地测量计算待测件的深度图像和RGB图像，提高了图像采集的速度；同时因为线阵相机与线激光器交替触发，深度图像和RGB图像在空间上相互交错，经过融合得到高质量的RGB‑D图像，提升了图像的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及图像采集的技术领域，具体涉及一种RGB-D图像的采集系统。
背景技术
目前，RGB-D图像通常应用在3D物体的提取过程中，例如焊缝检测过程中对焊趾的提取。但是，现有的 RGB-D图像采集的设备无论是基于RGB 面阵相机结合结构光投影的形式，还是基于飞行时间法的方式，都存在相应的问题，无法满足高精度提取的需求：其一，体积大，无法进入逼仄空间，面对小型复杂结构件的检测时容易产生光路或结构干涉；其二，计算量大、计算缓慢，无法动态连续测量，无法应用于工件在传送运动时的在线测量场景；其三，为了保证计算量的可控，目前的RGB-D相机的分辨率相对低，无法获取精细的点位。
综上，现需要设计一种RGB-D图像的采集系统来解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种RGB-D图像的采集系统，解决了目前的 RGB-D 相机体积大容易干涉、采集和计算慢、无法动态测量、分辨率低的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种RGB-D图像的采集系统，包括：
光源；
线阵相机，其沿Y方向形成第一视野范围，用于采集待测件的RGB图像；
多个线激光器，其位于所述线阵相机的两侧，多个所述线激光器的光照平面共面，且与所述线阵相机的中心平面重合；
面阵相机，其沿X方向和Y方向形成第二视野范围，用于采集多个所述线激光器的激光线条图像；
其中，所述线阵相机的光轴与所述面阵相机的光轴共面，所述第二视野范围在Y方向上的宽度与所述第一视野范围在Y方向上的宽度相等；
图像处理模块，其用于根据接收的所述激光线条图像计算得到深度图像；还用于将所述深度图像和所述RGB图像合成所述RGB-D图像。
在本发明的一些实施例中，所述线激光器的触发频率与所述线阵相机的触发频率相同，且所述线激光器与所述线阵相机交替触发。
在本发明的一些实施例中，当所述线阵相机采集所述RGB图像时，所述线激光器为关闭状态。
在本发明的一些实施例中，所述线激光器在板材上所形成的激光线条的长度不小于所述第一视野范围在Y方向上的宽度。
在本发明的一些实施例中，在所述待测件静止状态下，所述面阵相机采集的所述激光线条图像的位置与所述线阵相机采集的所述RGB图像的位置重合。
在本发明的一些实施例中，在所述待测件运动过程中，所述面阵相机采集的所述激光线条图像与所述线阵相机采集的所述RGB图像的在空间上相互交错。
在本发明的一些实施例中，所述图像处理模块还用于沿X方向按照2倍的长度将所述RGB图像和所述深度图像进行上采样，得到插补后的RGB图像和插补后的深度图像。
在本发明的一些实施例中，所述图像处理模块还用于按照RGB的方向添加插补后的深度图像的矩阵，完成RGB-D图像的合成。
在本发明的一些实施例中，所述RGB图像在Y方向上的像素数为m，所述深度图像在Y方向上的像素数为n；当m>n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述深度图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于m；当m<n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述RGB图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于n。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明通过面阵相机与线激光器的配合以及增加线阵相机，使其能够在相对狭小的空间内，动态连续地测量计算待测件的深度图像和RGB图像，提高了图像采集的速度；同时因为线阵相机与线激光器交替触发，因此深度图像和RGB图像在空间上相互交错，经过融合后即可得到高质量的RGB-D图像，提升了图像的分辨率。
另外利用深度图像和RGB图像合成的RGB-D图像精度高，利于提高后续待测件的提取和测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1为实施例中所示出的面阵相机的第一视野范围的示意图。
图2为实施例中所示出的所述RGB-D图像的合成流程的图像示意图。
图3为实施例中所示出的所述RGB-D图像的获取流程示意图。
图4为实施例中所示出的根据所述RGB-D图像提取所述焊趾的3D数据的流程示意图。
附图标记：100-线阵相机；200-面阵相机；310-第一线激光器；320-第二线激光器；400-光源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
参照图1所示，一种RGB-D图像的采集系统，包括：
光源400；
线阵相机100，其沿Y方向形成第一视野范围，用于采集待测件的RGB图像；
多个线激光器，其位于所述线阵相机100的两侧，多个所述线激光器的光照平面共面，且与所述线阵相机100的中心平面重合；
面阵相机200，其沿X方向和Y方向形成第二视野范围，用于采集多个所述线激光器的激光线条图像；
其中，所述线阵相机100的光轴与所述面阵相机200的光轴共面，所述第二视野范围在Y方向上的宽度与所述第一视野范围在Y方向上的宽度相等；
图像处理模块（图中未示出），其用于根据接收的所述激光线条图像计算得到深度图像；还用于将所述深度图像和所述RGB图像合成所述RGB-D图像。
具体地，在该实施例中线激光器包括第一线激光器310和第二线激光器320，其位于所述线阵相机100的两侧，所述第一线激光器310的光照平面与所述第二线激光器320的光照平面共面，且与所述线阵相机100的中心平面重合。
在本发明的一些实施例中，第一线激光器310和第二线激光器320的触发频率与所述线阵相机100的触发频率相同，且所述线激光器与所述线阵相机100交替触发；进行焊缝表面处的激光线条图像和RGB图像采集。采集所述RGB图像时必须关闭线激光器，以避免线阵相机100采集不到色彩区分度高的RGB图像。
在本发明的一些实施例中，如图1中实线部分为线阵相机100形成的第一视野范围，点虚线部分为面阵相机200形成的第二视野范围；虚线部分为第一线激光器310和第二线激光器320的激光线条。
线阵相机100的设置满足以下条件：第一视野范围的中心平面与各个线激光的光照平面重合；线阵相机100的光轴与面阵相机200的光轴共面，且其公共平面垂直Y方向；第一视野范围的Y方向上的视野大小与第二视野范围的Y方向上的视野大小相同，且相互平行。
通过以上条件，在所述待测件静止状态下，所述面阵相机200采集的所述激光线条图像的位置与所述线阵相机100采集的所述RGB图像的位置重合。
在所述待测件运动过程中，所述面阵相机200采集的所述激光线条图像与所述线阵相机100采集的所述RGB图像的在空间上相互交错。
利用线阵相机100采集RGB图像，能够保证足够高的采样频率，具体地是不低于1kHz，以实现全动态的采样需求。
继续参照图1所示，面阵相机200所形成的第二视野范围为矩形，第二视野范围的长度方向与X方向平行，其宽度方向与Y方向平行；在图像采集过程中，带有焊缝的板材沿X方向运动，焊缝的表面法向与Z方向平行，焊缝的焊接方向与X方向平行。
在本发明的一些实施例中，所述第一线激光器310和第二线激光器320所形成的的光照平面参照图1中虚线部分所示，所述第一线激光器310和第二线激光器320在板材上所形成的激光线条的长度不小于所述第一视野范围在Y方向上的宽度。线激光器形成的激光线条在焊缝表面的投影能够填充面阵相机200在Y方向上的视野范围。既能满足线条精度需求，也能避免激光的光路干涉；在所述深度图像的采集过程中采用激光作为光源，面阵相机200可以进行低曝光时间下的高帧率图像采集，达到不低于1 kHz的采样频率。
在本发明的一些实施例中，当所述线阵相机100采集所述RGB图像时，所述第一线激光器310和第二线激光器320为关闭状态。
在本发明的一些实施例中，关于光源400，其位于面阵相机200和线阵相机100之间，所述光源400采用白光条形光源。
所述图像处理模块还用于将深度图像和RGB图像合成为RGB-D图像；
由于RGB图像和深度图像是通过线阵相机100和线激光器交替触发采集，因此采集的RGB图像和深度图像在空间上相互交错；需要对RGB图像和深度图像进行线性插补；
参照图2和图3所示，所述RGB-D图像的合成具体包括以下步骤：
S1、沿X方向按照2倍的长度将所述RGB图像和所述深度图像进行上采样，得到插补后的RGB图像和插补后的深度图像；当所述RGB图像和所述深度图像在Y方向的像素数不同时，则图像处理模块先在Y方向进行上采样至宽度方向上的像素等于所述RGB图像和所述深度图像中Y方向上像素数的较大值；例如，所述RGB图像在Y方向上的像素数为m，所述深度图像在Y方向上的像素数为n；当m>n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述深度图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于m；当m<n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述RGB图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于n。
S2、插补后的RGB图像和插补后的深度图像大小相同，且在三维空间中对应的位置完全相同；按照RGB的方向添加插补后的深度图像的矩阵，即完成RGB-D图像的合成。
在本发明的一些实施例中，结合该RGB-D图像的采集系统在焊缝检测领域上的应用，阐述该采集系统的工作原理，参照图4所示：
开始测量后，首先打开光源400，待测件沿X方向相对所述面阵相机200和所述线阵相机100运动进入测量周期；
在一个测量周期内，先打开所述第一线激光器310和所述第二线激光器320，所述面阵相机200采集激光线条图像；而后关闭所述第一线激光器310和所述第二线激光器320，所述线阵相机100采集焊缝表面的RGB图像；
随着待测件的运动，重复多个测量周期，得到多个所述激光线条图像和所述RGB图像，关闭光源400；
然后所述图像处理模块根据所述激光线条图像基于激光三角法计算得到深度图像，按照上述步骤合成RGB-D图像；
对于焊趾坐标的提取过程：
所述图像处理模块首先将RGB-D图像抽取为标准深度图像和标准RGB图像；
然后将所述标准RGB图像转为灰度图后利用高斯滤波去除干扰，即去除图像采集时的噪声干扰；
接着使用Sobel算子沿所述灰度图的Y方向计算梯度值，得到每个像素点沿Y方向的一阶偏导矩阵，而后求解其绝对值，得到沿Y方向的梯度图的幅值矩阵Gy；另外，由于X方向平行于焊接方向，实际焊趾的位置沿X方向不一定存在差异，因此沿X方向的梯度幅值矩阵Gx在焊趾处相对于焊趾左右的其他像素位置不会有明显的幅值差异，实质上为噪声干扰项，因此Gx不得参与后续的计算；
之后对所述幅值矩阵 Gy沿X方向的每一行依次提取幅值最大的两个点，即为此行的左右焊趾，其对应的XY坐标，即为焊趾的左右两个2D坐标；
基于高频采样下相邻行的焊趾位置不会发生骤变的原理，所述步骤S63中还包括对所述2D坐标沿X方向进行均值和/或中值滤波，去除因噪声引起的焊趾位置异常；
最后按照焊趾的2D坐标，在深度图像中查询对应2D坐标的深度，即可得到焊趾的3D坐标，完成焊趾的3D坐标提取。
本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本发明通过面阵相机与线激光器的配合以及增加线阵相机，使其能够在相对狭小的空间内，动态连续地测量焊缝表面的RGB-D图像；另外利用的深度图像和的RGB图像合成RGB-D图像后再进行焊趾坐标的提取，提取结果更加准确，提升焊缝表面尺寸和形位的测量精度。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，包括：
光源；
线阵相机，其沿Y方向形成第一视野范围，用于采集待测件的RGB图像；
多个线激光器，其位于所述线阵相机的两侧，多个所述线激光器的光照平面共面，且与所述线阵相机的中心平面重合；
面阵相机，其沿X方向和Y方向形成第二视野范围，用于采集多个所述线激光器的激光线条图像；
其中，所述线阵相机的光轴与所述面阵相机的光轴共面，所述第二视野范围在Y方向上的宽度与所述第一视野范围在Y方向上的宽度相等；
图像处理模块，其用于根据接收的所述激光线条图像计算得到深度图像；还用于将所述深度图像和所述RGB图像合成所述RGB-D图像。
2.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，所述线激光器的触发频率与所述线阵相机的触发频率相同，且所述线激光器与所述线阵相机交替触发。
3.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于当所述线阵相机采集所述RGB图像时，所述线激光器为关闭状态。
4.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，所述线激光器在板材上所形成的激光线条的长度不小于所述第一视野范围在Y方向上的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，在所述待测件静止状态下，所述面阵相机采集的所述激光线条图像的位置与所述线阵相机采集的所述RGB图像的位置重合。
6.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，在所述待测件运动过程中，所述面阵相机采集的所述激光线条图像与所述线阵相机采集的所述RGB图像的在空间上相互交错。
7.根据权利要求1所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，所述图像处理模块还用于沿X方向按照2倍的长度将所述RGB图像和所述深度图像进行上采样，得到插补后的RGB图像和插补后的深度图像。
8.根据权利要求7所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，所述图像处理模块还用于按照RGB的方向添加插补后的深度图像的矩阵，完成RGB-D图像的合成。
9.根据权利要求8所述的一种RGB-D图像的采集系统，其特征在于，所述RGB图像在Y方向上的像素数为m，所述深度图像在Y方向上的像素数为n；当m>n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述深度图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于m；当m<n时，所述图像处理模块还用于在Y方向对所述RGB图像进行上采样至其Y方向上的像素数等于n。
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