CN118196057A - 测量系统和被测系统坐标系对准的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量系统和被测系统坐标系对准的方法，属于信息技术领域，用以解决测量系统和被测系统坐标系不一致造成的测量不准确的问题，包括的步骤有，设计标志位图像；配置采集设施；图像采集；手动标注标志位图像；手动标注采集图像；计算透视变换关系矩阵；变换坐标；计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比IoU；穷举所有可能的组合，进行步骤六到步骤八的计算过程，并记录每一次计算的IoU值以及对应的变换矩阵M；如果没有穷举结束，则跳转到步骤六；记录穷举结束后最大的IoU数值IoUmax，以及所述数值IoUmax对应的透视变换关系矩阵Mmax。实现了采集图像(测量系统)与标志位图像(被测系统)坐标系的便捷对齐，保证了测量结果的准确性和一致性。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种坐标系对准的方法。
背景技术
粘结剂喷射3D打印是一种通过在粉床平面上逐层喷绘粘结剂来粘结固化材料粉末构成打印产品主体的增材制造方法，具有多种材料打印能力、复杂几何结构制造能力、高效率、低功耗和环境友好等优势。在粘结剂喷射3D打印技术应用中，铺粉面和喷墨面的质量是决定产品质量的关键因素，层表面质量越好产品性能也越优良。通过摄像头或激光扫描等方式获取粉末床表面图像数据，机器视觉系统可以检测打印过程中可能出现的缺陷，通过图像处理算法对表面图像进行分析，识别并标记出缺陷信息，并且机器视觉系统可以实时检测粉面状态、监测和调整打印过程中的参数，以适应打印环境变化或打印过程中出现的问题，以确保粉末床表面的光滑度和均匀性。
在工业缺陷检测中，无论是确定缺陷与零件产品的位置信息，还是确保检测目标与被检测目标之间的准确对位，都需要保持图像坐标系和尺度的一致性，这样可以避免由于坐标系错位或尺度不一致导致的误差，从而实现精准的缺陷检测。并且通过对齐坐标系可以准确地将检测到的缺陷位置映射到实际场景中，为后续对缺陷的处理和修复提供准确的定位信息。进一步的，在3D打印的生产环境中，由于光照变化、粉面状态、墨水状态等因素的干扰，当相机拍摄图像中的参考点无法精确识别时，会导致坐标系对齐失败，严重影响后续控制环节的可实施性，如图1所示。
发明内容
有鉴于以上测量系统与被测系统的坐标系对齐失败的问题，有必要提出一种测量系统和被测系统坐标系对准的方法，所述方法包含一整套对齐标志位图像坐标系与采集图像坐标系的流程，可以在标志位图像的参考区域或参考点边界不清晰的情况下，实现自动寻找最佳参考点，计算透视变换关系矩阵，确保标志位图像坐标系与采集图像坐标系与尺寸对齐，实现精确的测量分析，从而提高缺陷检测的可靠性和准确性。
一种测量系统和被测系统坐标系对准的方法，用以保证标志位图像与采集图像的长宽一致、坐标系原点一致，包括，
S01，设计标志位图像，所述标志位图像用以标识检测区域的边界和验证被测系统坐标系与测量系统坐标系是否对齐、被测对象的尺寸与采集图像的尺寸是否一致；所述标志位图像包括空白的背景区域和含有图案的前景区域，所述前景区域包括四个顶点，四个所述顶点用以标识检测区域的边界；
S02，配置采集设施，设置用以获得采集图像的采集设备，确保整个被检测区域被所述采集设备的采集范围覆盖，设置适配的辅助光源，以确保获得清晰、准确的采集图像；
S03，图像采集，在被检测区域设置所述标志位图像，并开始图像的采集；
S04，手动标注标志位图像，手动标注所述采集图像中包含标志位图像的四个顶点区域；
S05，手动标注采集图像，手动标注采集图像的外轮廓，并计算外轮廓的顶点坐标；
S06，计算透视变换关系矩阵；
S07，变换坐标，利用S06中的所述透视变换关系矩阵将S05中的采集图像的外轮廓顶点坐标进行变换；
S08，计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比IoU；
S09，穷举所有可能的组合，进行S06到S08的计算过程，并记录每一次计算的IoU值以及对应的变换矩阵M；如果没有穷举结束，则跳转到S06；
S10，记录穷举结束后最大的IoU数值IoUmax，以及所述数值IoUmax对应的透视变换关系矩阵Mmax。
本发明技术方案的有益效果：实现了采集图像(测量系统)与标志位图像(被测系统)坐标系的便捷对齐，确保了测量设施的坐标系与被测物体的坐标系完全匹配，保证了测量结果的准确性和一致性。
附图说明
图1是现有技术中坐标系未对齐或尺度不一致的情况示意图；
图2是一种测量系统和被测系统坐标系对齐的方法的流程示意图；
图3是一种铺粉面打印图像示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，结合附图对发明内容的技术方案进行详细说明，显而易见地，以下描述是本发明的一些典型实施例，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，还可以根据这些实施例获得其他的解决方案。
本发明旨在解决测量系统与被测系统坐标系不一致造成的测量结果失真的问题。
一种测量系统和被测系统坐标系对准的方法，包括，
S11，设计标志位图像，所述标志位图像用以标识检测区域的边界和验证被测系统坐标系与测量系统坐标系是否对齐、被测对象的尺寸与采集图像的尺寸是否一致；所述标志位图像包括空白的背景区域和含有图案的前景区域，所述前景区域包括四个顶点，四个所述顶点用以标识检测区域的边界，且所述标志位图像中均匀设置有若干规则几何形状的图形，如矩形、正方形、菱形、梯形等，也可以确保切片图像与采集图像尺寸一致，具体是，通过计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比(IntersectionoverUnion，IoU)，以此来量化标志位图像与采集图像的坐标系对齐程度和尺寸一致性，例如，标志位图像的长位M像素、宽为N像素，则四个顶点的像素坐标为{Plt,Prt,Prb,Plb}＝{(0，0),(M，0),(M,N),(0,N)}。
S12，配置采集设施，设置用以获得采集图像的采集设备，确保整个被检测区域被所述采集设备的采集范围覆盖，设置适配的辅助光源，以确保获得清晰、准确的采集图像。
S13，图像采集，在被检测区域设置所述标志位图像，并开始图像的采集。
S14，手动标注标志位图像，手动标注所述采集图像中包含标志位图像的四个顶点区域，具体地，标注包含前景区域左上顶点的矩形区域Rlt、标注包含前景区域右上顶点的矩形区域Rrt、标注包含前景区域右下顶点的矩形区域Rrb、以及标注包含前景区域左下顶点的矩形区域Rlb，将标志位图像中的矩形区域R表示为R＝{(x，y)|xa≤x≤xb，ya≤y≤yb}。
S15，手动标注采集图像，手动标注采集图像的外轮廓，并计算外轮廓的顶点坐标；具体地，为了提高手动标注采集图像的外轮廓的准确性，在所述采集图像的每条边上至少标记五个点，且通过最小二乘法拟合出每条边的直线方程
并根据直线方程求取相邻边的交点Pi，即可得采集图像的外轮廓顶点坐标Bpowder(P1，P2，...，Pn)。
S16，计算透视变换关系矩阵，具体地，依次从矩形区域Rlt、Rrt、Rrb、Rlb的四个顶点矩形区域中各取一个点作为采集图像的四个顶点的一种候选方案，其中i,j,m,n分别为四个顶点区域中包含的像素点数量；将所述采集图像的候选顶点与标志位图像的四个顶点{Plt,Prt,Prb,Plb}＝{(0，0),(M，0),(M,N),(0,N)}进行一一对应，求出二者之间存在的透视变换关系矩阵，所述透视变换关系矩阵为：
其中，M为3×3的透视变换关系矩阵，(x′，y′)与(u,v)分别为变换前后对应点的坐标值，以上方程包含八个未知数，因此上述四组顶点坐标联立可得八个方程，恰好可以完全求解出透视变换矩阵M。
S17，变换坐标，利用S06中的所述透视变换关系矩阵将S05中的采集图像的外轮廓顶点坐标进行变换，得到采集图像的外轮廓顶点坐标为B′powder(P1，P2，...，Pn)；所述采集设备坐标系下的图像轮廓坐标为Pi(xi，yi)，所述图像轮廓坐标变换到标志位图像坐标系下的坐标为则标志位图像中前景区域的坐标为Bgt(P1，P2，...，Pn)。
S18，计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比IoU，具体地，先计算变换后的采集图像的外轮廓顶点坐标B′powder(P1，P2，...，Pn)与标志位图像中前景区域的坐标Bgt(P1，P2，...，Pn)之间的交集和并集，再计算各自围成的轮廓区域之间的交并比IoU，其中，Area(B)表示图形轮廓的面积，∩表示两个图形轮廓的交集，U表示两者的并集，IoU反映两个图形轮廓的重叠程度，越接近于1，表示坐标系对齐的程度越高。
S19，穷举所有可能的组合，进行S06到S08的计算过程，并记录每一次计算的IoU值以及对应的变换矩阵M；如果没有穷举结束，则跳转到S06。
S20，记录穷举结束后最大的IoU数值IoUmax，以及所述数值IoUmax对应的透视变换关系矩阵Mmax。
根据上述描述方法，即可将采集图像的坐标系转换至标志位图像的坐标系，完成坐标系及图像尺寸的对齐。同时，可将所述数值IoUmax作为系统坐标系与对齐精度上限的参考值。
更优地，所述测量系统和被测系统坐标系对准的方法还包括，修正所述采集设备，用以消除因采集设备固有物理特性带来的采集图像畸变的问题，具体是，首先，将标定板随机设置在被测区域的任一待测点，用以标定所述待测点的位置和大小；其次，利用采集设施获取被测区域的采集图像，当获得的所述采集图像中所述标定板的数量达到矫正要求后，计算此时采集设施的畸变系统矩阵，采用所述畸变系统矩阵对采集设施进行畸变修正，从而确保了采集图像的不因采集设施的因素而不准确。
依据本发明的实施应用案例，如图2和图3所示，为以3D打印设备铺粉面为被测系统，以按照在3D打印设备上的相机为测量系统，简单阐述本发明技术方案在3D打印上的应用实施。
1)依据步骤S11的方法，利用上位机设计标志位图像；
2)对采集设施，也即安装在所述3D打印设备上的相机进行畸变修正；
3)将所述标志位图像打印在铺粉面上；
4)利用相机采集设有标志位图像的铺粉面的采集图像；
5)在所述采集图像上标注包含标志位图像四个顶点的矩形区域；
6)标注所述采集图像的外轮廓；
7)依据采集图像上标志位图像的四个顶点的矩形区域和采集图像的外轮廓，计算两者间的透视变换关系矩阵；
8)依据所述透视变换关系矩阵转换标志位图像和采集图像对应的被测系统和测量系统间的坐标系；
9)计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比IoU；
10)标志位图像顶点矩形区域的坐标是否穷举结束，若穷举结束，则测量系统与被测系统坐标系对齐流程运行结束；若穷举未结束，返回至步骤7)再次执行对齐流程。
以上实施例仅是对本发明技术方案的一种典型应用的描述，在合理的、不需要付出创造性劳动的基础上，还可以进行合理的拓展。
Claims (8)
1.一种测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，包括，
S01，设计标志位图像，所述标志位图像用以标识检测区域的边界和验证被测系统坐标系与测量系统坐标系是否对齐、被测对象的尺寸与采集图像的尺寸是否一致；所述标志位图像包括空白的背景区域和含有图案的前景区域，所述前景区域包括四个顶点，四个所述顶点用以标识检测区域的边界；
S02，配置采集设施，设置用以获得采集图像的采集设备，确保整个被检测区域被所述采集设备的采集范围覆盖，设置适配的辅助光源，以确保获得清晰、准确的采集图像；
S03，图像采集，在被检测区域设置所述标志位图像，并开始图像的采集；
S04，手动标注标志位图像，手动标注所述采集图像中包含标志位图像的四个顶点区域；
S05，手动标注采集图像，手动标注采集图像的外轮廓，并计算外轮廓的顶点坐标；
S06，计算透视变换关系矩阵；
S07，变换坐标，利用S06中的所述透视变换关系矩阵将S05中的采集图像的外轮廓顶点坐标进行变换；
S08，计算采集图像与标志位图像中的前景区域的交并比IoU；
S09，穷举所有可能的组合，进行S06到S08的计算过程，并记录每一次计算的IoU值以及对应的变换矩阵M；如果没有穷举结束，则跳转到S06；
S10，记录穷举结束后最大的IoU数值IoUmax，以及所述数值IoUmax对应的透视变换关系矩阵Mmax。
2.如权利要求1所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S01中，所述标志位图像中均匀设置有若干规则几何形状的图形。
3.如权利要求1所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S04中，手动标注标志位图像的具体方法为，
标注包含前景区域左上顶点的矩形区域Rlt、标注包含前景区域右上顶点的矩形区域Rrt、标注包含前景区域右下顶点的矩形区域Rrb、以及标注包含前景区域左下顶点的矩形区域Rlb，将标志位图像中的矩形区域R表示为
R＝{(x,y)|xa≤x≤xb,ya≤y≤yb}。
4.如权利要求3所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S05中，手动标注采集图像的具体方法为，
在所述采集图像的每条边上至少标记五个点，且通过最小二乘法拟合出每条边的直线方程并根据直线方程求取相邻边的交点Pi，即可得采集图像的外轮廓顶点坐标Bpowder(P1，P2，...，Pn)。
5.如权利要求4所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S06中，计算透视变换关系矩阵的具体方法为，
依次从矩形区域Rlt、Rrt、Rrb、Rlb的四个顶点矩形区域中各取一个点作为采集图像的四个顶点的一种候选方案，其中i,j,m,n分别为四个顶点区域中包含的像素点数量；将所述采集图像的候选顶点与标志位图像的四个顶点{Plt,Prt,Prb,Plb}＝{(0，0),(M，0),(M,N),(0,N)}进行一一对应，求出二者之间存在的透视变换关系矩阵，所述透视变换关系矩阵为：
6.如权利要求5所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S07中，变换坐标的具体过程为，
利用S06中的所述透视变换关系矩阵将S05中的采集图像的外轮廓顶点坐标进行变换，得到采集图像的外轮廓顶点坐标为B′powder(P1，P2，...，Pn)；所述采集设备坐标系下的图像轮廓坐标为Pi(xi，yi)，所述图像轮廓坐标变换到标志位图像坐标系下的坐标为则标志位图像中前景区域的坐标为Bgt(P1，P2，...，Pn)。
7.如权利要求6所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，在S08中，所述交并比IoU的计算方法为，
先计算变换后的采集图像的外轮廓顶点坐标B′powder(P1，P2，...，Pn)与标志位图像中前景区域的坐标Bgt(P1，P2，...，Pn)之间的交集和并集，再计算各自围成的轮廓区域之间的交并比IoU。
8.如权利要求1所述的测量系统和被测系统坐标系对准的方法，其特征在于，还包括修正所述采集设备，具体修正过程为，
首先，将标定板随机设置在被测区域的任一待测点，用以标定所述待测点的位置和大小；
其次，利用采集设施获取被测区域的采集图像，当获得的所述采集图像中所述标定板的数量达到矫正要求后，计算此时采集设施的畸变系统矩阵；
再次，采用所述畸变系统矩阵对采集设施进行畸变修正。
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