CN1847781A - 光电测宽仪动态测量位置校正方法 - Google Patents

Abstract

一种光电测宽仪动态测量的位置校正方法。该方法适用于光电测宽仪在线测量时，对被测物轴向跳动和倾斜引起的测量误差进行实时校正。本发明的特点是：从探测器获得的宽度信息中提取出轴向位置信息，使测宽仪具有沿光轴方向对被测物位置的识别能力，组成测宽、测距合一的测量系统，经过实验模式对摄像机定标和以校正模型建立目标轴向跳动和倾斜校正关系式，使在动态测量时，根据位置信息可实时校正测量误差。

Description

光电测宽仪动态测量位置校正方法

技术领域：

本发明涉及一种光电探测技术，具体地说，是关于在线检测技术。

背景技术：

带钢在线测宽主要采用成像测量的原理，可以用共轴理想光学系统来描述成像关系，如图1所示，被测物保持物面位置和像面位置共轭，并垂直于光轴(在误差允许范围内)，是成像测量的基本条件。如果被测物偏离物面时(像面保持不变)，物像的共轭点约束关系被破坏，象的清晰度也受到影响，而当被测物不垂直光轴OO’时，物象的几何相似性没有反映实际的比例关系，这些因素都会导致测量误差的产生。

带钢在线测宽仪一般放置在终轧出口，进行成品检测，由于终轧出口有立棍夹住，带钢可以满足成像测量的要求。为实现带钢轧制全过程自动控制，需要在轧制过程中进行宽度检测，而这时带钢运动的自由度增大，会产生较大的跳动和倾斜，破坏了成像测量的基本条件，给测量造成较大的误差，带钢在轧制过程中的运动特性如图2所示。在带钢轧制过程中实现测宽的技术关键，是使测宽仪克服带钢跳动和倾斜对测量的影响，进一步提高测宽仪的动态适应能力和检测精度。

发明内容：

综上所述，测宽仪亟待解决动态检测适应能力问题，以便为实现带钢轧制全过程自动控制创造条件。克服带钢轴向跳动和倾斜对测量的影响是解决这一问题的技术关键，而使测宽仪具有沿光轴方向对被测物位置的识别能力，以便对轴向跳动和倾斜产生的测量误差进行校正，是解决这一问题的有效技术途经。因此，本发明的目的是提供一种光电测宽仪动态测量位置的校正方法。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种光电测宽仪动态测量的位置校正方法，其步骤包括：a.利用两组线列阵摄像机建立同时测量带钢二边缘的距离信息，构成测宽、测距合一的测量装置；b.利用实验模式对摄像机定标，获得图像数据和尺度的关系，建立尺寸定标数据表；c.以校正模型构建获得目标轴向跳动校正关系，建立距离校正运算表；d.以校正模式构建获得目标倾斜校正关系式，建立倾斜校正运算表；以及e.建立由模拟信号处理电路、数据采集电路和计算机依次联结构成的信息处理系统，由模拟信号处理电路提供驱动时序和同步信号，以及提取可进行数字处理的目标信号；在计算机中建立包括接受目标数字信号输入，以及完成宽度和校正运算的尺寸定标数据表、距离校正运算表和倾斜校正运算表所构成的信息处理功能模块。

进一步，所述两组线列阵摄像机的光轴平行、且其探测器在一直线上排列，光学参数基本一致，公共视场为测量有效视场，光轴间距、探测器分辨率是影响轴向位置测量精度的主要因素；

在实验室用热带钢模拟器及高精度两维运动定标器，进行摄像机定标试验，获得图像数据和尺度关系；

用实验模拟的方法，获得校正测试数据，用最小二乘法建立轴向跳动和倾斜的校正关系式。

从上所述，本发明方法的优点是：1、可从两组CCD线列阵摄像机获得的宽度信息中提取出轴向位置信息，使测宽仪具有沿光轴方向对被测物位置的识别能力；

2、以实验模式对摄像机定标，建立尺寸定标数据表和以校正模型建立对目标轴向跳动和倾斜的校正关系式，使在动态测量时，根据位置信息，能实时校正测量误差。

附图说明：

图1是共轴理想光学系统成像测量原理图。

图2是带钢运动特性示意图。

图3是探测系统测量原理图。

图4是测宽仪信息处理系统框图。

图5是测宽仪信息处理流程图。

具体实施方式：

下面根据图3～图5给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地说明本发明的技术特征和功能特色，但不是用来限定本发明的范围。

请参阅图3，本发明的探测系统由二组CCD摄像机构成，每组摄像机由光学系统和线列阵CCD器件组成。带钢宽度测量采用被动式成像测量法，由二组摄像机分别获取带钢边缘的图像，经运算得到宽度值。根据双目视觉方法的测距原理，二组摄像机可以同时测得带钢二边缘的距离信息，从而组成测宽、测距合一的测量系统，实现在线测宽的动态校正，如图3所示：设定CCD摄像机1、2的光轴的间距为b，带钢边缘点P1在摄像机1的成像位置为d₁、在摄像机2的成像位置为d₂，点P1距摄像机2光轴为L₁，摄像机1、2的像距为L₀，β为摄像机垂轴放大倍数，根据几何光学的相似性原理可以得到P1点的轴向距离：

$Z_1=\frac{b{L}_0}{d_1-d_2}---\left(1\right)$

带钢边缘点P2在摄像机1的成像位置为d₃、在摄像机2的成像位置为d₄，同理可以得到P2点的轴向距离：

$Z_2=\frac{b{L}_0}{d_4-d_3}---\left(2\right)$

b称为基线长度，L₀为摄像机内部参数，(d₁-d₂)、(d₄-d₃)为视差。根据成像测量原理，可以得到带钢宽度：

$W=\frac{d_1+d_4+b}{\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

本发明的特点是：

采用本发明的方法后，探测系统能克服带钢轴向跳动和倾斜对测量的影响，动态适应能力有了显著提高。

本发明采用从探测器获得的宽度信息中提取出轴向位置信息，使测宽仪具有沿光轴方向对被测物位置的识别能力，组成测宽、测距合一的测量系统。

在本实施例中，两组线列阵摄像机1、2的光轴平行、探测器11，22在一条直线上排列，光学参数基本一致(光学焦距，F数)，公共视场为测量有效视场(两摄像机有效视场的重叠部分)，光轴间距、探测器分辨率是影响轴向位置测量精度的主要因素，根据式(1)、(2)，轴向距离和光轴间距b成正比，b越大，距离测量精度越高。

在摄像机系统确定的情况下，设距离为z1时的视差为u，当距离变化Δz，视差的变化量为Δu，则

$\mathrm{\Δz}=\frac{b{L}_0\mathrm{\Δu}}{u^2}---\left(4\right)$

式(4)表明，距离的测量精度取决于视差的分辨率。视差的最小分辨率就是摄像机的分辨率，即摄像机的分辨率越高，距离的测量精度越高。

一.信息处理系统组成

请参阅图4测宽仪信息处理系统分为三个部分，即模拟信号处理电路3、以数字电路为基础的数据采集电路4和基于计算机的信息运算处理系统5，模拟信号处理电路3通过对信号的放大、滤波、直流恢复和二值化等处理，提取出可进行数字处理的目标信号。以单片式微处理器41为核心的逻辑处理电路，在嵌入式软件的程序控制下，将目标信号依据时间上的排列，按序采集存储，经格式编排后，通过计算机接口，传输给信息运算处理系统5。信息运算处理系统5一般采用通用个人计算机，主要完成宽度及校正运算，信息处理流程100如图5所示。其运行步骤依次如下：

S1000、启动程序，S1001、输出二路CCD驱动时序和同步信号，S1002输出二路CCD模拟信号，S1003、信号调理形成二值化信号，S1004、控制计数器进行计数，S1005、计数值锁存，S1006、读取计数值，S1007按带钢前后沿进行编码，S1008、数据传输，S1009、解出二路CCD信号的前后沿计数值，S1010、查尺寸定标数据表，S1011、查距离校正运算表，S1012、查倾斜校正运算表，S1013、宽度运算，S1014、显示存储，S1015、程序运行结束。

二.摄像机定标

在本发明中，为了获得图像数据和尺度的关系，使用热带钢模拟器及高精度两维运动定标器，进行摄像机定标试验。本实施例中，使用的模拟器、及运动定标器的精度一般高于摄像机分辨率5倍，将定标器放置于摄像机前，根据定标器上模拟器的位置读数取得x、z向的坐标值，由摄像机输出数据获得图像坐标值，即完成一个定标点的数据获取。在摄像机视场范围内，移动模拟器，根据定标点数要求，获得n个点的定标数据。通过下述数据处理方法，获得定标系数。

摄像机定标的目的就是通过已知被测物尺度值和摄像机获取的被测物图像数据，获得摄像机内、外部参数，建立图像数据和尺度的关系，这也是成像测量法的基本要求。用线列阵探测器组成双目视觉系统，不但要进行x向尺度定标，还要对z向进行距离尺度的定标。设两摄像机1，2平行放置，光轴间距离为b，定标点P在C₁图像坐标为(u₁₁，…，u_1n)、在C₂图像坐标为(u₂₁，…，u_2n)，而(x₁，…，x_n)则为定标点P在C₁的x向坐标，而在C₂坐标则为(x₁-b，…，x_n-b)，n为定标点数，a_x1、b_x1为C₁摄像机定标系数，a_x2、b_x2为C₂摄像机定标系数。根据双目视觉方法的有关推论，得到C₁、C₂摄像机在x向的定标方程：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_1-b\\ M\\ x_n\\ x_n-b\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cccc}{u}_{11}& 0& 1& 0\\ 0& u_{21}& 0& 1\\ & M& & \\ u_{1n}& 0& 1& 0\\ 0& u_{2n}& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{a}_{x1}\\ a_{x2}\\ b_{x1}\\ b_{x2}\end{array}\right]---\left(5\right)$

(z₀₁，…，z_0n)为定标点P在C₁、C₂摄像机的z向坐标，a_z、b_z为C₁、C₂摄像机z向定标系数，同理得到由C₁、C₂摄像机组成的双目视觉系统z向的定标方程：

$\left[\begin{array}{c}{z}_{01}\\ M\\ z_{0n}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{u_{11}-u_{21}}& 1\\ M& \\ \frac{1}{u_{1n}-u_{2n}}& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{a}_z\\ b_z\end{array}\right]---\left(6\right)$

由于数据总是有噪声的，在实际应用中，定标点数取n＞3，一般采用最小二乘法，经线性拟合，求出定标系数。为了满足测量精度的要求，一般分段进行定标，分段数取决于精度要求。分段数越密，定标精度越高，但当定标精度接近极限测量精度时，分段数再加密对精度提高作用不大。

三.动态测量误差校正

1.轴向跳动影响的校正

带钢的轴向跳动引起光学系统的物距变化，导致成像关系也相应变化，并产生离焦，使象长发生变化，宽度测量产生误差。设物距为Z，物长为W₀，尺寸当量值为P，象距为l₀，象元计数值为L，根据成像测量原理可以得到：

W₀＝P×L       (7)

根据式(7)，当物距发生变化时，要使象元计数值L变化而W₀仍保持不变，那么尺寸当量值P必定是一个随物距变化的变量。由于轴向跳动引起光学弥散斑扩大，象质发生变化，信息采集电路存在噪声，所以尺寸当量值P和物距Z的函数关系一般通过实验的方法确定，用最小二乘法获得拟合曲线方程。对于复杂的函数关系一般通过分段折线的办法获得，分段数取决于校正精度，分段数越密，校正精度越高(在极限测量精度内)。

对于宽度为W₀的标准物长，在物距为(z₀₁，…，z_0n)处，得到的象元计数值为(L₁，…，L_n)，校正参数为P_a、P_b，n为点数，带钢轴向跳动的误差校正方程为：

$\left[\begin{array}{c}\frac{W_0}{L_1}\\ M\\ \frac{W_0}{L_n}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}{z}_{01}& 1\\ M& \\ z_{0n}& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{p}_a\\ p_b\end{array}\right]---\left(8\right)$

一般n＞3，用最小二乘法求得线性拟合方程，得到校正参数P_a、P_b。本实施例中，用实验模拟的方法，获得轴向跳动的校正测试数据，用最小二乘法建立轴向跳动的校正关系式。本实施例中，将已知宽度的模拟器放置在定标器上，在设定跳动范围内移动模拟器，获得不同轴向距离下，摄像机输出的象元计数值，按上述数据处理方法，得到轴向跳动的校正参数。

2.倾斜影响的校正

带钢的倾斜使基于垂轴光学系统成像测量的物像关系未反映实物和象的比例关系，象长是实物在倾斜情况下的投影，不代表物的真实尺度。为校正倾斜角θ的影响，需测出θ角，并建立校正关系式(9)，E_θ为补偿函数。

W₀＝W+E_θ       (9)

根据双目视觉距离测量方法，可以得到带钢两边缘到摄像机的轴向距离Z₁、Z₂，根据几何三角定理得到倾斜角θ：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ArcCos}\left(\frac{|Z_2-Z_1|}{W_0}\right)---\left(10\right)$

根据式(10)，E_θ为和轴向距离相关的函数，(W₁，…，W_n)为对应于两边缘距离差[(z₂₁-z₁₁)，…，(z_2n-z_1n)]的宽度测量值，E_θa、E_0b为校正参数，由此得到带钢倾斜的误差校正方程为：

$\left[\begin{array}{c}{W}_0-W_1\\ M\\ W_0-W_n\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cc}{z}_{21}-z_{11}& 1\\ M& \\ z_{2n}-z_{1n}& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\θa}}\\ E_{\mathrm{\θb}}\end{array}\right]---\left(11\right)$

一般n＞3，用最小二乘法求得线性拟合方程，得到校正参数E_0a、E_0b。在本实施例中，采用实验模拟方法，获得带钢倾斜校正测试数据，并用最小二乘法建立带钢倾斜的校正关系式。本实施例中，将已知宽度的模拟器放置在定标器上，在设定倾斜角度内转动模拟器，获得模拟器两边沿不同距离差下，由摄像机测得的模拟器宽度，按上述数据处理方法，得到倾斜的校正参数。

Claims (4)

1、一种光电测宽仪动态测量的位置校正方法，其步骤包括：

a.利用两组线列阵摄像机建立同时测量带钢二边缘的距离信息，构成测宽、测距合一的测量装置；

b.利用实验模式对摄像机定标，获得图像数据和尺度的关系，建立尺寸定标数据表；

c.以校正模型构建获得目标轴向跳动校正关系式，建立距离校正运算表；

d.以校正模型构建获得目标倾斜校正关系式，建立倾斜校正运算表；以及

e.建立由模拟信号处理电路、数据采集电路和计算机依次联结构成的信息处理系统，由模拟信号处理电路提供驱动时序和同步信号，以及提取可进行数字处理的目标信号；在计算机中建立包括接受目标数字信号输入，以及完成宽度和校正运算的尺寸定标数据表、距离校正运算表和倾斜校正运算表所构成的信息处理功能模块。

2.根据权利要求1所述的光电测宽仪动态测量的位置校正方法，其特征在于：两组线列阵摄像机的光轴平行、探测器在一直线上排列，光学参数基本一致，公共视场为测量有效视场。

3.根据权利要求1所述的光电测宽仪动态测量的位置校正方法，其特征在于：在实验室用热带钢模拟器及高精度两维运动定标器，进行摄像机定标试验，获得图像数据和尺度关系。

4.根据权利要求1所述的光电测宽仪动态测量的位置校正方法，其特征在于：用实验模拟的方法，获得校正测试数据，用最小二乘法建立轴向跳动和倾斜的校正关系式。

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