CN1912531A - 一种激光视觉量值传递装置和量值传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光视觉检测技术，涉及对量值传递装置和量值传递方法的改进。该传递装置是刚性体，它有两个相互垂直的有一定厚度的竖平面，在每个竖平面上有纵横排列的凸起矩形块，每个凸起矩形块的高度相同。本发明装置易于加工，不存在透视投影畸变误差，且图像坐标易于提取，可以达到很高的精度。本发明方法结合双重交比不变原理，可获得用于量值传递计算所需的任意数量的高精度的特征点，可有效提高激光视觉的量值传递精度。

Description

一种激光视觉量值传递装置和量值传递方法

技术领域

本发明属于激光视觉检测技术，涉及对值传递装置和量值传递方法的改进。

背景技术

激光视觉检测技术广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量；微电子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自动检测；软质、易碎零部件的检测；各种模具三维形状的检测；机器人的视觉导引等。激光视觉检测技术以其大量程、大视场、测量速度快、光条图像易于提取及较高精度等特点在工业环境中得到了愈来愈广泛的应用。

量值传递是激光视觉检测的关键环节之一。如何设计高精度的激光视觉量值传递装置则是实现高精度测量的基础。目前文献报道中主要有以下装置：

拉丝靶装置。

R.Dewar[Dewar.R，“Self-generated targets for spatial calibration ofstructured light optical sectioning sensors with respect to an externalcoordinate system，”Robots and Vision’88 Conf.Proceedings.Detroit，1988，pp.5-13.]和K.W.James[K.W.James，“Noncontact Machine VisionMetrology Within a CAD Coordinate System，”Autofact’88 ConferenceProceedings，1988，pp.9-17.]分别使用了所谓“拉丝法靶”装置来实现激光视觉传感器的量值传递。如图1所示，激光光平面投射到在空间分布的几根不共面的细丝上，由于细丝散射，从而在细丝上形成亮点，几个亮点在像面上成像。同时采用其它坐标仪器(如电子经纬仪对)测出亮点在空间中的坐标值。利用像面亮点成像坐标及亮点在空间中测得的坐标值来求解光平面与摄像机间的位置参数，标定出的精度可达±0.05mm(±3σ)。

但是这种装置在细丝上形成的亮点本身表现为一种光强分布，用仪器瞄准的亮点与利用软件算法从亮点在像面成像形成的灰度分布中提取的点一般不是对应点。再者，由于细丝和实际测量中的待测物表面的散射特性相差较大，这必然导致利用细丝散射在像面上形成的灰度分布求得的特征点，与利用待测物表面散射在像面上形成的灰度分布求得的特征点不是来自同一个光平面。这两种不一致必然会给量值传递带来误差。

锯齿靶装置。

段发阶等人[段等，“一种新型线结构光传感器结构参数标定方法”，仪器仪表学报，2000，Vol.21，No.1，pp.108-110提出了一种锯齿靶量值传递装置，该装置由一个简单锯齿靶和一个一维工作台构成，如图2所示。它不需要其它仪器辅助测量激光光平面上点的坐标，且锯齿靶面的散射特性也可做成与待测表面的散射特性相一致。激光光投射器把光束投射到锯齿靶上，与靶面相交从而形成折线式光条，折线光条在摄像机像面上成像，像光条也是折线状。利用光条算法可求折线的转折点的像面坐标，这些转折点对应光平面与锯齿靶标各棱线的交点。图2中，o_cx_cy_c为锯齿靶面的基准面，棱线“1”、“2”、“3”都与基准面平行。锯齿型标定靶紧固在一维工作台上，通过仪器调整使得一维工作台的运动方向与基准面相垂直。通过一维移动台的移动，可以获得激光光平面内多个特征点，但中方式获得的点不是很多。由于该装置需要调整一维工作台或传感器的姿态，使得激光光平面与棱线相垂直，操作较复杂，且因齿棱易反光，造成像点的提取精度较低。另外，因齿棱有限，获取的标定点数目少。

微分量块装置。

微分量块装置[邹，《三维视觉检测研究及其ADC应用》，天津：天津大学精密仪器工程系博士学位论文，1992]也是一种较为有效的激光视觉量值传递装置。如图3所示的是任意激光光平面切入已知量块。量值传递是针对这块已知量块进行的。已知量块是一个六面体，上、下两表面相互平行。实际操作时，将量块放在一移动台上，移动台可沿一坐标轴移动，利用标准位置增量进行量值传递计算。利用该装置进行量值传递要求光条与棱边准确对准，移动台沿一坐标轴移动，因此调整比较困难。

直线或平面已知装置。

Chen于1987年提出了一种由已知直线和图像点的匹配直接获得摄像机像平面与结构光光平面量值传递关系的方法[Chen，C.H.and Kak，A.C.，“Modeling and Calibration of a Structured Light Scanner for 3D RobotVision，”Proc.IEEE Conf.Robotics and Automation.1987，No.2，pp.807-815.]，并设计了相应的量值传递装置。该装置带有6条非平行非共面的已知直线，这些直线是由刚性平面相交形成的。激光视觉传感器投射的激光平面与这些已知直线的交点作为量值传递计算的特征点。这种装置需要与机器人配合使用。Reid扩展了Chen的方法，于1996年提出了一种由已知平面和图像点的匹配直接获得摄像机像平面与结构光光平面量值传递关系的方法[Reid，I.D.，“Projective Calibration of aLaser-Stripe Range Finder，”Image and Vision Computing.1996，Vol.14，No.9，pp.659-666.]。他设计的量值传递装置由6个非平行的已知刚性平面构成，激光视觉传感器投射的激光平面与这些平面的相交光条上的任意点都可以作为量值传递计算的特征点。该装置需要与一台类似机器人的移动车配合使用。

发明内容

本发明的目的是：提出一种精度高、可以产生更多精度更高的用于量值传递计算的特征点的装置，以进一步提高激光视觉测量的精度。同时，提出使用该装置进行量值传递的方法。

本发明的技术方案是：、一种激光视觉高精度量值传递装置，其特征在于，该传递装置是一个刚性体，它有两个相互垂直的竖平面，在每个竖平面上有2～6行2～6列共4～36个凸起矩形块，每个凸起矩形块的高度相同，为3～10mm，其中第一、三行的凸起矩形块为边长20～60mm的正方形，第二行的凸起矩形块为边长20～30×40～60mm的矩形，凸起矩形块的行间距均为5～20mm，列间距为5～20mm，两个竖平面的交线到两平面上最近的矩形块的最近边缘的距离为5～20mm，量值传递装置的加工精度为0.001～0.005mm。

使用如上面所述的量值传递装置进行量值传递的方法，其特征在于，操作步骤如下：

1、把量值传递装置放置到能够被视觉传感器全部看到且量值传递装置充满视觉传感器视场的位置；

2、打开激光视觉传感器中CCD摄像机的电源，采集量值传递装置的一幅图像，存储到计算机中；

3、提取量值传递装置上所有凸起矩形块的所有角点的二维像坐标(X_i，Y_i)及其对应的三维物坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，存储到计算机中；

4、开启激光器电源，向量值传递装置投射激光，在量值传递装置的两刚性平面上形成激光光条，使激光光条与量值传递装置凸起矩形块的边缘相交；

5、提取激光光光条与量值传递装置上矩形块边缘的交点D_i的二维像坐标(X_Li，Y_Li)，利用一次交比式(2)，计算像坐标(X_Li，Y_Li)所对应的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)并存储；计算至少3个这样的交点。

        r(A_i，B_i，C_i，D_i)＝r′(A_i′，B_i′，C_i′，D_i′)      (2)

其中，A_i，B_i，C_i，D_i表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；A_i′，B_i′，C_i′，D_i′表示A_i，B_i，C_i，D_i所对应的像点，r′表示它们的交比。

6、在激光光光条上任意取一点，提取其像坐标(X_Li，Y_Li)，结合一次交比求得的至少三个角点的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)及其像坐标(X_Li，Y_Li)，利用双重交比不变式(3)来求取该点的三维物坐标，并存储；

        r(D₁，D₂，D₃，D₄)＝r′(D₁′，D₂′，D₃′，D₄′)      (3)

其中，D₁，D₂，D₃，D₄表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；D₁′，D₂′，D₃′，D₄′表示D₁，D₂，D₃，D₄所对应的像点，r′表示它们的交比。

7、重复6的工作，得到所需要的激光光光平面上足够多点的三维物坐标及其对应的二维像坐标，就可以进行量值传递的计算。

本发明的优点是：

1、该装置为三维立体块，采用凸起的矩形的角点作为特征点，一方面凸起的矩形易于加工，可获得较高的加工精度；另一方面矩形角点不存在透视投影畸变误差，且图像坐标易于提取，可以达到很高的精度。

2、结合双重交比不变原理，可以获得激光光平面上数量任意多的用于量值传递计算的特征点，可有效提高激光视觉的量值传递精度。

附图说明

图1是现有的拉丝靶量值传递装置示意图。图中，1是激光投射器，2是CCD摄像机，3是框架，4是半透明细丝，5是图像采集卡，6是计算机。

图2是现有的锯齿靶量值传递装置示意图。

图3是现有的微分量块量值传递装置示意图。

图4是本发明三维立体块激光视觉量值传递装置结构图。

图5是交比不变性原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明所设计的激光视觉高精度量值传递装置是一三维立体靶标块，结合双重交比不变原理，能够获得激光光平面上用于量值传递计算所需的任意数量的高精度的特征点。该装置有效克服了现有装置存在的不足，提高了激光视觉检测的量值传递精度。本发明激光视觉高精度量值传递装置，其特征在于，该传递装置是一个刚性体，它有两个相互垂直的竖平面，在每个竖平面上有2～6行2～6列共4～36个凸起矩形块，每个凸起矩形块的高度相同，为3～10mm，其中第一、三行的凸起矩形块为边长20～60mm的正方形，第二行的凸起矩形块为边长20～30×40～60mm的矩形，凸起矩形块的行间距均为5～20mm，列间距为5～20mm，两个竖平面的交线到两平面上最近的矩形块的最近边缘的距离为5～20mm，量值传递装置的加工精度为0.001～0.005mm。该传递装置其他部分的结构为任意形状，只要保证上述两个平面的牢固刚体连接即可。例如整体加工的传递装置的轮廓为六面体或者五面体，或者在相互垂直连接的板状平面之间设置加强筋都可。

如图4所示为本发明量值传递装置的一个设计实施例。该装置由钢加工而成，两个刚性竖平面的夹角为90°。每个竖平面上有6个凸起矩形块，凸起的高度为5mm，其中第一、三行的四个为40mm×40mm，第二行的两个为20mm×16mm。第一、二行和第二、三行的间距均为7mm。两列的间距为20mm。两个刚性竖平面的交线到两平面上最近的矩形块的最近边缘的距离为10mm。量值传递装置的加工精度为0.005mm。矩形块的角点的空间三维坐标精确已知，其二维图像坐标可以通过角点提取的方法高精度地获得。利用这些角点，基于双重交比不变原理可以获得光平面上任意多的用于量值传递的特征点。

本发明量值传递方法使用了双重交比不变原理。如图5所示，平面π₁上有三条非重合直线A_iB_iC_i(i＝1，2，3)，直线D₁D₂D₃与这三条直线分别交于点D₁、D₂、D₃。通过透视投影中心o，它们在平面π₂上的像分别为A_i′B_i′C_i′和D₁′D₂′D₃′。

根据透视投影定理，直线经过透视投影变换仍然为直线。因此点A_i′、B_i′、C_i′、D_i′(i＝1，2，3)共线。共线四点的交比定义为：

$r(A,B,C,D)=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{CB}}/\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{DB}}---\left(1\right)$

根据透视投影变换下交比不变原理，有下式成立：

     r(A_i，B_i，C_i，D_i)＝r′(A_i′，B_i′，C_i′，D_i′)       (2)

在点A_i、B_i、C_i的坐标及点A_i′、B_i′、C_i′、D_i′的坐标已知的条件下，利用式(2)可获得D_i的坐标。这样可分别获得点D₁、D₂、D₃的坐标。

在直线D₁D₂D₃上任取一点D₄，对应O点的透视投影点为D₄′。再次利用交比不变原理，有：

     r(D₁，D₂，D₃，D₄)＝r′(D₁′，D₂′，D₃′，D₄′)       (3)

由式(2)一次交比不变可获得点D₁，D₂，D₃的坐标，在其对应的像点D₁′，D₂′，D₃′的坐标及点D₄′的坐标已知的条件下，则再次利用交比不变式(3)可求出D₄的坐标。依此类推，可获取直线D₁D₂D₃上任意一点的坐标。交比的上述特性称为双重交比不变性

使用本发明的量值传递装置进行量值传递的方法，其特征在于，操作步骤如下：

1、把量值传递装置放置到能够被视觉传感器全部看到且量值传递装置尽量充满视觉传感器视场的位置；

2、打开激光视觉传感器中CCD摄像机的电源，采集量值传递装置的一幅图像，存储到计算机中。

3、提取量值传递装置上所有凸起矩形块的所有角点的二维像坐标(X_i，Y_i)及其对应的三维物坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，存储到计算机中。提取方法见C.G.Harris and M.J.Stephens的文章“一种综合的角点和边缘探测器”(A combined corner and edge detector)，第四届Alvey视觉会议论文集，曼彻斯特，第147～151页，1988年。(Proceedings FourthAlvey Vision Conference，Manchester.pp 147-151，1988)

4、开启激光器电源，向量值传递装置投射激光，在量值传递装置的两刚性平面上形成激光光条，使激光光条与量值传递装置凸起矩形块的边缘相交；

5、提取激光光光条与量值传递装置上矩形块边缘的交点D_i的二维像坐标(X_Li，Y_Li)，利用一次交比式(2)，计算像坐标(X_Li，Y_Li)所对应的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)并存储；计算至少3个这样的交点。

       r(A_i，B_i，C_i，D_i)＝r′(A_i′，B_i′，C_i′，D_i′)         (2)

其中，A_i，B_i，C_i，D_i表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；A_i′，B_i′，C_i′，D_i′表示A_i，B_i，C_i，D_i所对应的像点，r′表示它们的交比。

上述提取方法见魏振忠、张广军的文章“结构光视觉检测中直棱边特征点自动提取方法”，2002全国光电技术学术交流会议论文集，第196～199页。

6、在激光光光条上任意取一点，提取其像坐标(X_Li，Y_Li)，结合一次交比求得的至少三个角点的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)及其像坐标(X_Li，Y_Li)，利用双重交比不变式(3)来求取该点的三维物坐标，并存储；

        r(D₁，D₂，D₃，D₄)＝r′(D₁′，D₂′，D₃′，D₄′)       (3)

其中，D₁，D₂，D₃，D₄表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；D₁′，D₂′，D₃′，D₄′表示D₁，D₂，D₃，D₄所对应的像点，r′表示它们的交比。

7、重复6的工作，得到所需要的激光光光平面上足够多点的三维物坐标及其对应的二维像坐标，就可以进行量值传递的计算。

8.实施例：利用如图4所示的靶标设计实施例，对所设计的一激光视觉传感器进行了量值传递。激光视觉传感器的构成为：摄像机型号为MS-368P，分辨率420线，像元数为537(h)×597(v)(CCIR)；激光器为半导体红光激光器，波长为650nm，线宽小于1mm。利用图4所示标提供的矩形块的48个角点和提取的激光光条上的12个特征点作为量值传递特征点，对所设计的激光视觉传感器进行的量值传递结果如下：

(1)激光视觉传感器摄像机内部参数：

有效焦距：f＝16.192337

横向变换比例系数：S_x＝1.005320

镜头径向畸变系数：k＝0.000543

像面中心：U₀＝396.954757  V₀＝254.007269

(2)激光视觉传感器结构参数：

$R=\left[\begin{array}{ccc}0.135832& 0.171788& 0.975725\\ 0.843045& -0.537361& -0.022753\\ 0.520408& 0.825670& -0.217816\end{array}\right]$

T＝[-61.971294  8.464447  601.586335]^T

(3)激光光平面方程系数：

[a b c d]＝[-0.000769  0.056868  -0.584231  10.404217]

对上述已进行量值传递的激光视觉传感器的重复行测试精度和测量精度进行了实验，实验结果如下：

(1)重复性测试实验

对激光光平面上的某一点进行了10次重复测量，重构了其三维世界坐标，以测试该传感器测量的重复性，试验数据如表1所示。

         表1 激光视觉传感器重复性测试数据(mm)

测试次序	x	y	z
				12345678910	-1.896-1.903-1.889-1.889-1.904-1.893-1.884-1.888-1.895-1.902	-25.482-25.501-25.471-25.463-25.493-25.496-25.477-25.481-25.483-25.483	15.33015.32815.33115.33215.32915.32915.33015.33015.33015.330
3σ	0.021	0.034	0.003

由表1可以看出，三维世界坐标的重复性测试误差3σ不超过0.034mm，具有较好的重复性。

(2)测量精度评价实验

利用经纬仪对三坐标测量系统，对进行了量值传递的激光视觉传感器的测量精度进行了评价实验。所建立的经纬仪对三坐标测量系统的测量精度为0.032mm。用经纬仪对三坐标测量系统和已量值传递的激光视觉传感器分别测量了激光光平面上的四个共线的点，并计算出每两个点之间的距离。对距离进行比对，以评价已量值穿的的激光视觉传感器的测量精度。实验数据如表2所示。

        表2 激光视觉传感器测量精度评价实验数据(mm)

测量点之间的距离d

经纬仪对测量结果

激光视觉传感器测量结果

比对偏差Δd

d1d2d3d4d5d6	41.03861.339102.06820.30161.02940.728	41.06961.348101.87720.27860.80840.529	0.0310.008-0.190-0.022-0.221-0.198
				RMS误差		0.145

由表2的试验数据可以看出，该量值传递的激光视觉传感器测量两点间绝对距离的RMS误差不大于0.145mm，对于单点的测量精度应该优于此值。

Claims (3)

1、一种激光视觉高精度量值传递装置，其特征在于，该传递装置是一个刚性体，它有两个相互垂直的竖平面，在每个竖平面上有2～6行2～6列共4～36个凸起矩形块，每个凸起矩形块的高度相同，为3～10mm，其中第一、三行的凸起矩形块为边长20～60mm的正方形，第二行的凸起矩形块为边长20～30×40～60mm的矩形，凸起矩形块的行间距均为5～20mm，列间距为5～20mm，两个竖平面的交线到两平面上最近的矩形块的最近边缘的距离为5～20mm，量值传递装置的加工精度为0.001～0.005mm。

2、使用如权利要求1所述的量值传递装置进行量值传递的方法，其特征在于，操作步骤如下：

2.1、把量值传递装置放置到能够被视觉传感器全部看到且量值传递装置充满视觉传感器视场的位置；

2.2、打开激光视觉传感器中CCD摄像机的电源，采集量值传递装置的一幅图像，存储到计算机中；

2.3、提取量值传递装置上所有凸起矩形块的所有角点的二维像坐标(X_i，Y_i)及其对应的三维物坐标(x_wi，y_wi，z_wi)，存储到计算机中；

2.4、开启激光器电源，向量值传递装置投射激光，在量值传递装置的两刚性平面上形成激光光条，使激光光条与量值传递装置凸起矩形块的边缘相交；

2.5、提取激光光光条与量值传递装置上矩形块边缘的交点Di的二维像坐标(X_Li，Y_Li)，利用一次交比式(2)，计算像坐标(X_Li，Y_Li)所对应的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)并存储；计算至少3个这样的交点。

r(A_i，B_i，C_i，D_i)＝r′(A_i′，B_i′，C_i′，D_i′)         (2)

其中，A_i，B_i，C_i，D_i表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；A_i′，B_i′，C_i′，D_i′表示A_i，B_i，C_i，D_i所对应的像点，r′表示它们的交比。

2.6、在激光光光条上任意取一点，提取其像坐标(X_Li，Y_Li)，结合一次交比求得的至少三个角点的三维物坐标(x_wLi，y_wLi，z_wLi)及其像坐标(X_Li，Y_Li)，利用双重交比不变式(3)来求取该点的三维物坐标，并存储；

r(D₁，D₂，D₃，D₄)＝r′(D₁′，D₂′，D₃′，D₄′)         (3)

其中，D₁，D₂，D₃，D₄表示量值传递装置上共线的四个角点，r表示这四点的交比；D₁′，D₂′，D₃′，D₄′表示D₁，D₂，D₃，D₄所对应的像点，r′表示它们的交比。

2.7、重复2.6的工作，得到所需要的激光光光平面上足够多点的三维物坐标及其对应的二维像坐标，就可以进行量值传递的计算。

3、根据权利要求1所述的高精度量值传递装置，其特征在于，所说的量值传递装置由钢材加工制造。

Images