专利名称：利用激光结构光视觉识别工件特征与坐标测量的方法
技术领域：
本发明涉及机器人领域中的视觉测量，特别涉及利用激光结构光视觉识别工件特征与坐标测量的方法。
背景技术：
激光束经过柱面镜形成激光平面，投射到工件上产生激光条纹，利用摄像机采集激光条纹获得具有鲜明特征的视觉图像。经过图像处理识别出工件特征，并获得图像上的特征点的图像坐标，然后由图像坐标计算出工件上对应点的三维坐标。
目前的这种视觉测量方法采用一台摄像机进行图像采集(其典型结构见“吴林，陈善本，智能焊接技术，第209~210页，北京国防工业出版社，2000年。”)。其不足之处是当结构光照射在经过钢丝刷去除氧化膜或磨削过的铝板或其它金属板表面时，会产生强烈的反射，使采集到的图像质量大幅度降低，往往会使后续处理失败；激光器标定困难，需要专门的标定物，标定物结构复杂(“徐光祐，刘立峰，曾建超，石定机，一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法，计算机学报，第18卷，第6期，第450~456页，1995年”)；可用性较低，一旦激光器或者摄像机出现故障，这种视觉测量方法将失效；更换激光器或者摄像机后，必须重新标定才能工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于识别工件特征并进行实时三维坐标测量的方法。
为实现上述目的，一种利用激光结构光视觉识别工件特征与坐标测量的方法，包括步骤
利用两台摄像机同步采集激光结构光视觉图像；利用两幅图像上的特征点坐标和激光结构光平面参数求得工件上对应点的三组三维坐标；通过对这三组三维坐标的融合，得到工件上对应点的三维坐标。
本发明的技术方案是利用两台摄像机同步采集激光结构光视觉图像，用图像处理方法对图像进行处理，识别出工件特征，并获得图像上的特征点的图像坐标。利用双目视觉原理，可以由两幅图像上的特征点坐标计算出工件上对应点的一组三维坐标。分别利用两幅图像上的特征点坐标与激光结构光平面可以获得工件上对应点的二组三维坐标。将这三组信息利用公知的信息融合方法进行融合，从而可以提高测量精度，增加抗干扰能力，提高可用性。
图1为激光结构光视觉测量装置原理示意图；图2为对激光器标定时采集到的单侧坡工件视觉图像；图3为采集到的V型槽工件的视觉图像。
具体实施例方式
本发明提供的用于实现上述方法的装置是在工业机器人的末端安装激光器与两台摄像机，激光平面与摄像机的相对位置固定，激光器与摄像机一起跟随机器人运动。在工业计算机中加装多路图像同步采集卡，将两台摄像机的视频信号接至图像同步采集卡的其中两路输入。
在激光结构光平面方程未知时，利用双目视觉原理，通过两幅图像上的特征点坐标求取三维坐标，然后利用3个以上特征点的三维坐标求取激光器的参数。激光平面方程可以用下式表示ax+by+cz+1＝0将三个以上特征点的三维坐标代入上式，可以求出激光器的参数a，b，c。在上式中，x、y、z是哪个坐标系的坐标，获得的就是哪个坐标系下的激光结构光平面方程。这一过程称之为激光器标定。激光器安装后，只需要标定一次。
由于特征点取自激光结构光，所以特征点必然在激光平面上，同时还在摄像机1光轴中心点与成像平面上的成像点之间的一条空间直线上。利用该直线的方程与激光平面方程，即可求解出特征点的三维坐标，见下式。
其中，(xc10，yc10，zc10)是摄像机1的光轴中心坐标，(xc11、yc11、zc11)是成像平面上的成像点的坐标，a1、b1、c1为与摄像机1同一坐标系下激光结构光平面方程的参数。
同理，利用摄像机2与激光平面方程求解特征点的三维坐标公式如下 其中，(xc20，yc20，zc20)是摄像机2的光轴中心坐标，(xc21、yc21、zc21)是成像平面上的成像点的坐标，a2、b2、c2为与摄像机2同一坐标系下激光结构光平面方程的参数。
此外，本发明在激光器正常，两台摄像机中的任意一台出现故障时，仍然可以进行测量，即利用激光器参数与另一台摄像机的图像获得三维坐标信息。在两台摄像机正常，激光器故障时，激光器更换后，即使不对激光器进行标定，本发明也可以进行测量，即利用两台摄像机采集的激光结构光视觉图像由公知的双目视觉原理获得三维坐标信息。因此，本发明可以大幅度提高视觉测量的可用性。
实施例如图1所示，两台摄像机均采用WATEC505黑白工业摄像机，激光器采用半导体激光器，滤光透镜的主透过光波波长670nm，平凸柱面镜采用GCL-11。实验时，图像采集卡采用MC-30，在任意时刻对两台摄像机的视觉图像进行同步采集。计算机采用工业控制计算机ADVANTECH-610。
首先分别对两台摄像机的内外参数进行了标定。然后将激光结构光投射到单侧坡工件上，获得的图像见图2。求出每幅图像上的5个特征点的图像坐标，利用双目视觉原理，可以由两幅图像上的特征点坐标计算出工件上5个对应点分别相对于摄像机1、摄像机2光轴中心点的三维坐标。将工件上的5个特征点的三维坐标代入激光器平面方程ax+by+cz+1＝0，可分别获得相对于摄像机1、摄像机2光轴中心点的激光结构光平面方程参数。
激光器相对于摄像机1光轴中心点的参数为Factorabc1＝[a1b1c1]＝[-0.0002 0.0054 -0.0026]激光器相对于摄像机2光轴中心点的参数为Factorabc2[a2b2c2]＝
利用本发明对一条焊缝进行3次测量，采集到3组V型焊缝图像，图3是其中的一组图像。利用双目视觉原理，可以由两幅图像上的特征点坐标计算出工件上对应点的一组三维坐标。分别利用两幅图像上的特征点坐标与激光结构光平面可以获得工件上对应点的二组三维坐标。将这三组信息利用信息融合方法进行融合，得到结果作为工件上对应点的三维坐标。共获得9个空间点在基坐标系下的三维坐标。结果为Result＝1.0e+003*[1.1110 -0.1124 0.69621.1038 -0.1079 0.68551.0974 -0.1121 0.69481.1109 -0.0925 0.69651.1038 -0.0879 0.68551.0974 -0.0921 0.69481.1108 -0.0725 0.69641.1036 -0.0678 0.68541.0971 -0.0721 0.6948]；每行为一个空间点的三维坐标，排列顺序为[x y z]。各点测量结果的误差小于±0.1mm。
可见，本发明能够很好地识别工件特征，并能实现实时高精度的工件表面特征的三维坐标测量。
权利要求
1.一种利用激光结构光视觉识别工件特征与坐标测量的方法，包括步骤利用两台摄像机同步采集激光结构光视觉图像；利用两幅图像上的特征点坐标和激光结构光平面参数求得工件上对应点的三组三维坐标；通过对这三组三维坐标的融合，得到工件上对应点的三维坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于利用摄像机1与激光平面方程求解特征点的三维坐标公式如下
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于利用摄像机2与激光平面方程求解特征点的三维坐标公式如下
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于当激光结构光平面方程未知时，包括步骤通过两幅图像上的特征点坐标求取三维坐标；然后，利用多个以上特征点的三维坐标求取激光结构光平面方程的参数。
全文摘要
一种利用激光结构光视觉识别工件特征与坐标测量的方法，包括步骤利用两台摄像机同步采集激光结构光视觉图像；利用两幅图像上的特征点坐标和激光结构光平面参数求得工件上对应点的三组三维坐标；通过对这三组三维坐标的融合，得到工件上对应点的三维坐标。本发明利用两台摄像机同步采集激光结构光视觉图像，对图像进行处理后识别出工件特征，并获得图像上的特征点的图像坐标。利用双目视觉原理，由两幅图像上的特征点坐标计算出工件上对应点的一组三维坐标。分别利用两幅图像上的特征点坐标与激光结构光平面可以获得工件上对应点的二组三维坐标。将这三组信息利用信息融合方法进行融合，从而可以提高测量精度，增加抗干扰能力，提高可用性。
文档编号B23Q17/20GK1511677SQ0215834
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者徐德, 谭民, 赵晓光, 涂志国, 徐 德 申请人:中国科学院自动化研究所