双目视觉激光标定测量装置及测量方法
【专利摘要】双目视觉激光标定测量装置及测量方法的测试平台上安装有刻度标尺和直线导轨，测试模块和被测物模块由工装固定在测试平台的直线导轨上方，刻度标尺固定在两直线导轨中间位置，并与直线导轨平行；测试模块由两台相机、一个一字型线激光器和步进电机组成，其中相机固定在与直线导轨连接的测试模块工装上，并与被测物之间呈角度安装，一字型线激光器由夹具固定，末端的轴承与测试模块工装连接，并安装在相机的视场后方，直线电机的轴承上连接有凸轮；其主要步骤如下：第一步：一字型线激光器安装角度与相机视场位置确定；第二步：光线投射图像采集；第三步：光线中心线提取；第四步：拟合光线中心线求内壁中心坐标；第五步：重复测量，计算系统精度。
【专利说明】双目视觉激光标定测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 基于机器视觉和激光测量的测试测控技术，尤其针对基于双目视觉的激光标定测 量领域。
【背景技术】
[0002] 非接触式测量技术在日常应用和工业生产中，已经成为不可或缺的测量方式。非 接触式测量不但能够在空间狭小、辐射、高低温等特殊环境的情况下进行，而且能够排除接 触测量对柔性物体尺寸、位置等被测参数的人为和机械磨损带来的误差，有效的提高了测 量精度。非接触测量技术主要采用电子计算机、工业相机等设备对被测物进行图像采集、图 像处理、模式识别、距离计算等测量，相比于传统接触测量技术，非接触测量采用高性能的 成像系统和计算系统对被测物的相关尺寸、位置参数进行自动测量，因而其测量速度更快， 平均测量成本更低，适用性更强。然而非接触测量技术的实际应用还并不成熟，应用方式也 还停留在起步阶段，实现规模化和产品化还有一段距离。
[0003] 本发明提供的是一款双目视觉激光标定测量装置及测量方法，它的目的是解决封 闭环境下，物件内壁测量困难，接触式测量无法实现，通用非接触式测量方式又存在测量精 度低下，测量过程复杂，测量成本过高的问题。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述中提出的问题，本发明主要测量圆孔内壁的周长、确定圆心的空间 位置。其技术方案如下：双目视觉激光标定测量装置及测量方法由测试平台、被测模块、测 试模块、被测模块工装、直线导轨、刻度标尺、相机采集模块、一字型线激光器、步进电机和 测试模块工装组成，其特征在于：测试平台上安装有刻度标尺和直线导轨，测试模块和被 测物模块由工装固定在测试平台的直线导轨上方，所述刻度标尺固定在两直线导轨中间位 置，并与直线导轨平行。
[0005] 所述的测试模块由至少两台相机、至少一个一字型线激光器和步进电机组成，其 中相机固定在与直线导轨连接的测试模块工装上，并与被测物之间呈角度安装，一字型线 激光器由夹具固定，末端的轴承与测试模块工装连接，并安装在相机的视场后方，所述直线 电机的轴承上连接有凸轮；
[0006] 所述双目视觉激光标定测量装置及测量方法其特征在于，主要步骤如下：
[0007] 第一步：一字型线激光器安装角度与相机视场位置确定；
[0008] 第二步：光线投射图像采集；
[0009] 第三步：光线中心线提取；
[0010] 第四步：拟合光线中心线求内壁中心坐标；
[0011] 第五步：重复测量，计算系统精度；
[0012] 所述第一步中，一字型线激光器安装角度与相机视场位置确定：是指测量前期需 要针对被测模块的安装位置将一字型线激光器投影位置和相机的视场范围调整到合适位 置。
[0013] 所述第二步中，光线投射图像采集：是指在相机与一字型线激光器同时工作时，步 进电机驱动一字型线激光器在恒定的范围内做往复运动，相机会将一字型线激光器在被测 物内径投射的光线进行采集和记录。
[0014] 所述第三步中，光线中心线提取：是指一字型线激光器出射的线激光投影到被测 物内壁会形成一段光亮的圆弧。由于图像中圆弧有一定的宽度，为了保证测量精度，需要利 用相关图像处理算法对圆弧的光线中心线进行提取。算法和数学公式如下：
[0015] a :原始图像经过阈值分割，面积特征提取得到激光圆弧目标域的二值化图像；
[0016] b :二值化图像经过距离变换得到灰度按照一定特性分布的灰度图像G ;
[0017] 距离变换算法如下：圆弧目标域的二值图像可以表示成一个二维数组A[M，N]= a(x，y)，其中M、N分别代表图像的行高和列宽值，a(x，y)代表图像坐标（x，y)处的灰度值， 其中，a(x，y) = 1代表目标域，a(x，y) = 0代表背景点。
[0018] 设为目标像素集合，为背景像素集合，距离变换的数学表达为：
[0019]
【权利要求】
1. 双目视觉激光标定测量装置及测量方法由测试平台、被测模块、测试模块、被测模 块工装、直线导轨、刻度标尺、相机采集模块、一字型线激光器、步进电机和测试模块工装组 成，其特征在于：测试平台上安装有刻度标尺和直线导轨，测试模块和被测物模块由工装固 定在测试平台的直线导轨上方，所述刻度标尺固定在两直线导轨中间位置，并与直线导轨 平行；所述的测试模块由至少两台相机、至少一个一字型线激光器和步进电机组成，其中相 机固定在与直线导轨连接的测试模块工装上，并与被测物之间呈角度安装，一字型线激光 器由夹具固定，末端的轴承与测试模块工装连接，并安装在相机的视场后方，所述直线电机 的轴承上连接有凸轮；所述双目视觉激光标定测量装置及测量方法其特征在于，主要步骤 如下： 第一步：一字型线激光器安装角度与相机视场位置确定； 第二步：光线投射图像采集； 第三步：光线中心线提取； 第四步：拟合光线中心线求内壁中心坐标； 第五步：重复测量，计算系统精度。
2. 根据权利要求1所述的双目视觉激光标定测量装置及测量方法，其特征在于：所述 第一步中，一字型线激光器安装角度与相机视场位置确定：是指测量前期需要针对被测模 块的安装位置将一字型线激光器投影位置和相机的视场范围调整到合适位置。
3. 根据权利要求1所述的双目视觉激光标定测量装置及测量方法，其特征在于：所述 第二步中，光线投射图像采集：是指在相机与一字型线激光器同时工作时，步进电机驱动一 字型线激光器在恒定的范围内做往复运动，相机会将一字型线激光器在被测物内径投射的 光线进行采集和记录。
4. 根据权利要求1所述的双目视觉激光标定测量装置及测量方法，其特征在于：所述 第三步中，光线中心线提取：是指一字型线激光器出射的线激光投影到被测物内壁会形成 一段光亮的圆弧。由于图像中圆弧有一定的宽度，为了保证测量精度，需要利用相关图像处 理算法对圆弧的光线中心线进行提取。算法和数学公式如下： a :原始图像经过阈值分割，面积特征提取得到激光圆弧目标域的二值化图像； b :二值化图像经过距离变换得到灰度按照一定特性分布的灰度图像G ; 距离变换算法如下：圆弧目标域的二值图像可以表示成一个二维数组A[M，N] = a(x， y)，其中M、N分别代表图像的行高和列宽值，a(x，y)代表图像坐标（x，y)处的灰度值，其 中，a(x，y) = 1代表目标域，a(x，y) = O代表背景点。 设为目标像素集合，为背景像素集合，距离变换的数学表达为：
其中（i，j) e F，（m，n) e B 背景域和目标域交界的图像边缘处背景坐标和目标坐标的欧式距离较短，灰度值较 小；而处于目标域中心的像素距离背景域欧氏距离最大，灰度值最大。距离变换后的图像G 灰度值沿着边缘处向中心处逐渐增大，形成了一幅目标中心线位置最亮的灰度图像G。 c :令G(x，y)表示二维图像G在（X，y)坐标下的灰度值，像素点坐标X，y可以看做三 维坐标系下XOY平面的横纵坐标值，灰度值G(x，y)可以看做三维坐标系的高度z值，因此 可以将二维图像G拉伸成为三维曲面，曲面坡顶脊线即为图像中心线。 三维曲面G-3D可以表示为，二维图像灰度的变化可以用此三维曲面的曲率表示。曲 面在（x，y)坐标下的曲率可以用Hessian矩阵来定义。
式中：Ix，x(x，y) Ix，y (X，y) Iy，x(x，y) Iy，y (X，y)表示图像的二阶方向导数。 Hessian矩阵的特征值和特征向量表示了图像的本质特征。其中，幅值最大的特征值 对应的特征向量代表三维曲面曲率最大的方向，幅值最小的特征值对应的特征向量代表曲 率最小的方向。对于二维图像，曲率最小的方向也就是图像的中心线，其Hessian矩阵H(x， y)为2X2的实对称矩阵，因而具有2个实特征值。较小的特征值对应的特征向量P(x，y) 即为图像中心线的集合。
5. 根据权利要求1所述的双目视觉激光标定测量装置及测量方法，其特征在于：所述 第四步中，拟合光线中心线求内壁中心坐标：是指将第三步提取到的圆弧的光线中心线拟 合成闭合的椭圆，通过计算得到圆的中心位置、直径、周长等值，其中圆弧的圆心便是被测 模块的圆心。图像处理算法中，圆弧的光线中心线由一系列的离散点P(Xi，Yi)表示，拟合 的计算公式如下：
可解得： Ca+Db+E = O Da+Gb+H = O a = HD-EG/CG-D2 b = HG-ED/D2-GC
得A、B、R的估计拟合值： A = a/-2 B = b/-2
6. 根据权利要求I所述的双目视觉激光标定测量装置及测量方法，其特征在于：所述 第五步中，重复测量，计算系统精度：是指不断改变一字型线激光器的摆动角度重复1-4步 测量圆弧的中心点坐标，通过测量结果的统计和分析验证整个测量系统的稳定性和测量精 度。
【文档编号】G01B11/00GK104390584SQ201410216409
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】管志勇, 叶剑波, 郭景晶, 姚东星 申请人:北京中天荣泰科技发展有限公司