一种基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法与流程

本发明涉及轧机装备关键参数的检测技术领域，特别是指一种基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法。

背景技术：

轧机是冶金装备最重要的功能设备之一，轧辊空间位置影响轧机的功能精度，轧辊空间位置往往随着服役时间的增长而发生偏差，产生上下辊中心轴线夹角、设备颤振加剧、产品质量下降等问题。目前尚无针对冶金生产领域轧机工作状态下轧辊轴线空间位置的在线检测装置，工业生产中主要利用激光追踪仪进行轧辊空间位置精度检测，其检测方式为离线检测，无法实时获取轧辊旋转时的空间位置信息，导致设备和工艺参数调整滞后、产品质量下降，且其检测结果受空间遮挡点影响大，难以实现复杂工况下轧辊端面监测点坐标的准确获取。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法，以解决现有技术所存在的难以对轧辊空间位置进行在线检测所导致的设备和产品质量的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法，包括：

建立双目立体视觉三坐标测量模型，其中，所述双目立体视觉三坐标测量模型包括：相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系；

在轧辊端面上选取一点作为轧辊端面监测点，根据建立的所述双目立体视觉三坐标测量模型，得到所述轧辊端面监测点的三维空间坐标；

轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标；

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。

进一步地，所述建立双目立体视觉三坐标测量模型包括：

通过标定相机确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系；

根据确定的所述相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，建立双目立体视觉三坐标测量模型。

进一步地，所述通过标定相机确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系包括：

在轧辊操作侧放置两个与轧辊尺寸和轧辊旋转速度相匹配的相机，并对所述相机进行标定；

对两个相机进行标定后，通过视差计算进行背景建模，获取完整的前景运动物体视差图；

根据获取的所述完整的前景运动物体视差图进行图像特征匹配，确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系。

进一步地，所述轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标包括：

获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标。

进一步地，所述获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标包括：

根据图像处理算法和点空间运动轨迹追踪提取技术，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标。

进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。

进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。

进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标进行空间圆拟合，建立轧辊端面函数表达式；

根据建立的所述轧辊端面函数表达式，确定轧辊端面旋转中心的三维空间坐标；

根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式。

进一步地，所述根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式包括：

根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标及轧辊旋转中心轴线垂直于轧辊端面且经过所述轧辊端面旋转中心，基于点-线-面的立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式。

进一步地，所述根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式之后包括：

根据得到的所述轧辊旋转中心轴线方程式，并结合预设的轧辊尺寸参数，对轧辊空间位置进行在线检测，其中，所述轧辊尺寸参数包括：轧辊的半径、辊身长度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过建立的所述双目立体视觉三坐标测量模型，能够准确获取轧辊端面监测点的三维空间坐标；轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标；根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹，实现轧辊旋转中心轴线运动轨迹的动态测量，完成轧辊旋转中心轴线空间位置的在线精准检测和动态反馈，进而可以实现轧辊空间位置的在线检测，检测结果受空间遮挡点影响小，能够解决现有技术不易对轧辊空间位置进行在线检测所导致的设备和产品质量问题，为轧机的全效、高精度运行提供保障。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于机器视觉的轧辊空间位置在线检测方法的技术方案示意图；

图3为本发明实施例提供的基于机器视觉的轧辊空间位置在线检测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于双目立体视觉三坐标测量模型示意图；

图5为本发明实施例提供的轧辊端面边缘部位网状标记点A的运动轨迹追踪提取示意图；

图6为本发明实施例提供的基于点-线-面立体几何特征的轧辊旋转中心轴线轨迹重构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的难以对轧辊空间位置进行在线检测所导致的设备和产品质量的问题，提供一种基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法。

如图1所示，本发明实施例提供的基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法，包括：

S101，建立双目立体视觉三坐标测量模型，其中，所述双目立体视觉三坐标测量模型包括：相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系；

S102，在轧辊端面上选取一点作为轧辊端面监测点，根据建立的所述双目立体视觉三坐标测量模型，得到所述轧辊端面监测点的三维空间坐标；

S103，轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标；

S104，根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。

本发明实施例所述的基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法，通过建立的所述双目立体视觉三坐标测量模型，能够准确获取轧辊端面监测点的三维空间坐标；轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标；根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹，实现轧辊旋转中心轴线运动轨迹的动态测量，完成轧辊旋转中心轴线空间位置的在线精准检测和动态反馈，进而可以实现轧辊空间位置的在线检测，检测结果受空间遮挡点影响小，能够解决现有技术不易对轧辊空间位置进行在线检测所导致的设备和产品质量问题，为轧机的全效、高精度运行提供保障。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述建立双目立体视觉三坐标测量模型包括：

通过标定相机确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系；

根据确定的所述相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，建立双目立体视觉三坐标测量模型。

本实施例中，可以通过标定相机确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，也就是说，可以通过标定相机确定轧辊端面监测点的图像平面坐标与其三维空间坐标之间的映射关系；根据确定的所述相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，可以建立复杂工况下的双目立体视觉三坐标测量模型；进而根据建立的双目立体视觉三坐标测量模型，可以获得轧辊端面监测点的三维空间坐标。

本实施例中，可以在轧辊端面的边缘部位粘贴网状标记点A作为所述轧辊端面监测点。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述通过标定相机确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系包括：

在轧辊操作侧放置两个与轧辊尺寸和轧辊旋转速度相匹配的相机，并对所述相机进行标定；

对两个相机进行标定后，通过视差计算进行背景建模，获取完整的前景运动物体视差图；

根据获取的所述完整的前景运动物体视差图进行图像特征匹配，确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系。

本实施例中，可以先选用2个与轧辊尺寸和轧辊旋转速度相匹配的相机、专用透镜组和数字图像信息同步采集控制模块，专用透镜组是放置于相机前端的成像镜头组，由一系列透镜组成，其作用是接收待测物的反射光线，在相机成像元件上形成图像。数字图像信息同步采集控制模块的作用主要有三点：首先是两个相机的同步控制功能，为了让两个相机能够严格高精度地在同一时刻采集图像，需要使用外部采集控制；其次是数字图像的采集功能，为了能够采集高分辨率图像，需要给相机搭配合适的采集传输模块，高效无损的传输图像；最后是数字图像的存储功能，为了存储采集到的图像，同时满足大速率、大容量的要求，需要搭配存储模块。将选用的2个相机尽量平行放置于轧辊操作侧，使两相机位于同一水平线上，以轧机牌坊为测量基准坐标进行相机标定，通过视差计算进行背景建模，获得完整的前景运动物体视差图，根据获取的所述完整的前景运动物体视差图进行图像特征匹配，确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，从而建立复杂工况下的双目立体视觉三坐标测量模型，所述双目立体视觉三坐标测量模型具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。

本实施例中，建立双目立体视觉三坐标测量模型的方法简单，仅需在轧辊操作侧放置两个相机，能够节省成本和现场空间。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述轧机运行时，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标包括：

获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标包括：

基于图像处理算法和点空间运动轨迹追踪提取技术，获取所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标。

本实施例中，可以基于相关图像处理算法(例如，关键点提取算法)以及点空间运动轨迹追踪提取技术，实现轧辊端面监测点在空间运动轨迹上的动态测量，获取轧辊旋转过程中轧辊端面监测点经过不同位置(≥3个)时的三维空间坐标，从而实现轧辊端面监测点随轧辊旋转时的不同位置坐标测量。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。

本实施例中，可以根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹，实现轧辊旋转中心轴线运动轨迹的动态重构(动态测量)，从而实现轧辊旋转中心轴线空间位置的在线精准检测和动态反馈。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹。在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线的运动轨迹包括：

根据获取的所述轧辊端面监测点随轧辊旋转时处于至少3个不同位置时的三维空间坐标进行空间圆拟合，建立轧辊端面函数表达式；

根据建立的所述轧辊端面函数表达式，确定轧辊端面旋转中心的三维空间坐标；

根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式包括：

根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标及轧辊旋转中心轴线垂直于轧辊端面且经过所述轧辊端面旋转中心，基于点-线-面的立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式。

在前述基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据确定的所述轧辊端面旋转中心的三维空间坐标，基于点-线-面的轧辊立体解析几何特征，得到轧辊旋转中心轴线方程式之后包括：

根据得到的所述轧辊旋转中心轴线方程式，并结合预设的轧辊尺寸参数，对轧辊空间位置进行在线检测，其中，所述轧辊尺寸参数包括：轧辊的半径、辊身长度。

本实施例中，通过建立的双目立体视觉三坐标测量模型，得到所述轧辊端面监测点的三维空间坐标；根据相关图像处理算法(例如，关键点提取算法)和点空间运动轨迹追踪提取技术，并基于轧辊立体解析几何特征、结合预设的轧辊尺寸参数，实现轧辊空间位置的在线精准检测和动态反馈，能够减少轧机系统故障发生，降低轧机维修成本和废钢率，提升轧机空间精度管控水平，解决现有技术存在的不易对轧辊空间位置进行在线检测所导致的设备和产品质量问题。

如图2-图3所示，结合一具体实施例对本实施例所述的基于机器视觉的轧辊轴线空间位置在线检测方法进行详细说明：

A11、以轧机牌坊为测量基准坐标，采用与轧辊尺寸和轧辊旋转速度相匹配的相机(左相机和右相机，简称左右相机)、专用透镜组和数字图像信息同步采集控制模块完成左右相机的标定，通过视差计算进行背景建模，获得完整的前景运动物体视差图，根据获取的所述完整的前景运动物体视差图进行图像特征匹配，确定相机图像平面坐标与三维空间坐标之间的映射关系，建立双目立体视觉的三坐标测量模型，如图4所示，基于建立的双目立体视觉的三坐标测量模型，确定三维空间中粘贴于轧辊端面的网状标记点A在左右相机图像平面上的坐标位置a_l(u_l，v_l)、a_r(u_r，v_r)与其三维空间坐标A(X，Y，Z)之间的映射关系，实现轧辊端面监测点A(X，Y，Z)三维空间坐标的精确测量。

A12、轧机运行时轧辊旋转，轧辊端面边缘部位上的网状标记点A也将随之运动，根据相关图像处理算法(例如，关键点提取算法)和点空间运动轨迹追踪提取技术，获得网状标记点A旋转经过不同位置时的三维空间坐标，分别为点A1(X1，Y1，Z1)和点A2(X2，Y2，Z2)，如图5所示。

A13、根据点A、A1、A2的三维空间坐标进行空间圆拟合，建立轧辊端面(空间圆A-A1-A2)函数表达式；根据建立的所述轧辊端面函数表达式，确定空间圆圆心O(Xo，Yo，Zo)的三维空间坐标，空间圆圆心O即为轧辊端面旋转中心。

A14、如图6所示，轧辊旋转中心轴线垂直于轧辊端面(A-A1-A2)且经过轧辊端面旋转中心O，基于点-线-面的立体解析几何特征，获得轧辊旋转中心轴线OO’方程式，完成轧辊旋转中心轴线运动轨迹的动态重构(动态测量)，结合预设的轧辊尺寸参数(辊径的半径R、辊身长度L)，实现轧辊空间位置的在线检测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。