单目视觉测量装置及其三维建模系统的制作方法

本发明涉及视觉测量领域，具体涉及一种单目视觉测量装置以及单目视觉测量的三维建模系统。

背景技术：

随着先进制造技术的出现，制造业发生了巨大的变化。在自动化生产中要求对加工件进行快速测量，且多数情况下要求在生产现场进行实时测量。机器立体视觉测量方法克服了以往传统测量方法效率低下、精度不高、不方便实时测量等缺点，可以满足目前的工业的基本需求。

机器立体视觉测量是利用单个或多个相机，在不接触物体的情况下从不同角度采集物体的几幅图片，然后基于视差原理完成公共视场内物体的三维尺寸测量，可以实现智能化检测，适合在恶劣环境下长时间工作，而且具有测量效率高，实时性，高精度的优势，被越来越多的企业关注。但是目前大部分机器立体视觉都是基于双目或多目相机，成本高，结构复杂，容易引入测量误差，从而降低测量效率。而目前存在的单目视觉测量方式有：使用平面镜成像虚拟成两个相机，采集两幅图像，完成零件的三维尺寸测量，缺点是视场小操作不方便，以及由于平面镜反射光线光照不容易控制，平面镜产生的成像畸变容易造成误差累计；采用将相机固定在三坐标测量机上移动相机完成不同角度的图像采集测量，但此方法成本高，并且标定相机内外参数不够精确。

另外，现有的测量技术方案仅仅对物体的三维尺寸完成了测量，不能完成对测量件的三维模型的进行恢复。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种单目视觉测量装置以及单目视觉测量的三维建模系统。

本发明提供了一种单目视觉测量装置，具有这样的特征，包括：底座，包含用于放置待测工件的底座本体以及设置在底座本体下方的可调节地脚；支座部，包含设置在底座上的支座本体，该支座本体上设有圆孔；转台部，包含转轴和与转轴固定连接的摆臂，转轴插入圆孔与支座本体转动连接，摆臂在转轴带动下摆动；升降部，包含设置在摆臂上的滑轨以及在滑轨上滑动的升降构件；以及相机部，包含与升降构件可拆卸连接的相机夹和安装在相机夹中的工业相机。

在本发明提供的单目视觉测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，转轴与摆臂通过倾角配合连接，转轴的倾角的角度为55°，摆臂的倾角的角度也为55°。

在本发明提供的单目视觉测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，支座本体还设有至少一个与圆孔连通的通孔，转轴上设有三个盲孔，其中两个盲孔之间的圆心角为66°，另一个盲孔位于圆心角的角平分线上，支座部还包含插销，插销穿过通孔插入盲孔固定转轴。

在本发明提供的单目视觉测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，三个盲孔不同时位于同一圆周上。

在本发明提供的单目视觉测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，通孔为圆柱孔、棱柱孔和螺纹孔中任意一种，相对应的盲孔为圆柱孔、棱柱孔或螺纹孔，相对应的插销为圆柱销、棱柱销或螺纹柱销。

在本发明提供的单目视觉测量装置中，还可以具有这样的特征：其中，升降部还包含设置在滑轨末端的防滑螺钉，防滑螺钉用于防止升降件滑落至摆臂底端。

本发明提供了一种单目视觉测量的三维建模系统，具有这样的特征，包括：至少一个单目视觉测量装置，采集待测工件的数字图像，以及三维建模模块，获取单目视觉测量装置得到的数字图像并进行三维建模，其中，单目视觉测量装置为上述任意一项的单目视觉测量装置，三维建模模块具有：图像获取部，用于获取单目视觉测量装置得到的数字图像；图像处理部，对获取的数字图像进行处理，得到处理数据；数据计算部，对处理数据进行计算，得到计算数据；三维建模部，基于计算数据，对工件进行三维建模；暂存部，用于暂存数字图像、处理数据、计算数据以及三维建模数据。

在本发明提供的单目视觉测量的三维建模系统中，还可以具有这样的特征：其中，数据计算部包含直线计算单元和直径计算单元，直线计算单元用于计算工件的长、宽、高的直线长度，直径计算单元用于计算工件的直径。

在本发明提供的单目视觉测量的三维建模系统中，还可以具有这样的特征：其中，三维建模部包含三维建模软件，该三维建模软件为Solidworks、Pro/Engineer、UG、Catia三维建模软件中的任意一种。

发明的作用与效果

本发明所涉及的单目视觉测量装置包括底座、支座部、转台部、升降部以及相机部，所以本发明的单目视觉测量装置可以通过控制摆臂摆动，带动连接在摆臂上的相机部处在多个位置进行拍摄，进而采集待测工件的三维数字图像。本发明的单目视觉测量装置结构简单，效率高，可用于工件的实时测量。

此外，本发明所涉及的单目视觉测量的三维建模系统，不仅可以采集和处理待测工件的三维数字图像，完成待测工件的直线长度、直径计算，还可以重现待测工件的三维模型，方便技术人员观察研究。本发明的单目视觉测量的三维建模系统的针对工件测量实现了自动化，大大节省了工时，提高了检测效率，适用于工业中的测量。

附图说明

图1是本发明的实施例中单目视觉测量的三维建模系统的框图；

图2是本发明的实施例中单目视觉测量装置的结构示意图；

图3是本发明的实施例中转轴的结构示意图；

图4是本发明的实施例中三维建模模块的框图；

图5是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在中间的状态示意图；

图6是本发明的实施例中转轴的转动状态示意图；

图7是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在左侧的状态示意图；

图8是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在右侧的状态示意图；以及

图9是本发明的实施例中三维建模模块的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明单目视觉测量装置以及单目视觉测量的三维建模系统作具体阐述。

图1是本发明的实施例中单目视觉测量的三维建模系统的框图。

如图1所示，单目视觉测量的三维建模系统100包括多个单目视觉测量装置200以及三维建模模块300。单目视觉测量装置200通过通信网络400与三维建模模块300连接。

在本实施例中，多个单目视觉测量装置200结构相同，在此仅对一个单目视觉测量装置200进行阐述。单目视觉测量装置200用于采集待测工件的数字图像，通过通信网络400再将待测图像传输给设置于电脑中的三维建模模块300进行处理。

图2是本发明的实施例中单目视觉测量装置的结构示意图。

如图2所示，单目视觉测量装置200包括：底座210、支座部220、转台部230、升降部240以及相机部250。

底座210包含用于放置待测工件的底座本体211以及设置在底座本体下方的可调节地脚212。使用者可以根据测量现场的情况调节地脚212以使整个装置保持水平。

支座部220包含设置在底座上的支座本体221和插销222。

支座本体221上设有一个圆孔，还设有至少一个与圆孔连通的通孔。通孔为圆柱孔、棱柱孔和螺纹孔中任意一种。在本实施例中通孔为两个，通孔采用圆柱孔。

插销222与通孔相匹配，对应的插销222为圆柱销、棱柱销或螺纹柱销。在本实施例中插销222采用圆柱销。

转台部230包含转轴231和与转轴231固定连接的摆臂232。

转轴231插入支座本体221上的圆孔与支座本体221转动连接。转轴231与摆臂232通过倾角配合焊接在一起。经过计算及经验得出55°倾角测量效果最佳。因此，在本实施例中转轴231的倾角的角度为55°，摆臂232的倾角的角度也为55°。摆臂232在转轴231带动下摆动。

图3是本发明的实施例中转轴的结构示意图。

转轴231上设有三个盲孔，与支座本体221上通孔的形状大小相等，对应的盲孔采用圆柱孔、棱柱孔或螺纹孔。插销222穿过支座本体221上通孔插入盲孔固定转轴231。经过计算及经验得出相机的光轴夹角为66°测量的精度最高。因此，三个盲孔中两个盲孔之间的圆心角为66°，另一个盲孔位于圆心角的角平分线上。本实施例中，三个盲孔采用圆柱孔，三个盲孔不同时位于同一圆周上，具体如下：

如图3所示，转轴231上设有三个盲孔231a、231b和231c，具体位置分别为：

如图3b所示，其中两个盲孔231a和231b设置在转轴231的A-A圆周上，两个盲孔之间的圆心角为66°。

如图3c所示，另一盲孔231c设置在转轴231的B-B圆周上，其位置在两个盲孔231a和231b的圆心角角平分线所在平面上，且转轴231的中心轴线位于该平面上。

如图2所示，升降部240包含设置在摆臂232上的滑轨241以及在滑轨241上滑动的升降构件242。

升降部240还包含防滑螺钉243和固定螺钉244。防滑螺钉243设置在滑轨241的末端，用于防止升降件242滑落至摆臂241底端，避免造成相机损坏。固定螺钉244用于将升降机构242固定在摆臂232上，保证在测量过程中升降机构242处于稳定位置。

相机部250包含相机夹251和工业相机252。相机夹251与升降构件241通过螺栓可拆卸连接。工业相机252安装在相机夹251中。工业相机252用于拍摄，采集工件数字图像。工业相机252可在相机夹251上转动，以调节视场位置。

三维建模模块300获取多个单目视觉测量装置100采集的数字图像并进行三维建模。

图4是本发明的实施例中三维建模模块的框图。

如图4所示，三维建模模块包括：图像获取部310、图像处理部320、数据计算部330、三维建模部340、暂存部350以及控制上述各部的控制部360。

图像获取部310用于获取单目视觉测量装置200得到的数字图像。在本实施例中单目视觉测量装置200的工业相机252通过USB数据线连接到电脑，然后，设置在电脑中的三维建模模块300通过图像获取部310获取数字图像。

图像处理部320对获取的数字图像进行处理，得到处理数据。图像处理在本实施例中采用以下方法：首先对获取的标定板数字图像提取角点，完成相机内外参数的标定，然后对获取的工件数字图像进行灰度化、去噪、直方图均衡化、边缘锐化、提取角点以及角点匹配，之后得到计算工件三维尺寸中所需的角点对。

数据计算部330对处理数据进行计算，得到计算数据。数据计算部包含直线计算单元和直径计算单元。直线计算单元用于计算工件的长、宽、高的直线长度。直线计算在本实施例中采用以下方法：先计算出直线两端的空间坐标，然后利用空间中两点之间的距离公式计算出直线长度。直径计算单元用于计算工件的直径。直径计算在本实施例中采用以下方法：首先计算出工件的圆心位置，然后提取出圆周上足够多的点利用两点间距离公式，求取圆的半径并计算平均值进而得出圆的精确直径。

三维建模部340基于计算数据，对工件进行三维建模。三维建模部包含三维建模软件，该三维建模软件为Solidworks、Pro/Engineer、UG、Catia三维建模软件中的任意一种。在本实施例中采用Solidworks三维建模软件以恢复工件的三维模型。

暂存部350用于暂存数字图像、处理数据、计算数据以及三维建模数据等各类数据。方便技术人员随时查看、调用。

控制部360包含用于控制图像获取部310、图像处理部320、数据计算部330、三维建模部340和暂存部350运行的计算机程序。

本实施例中的单目视觉测量的三维建模系统100具体使用如下：

图5是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在中间的状态示意图。

拍摄前，控制摆臂232，使转轴231转动到如图3c所示，盲孔231c垂直于支座平面。此时，再将插销222穿过支座本体221上通孔插入盲孔231c固定转轴231。从而摆臂232呈如图5的状态，如图5所示，摆臂232与支座平面垂直。接着使用者根据所测工件的大小、形状等因素，通过固定螺钉244对升降构件242在滑轨241上的位置进行固定，再调节相间夹251，使工业相机252视场大小以适应工件的拍摄。

确定视场范围：将摆臂232分别摆动到左侧、右侧两种状态接着使用工业相机分别拍摄处于两种状态下的棋格盘数字图像，其中棋格盘用于标定相机内外参数。多次重复上述拍摄操作，拍摄多幅棋盘格数字图像对，每拍摄一对棋盘格图相对，棋盘格都要变换一下空间位置。最后将待测工件放置在固定位置，分别在两种状态下采集两幅数字图像，作为测量所需的数字图像对。具体两种拍摄状态如下：

图6是本发明的实施例中转轴的转动状态示意图；图7是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在左侧的状态示意图。

摆臂232在左侧状态时拍摄数字图像：控制摆臂232，使转轴231呈如图6e的状态，如图6e所示，盲孔231b垂直于支座平面。此时，再将插销222穿过支座本体221上通孔插入盲孔231b固定转轴231。从而摆臂232呈如图7的状态，如图7所示，摆臂232位于左侧，与插销呈33°夹角。然后，使用工业相机252拍摄数字图像。

图8是本发明的实施例中单目视觉测量装置中摆臂在右侧的状态示意图。

摆臂232在右侧状态时拍摄数字图像：控制摆臂232，使转轴231呈如图6f的状态，如图6f所示，盲孔231a垂直于支座平面。此时，再将插销222穿过支座本体221上通孔插入盲孔231a固定转轴231。从而摆臂232呈如图8的状态，如图8所示，摆臂232位于右侧，与插销呈33°夹角。然后，使用工业相机252拍摄数字图像。

处理数据及三维建模：工业相机252通过USB数据线连接到电脑，然后，设置在电脑中的三维建模模块300通过图像获取部310获取数字图像对。图像处理部320对获取的数字图像对进行处理，得到处理数据。数据计算部330基于处理数据，计算工件的长、宽、高和直径，即得到计算数据。三维建模部340基于计算数据，采用Solidworks三维建模软件对工件进行三维建模，得到重建出工件的具体模型。

图9是本发明的实施例中三维建模模块的流程图。

步骤S1：图像获取部310获取单目视觉测量装置200得到的数字图像对，将数字图像对存于暂存部350中，然后进入步骤S2。

步骤S2：图像处理部320从暂存部350中获取数字图像进行处理，得到处理数据，将处理数据存于暂存部350中，然后进入步骤S3。

步骤S3：数据计算部330从暂存部350中获取处理数据进行计算，得到计算数据，将计算数据存于暂存部350中，然后进入步骤S4。

步骤S4：三维建模部340从暂存部350中获取计算数据，基于计算数据对工件进行三维建模，将三维建模数据存于暂存部350中，接着进入结束状态。

实施例的作用与效果

本实施例所涉及的单目视觉测量装置包含底座、支座部、转台部、升降部以及相机部，所以本实施例的单目视觉测量装置可以通过控制摆臂摆动一定的幅度，使得连接在摆臂上的相机部处在左右两个位置进行拍摄，进而采集待测工件的三维数字图像对。本实施例的单目视觉测量装置结构简单，效率高，可用于工件的实时测量。

此外，本实施例所涉及的单目视觉测量的三维建模系统，除了获取和处理待测工件的三维数字图像，完成待测工件的直线长度、直径计算外，还采用Solidworks三维建模软件重现待测工件的三维模型，方便技术人员观察研究。本实施例的单目视觉测量的三维建模系统的针对工件测量实现了自动化，大大节省了工时，提高了检测效率，适用于工业中的测量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。