一种测量物体凹痕的系统及方法与流程

本发明涉及物体凹痕测量领域，特别是涉及一种测量物体凹痕的系统及方法。

背景技术：

在日常生活或者工程作业中，物体凹痕通常会影响其正常使用。例如，工程作业中木材或者钢板的表面凹痕，会影响其质量，改变其使用性能，严重时影响工程作业的质量，降低安全性能。

目前市场上没有专门测量物体凹痕的方法或者系统，通常通过工作人员目测法大概评估物体凹痕的表面几何尺寸和深度，此测量方式主观性较强，只能作为初步评估。也有一些针对某种特殊材质的物体进行凹痕的研究，但是大多数设备比较复杂，成本投入较高，不适用于日常生活或者工程作业中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量物体凹痕的系统及方法，以解决现有技术中凹痕测量装置复杂且成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测量物体凹痕的系统，所述系统包括：封闭箱、k个平行光光源、k个光源支架、工业相机、控制器；所述k为大于3的整数；

所述封闭箱为圆柱形的封闭箱体，且所述封闭箱不透光；

所述封闭箱的内部箱顶固定有所述工业相机；

所述封闭箱的内部侧面箱壁上固定有所述k个光源支架，所述k个光源支架均匀置于所述封闭箱的内部侧面箱壁上，在所述封闭箱的侧面箱壁上形成p层q列，其中p×q＝k，所述p层对应所述侧面箱壁的不同高度，所述q列对应所述侧面箱壁的不同水平位置；所述k个平行光光源位于所述封闭箱的内部，每一个光源支架上安装一个平行光光源，同一高度的平行光光源的入射光与所述封闭箱的箱底夹角相同，不同高度的平行光光源的入射角不同；

所述封闭箱的箱底用于放置被测物体；

所述工业相机和所述k个平行光光源均与所述控制器连接；所述控制器用于控制所述k个平行光光源的打开与关闭，还用于控制所述工业相机拍摄所述被测物体，根据拍摄的图像获得所述被测物体的凹痕表面几何尺寸与深度。

可选的，所述q＝4，即在所述封闭箱内部的侧面箱壁上同一高度均匀布置4个平行光光源。

可选的，所述q＝n，即在所述封闭箱内部的侧面箱壁上同一高度均匀布置n个平行光光源，所述n为大于2且小于k的整数。

可选的，所述系统还包括：

传送带，所述传送带位于所述封闭箱的内部箱底，用于传送被测物体；所述传送带的两端对应的所述封闭箱的侧面箱壁上设置有通孔，用于放置被测物体和取走被测物体。

一种测量物体凹痕的方法，所述方法应用于测量物体凹痕的系统，所述系统包括：封闭箱、k个平行光光源、k个光源支架、工业相机、控制器；所述k为大于3的整数；所述封闭箱为圆柱形封闭的箱体，且所述封闭箱不透光；所述封闭箱的内部箱顶固定有所述工业相机；所述封闭箱的内部侧面箱壁上固定有所述k个光源支架，所述k个光源支架均匀置于所述封闭箱的内部侧面箱壁上，在所述封闭箱的侧面箱壁上形成p层q列，其中p×q＝k，所述p层对应所述侧面箱壁的不同高度；所述k个平行光光源位于所述封闭箱的内部，每一个光源支架上安装一个平行光光源，同一高度的平行光光源的入射光与所述封闭箱的箱底夹角相同，不同高度的平行光光源的入射角不同；所述封闭箱的箱底用于放置被测物体；所述工业相机和所述k个平行光光源均与所述控制器连接；所述控制器用于控制所述k个平行光光源的打开与关闭，还用于控制所述工业相机拍摄所述被测物体，根据拍摄的图像获得所述被测物体的凹痕表面几何尺寸与深度；

所述方法包括：

利用所述工业相机对被测物体进行一次拍摄；

根据一次拍摄的图像初步确定所述被测物体凹痕的形状；

根据所述被测物体凹痕的形状控制k个平行光光源中第一高度的平行光光源的打开与关闭；

利用所述工业相机对被测物体进行二次拍摄，得到二次拍摄的图像，进行二次拍摄时，当所述k个平行光光源中一个平行光光源打开时，前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像；

提取所述工业相机二次拍摄的图像中被测物体的凹痕上边缘轮廓与平行光光源照射下凹痕壁形成的阴影区域，形成处理后的图像；

将所述处理后的图像拟合为一张综合图像；

根据所述综合图像确定所述被测物体凹痕的表面几何尺寸与深度。

可选的，所述根据所述被测物体凹痕的形状控制k个平行光光源中第一高度的平行光光源的打开与关闭，具体包括：

当所述被测物体的凹痕形状为圆柱或者四棱柱时，控制所述k个平行光光源中第一高度的4个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述4个平行光光源均匀位于所述封闭箱的内部的侧面箱壁上。

可选的，所述根据所述被测物体凹痕的形状控制k个平行光光源中第一高度的平行光光源的打开与关闭，具体包括：

当所述被测物体的凹痕形状为n棱柱时，所述n为大于2且小于k的整数，所述控制器控制所述k个平行光光源中第一高度的n个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像，所述n个平行光光源中相邻两个平行光光源距离相等。

可选的，所述根据所述综合图像确定所述被测物体凹痕的表面几何尺寸与深度，具体包括：

根据所述综合图像的凹痕上边缘轮廓与工业相机的拍摄比例，确定所述被测物体的凹痕形状与尺寸；

根据所述综合图像的阴影区域，利用三角函数关系确定所述被测物体的凹痕的深度。

可选的，所述根据所述综合图像的阴影区域，利用三角函数关系确定所述被测物体的凹痕的深度，具体包括：

判断所述阴影区域是否充满整个凹痕上边缘轮廓的内部，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述阴影区域充满整个凹痕上边缘轮廓的内部时，利用所述工业相机对被测物体进行三次拍摄，得到三次拍摄的图像，进行三次拍摄时，开启所述k个平行光光源中第二高度的平行光光源，所述第二高度大于所述第一高度；当一个平行光光源打开时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像；

提取所述工业相机三次拍摄的图像中平行光光源照射下凹痕壁形成的阴影区域，形成处理后的图像；

将所述处理后的图像拟合为一张二次综合图像；

根据所述二次综合图像确定所述被测物体凹痕的深度；

当所述第一判断结果表示所述阴影区域未充满整个凹痕上边缘轮廓的内部时，根据所述第一高度平行光光源的入射光与所述封闭箱的箱底之间的夹角和所述阴影区域的宽度，利用三角函数关系确定所述被测物体凹痕的深度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用封闭箱、k个平行光光源、k个光源支架、工业相机、控制器便可实现对物体凹痕的表面几何尺寸和深度的测量，装置简单，成本低，便于组装和拆卸，实用性高；

具体测量物体凹痕时，通过调节平行光光源的打开与关闭，对获取的图形进行分析，根据图像中由于光源的入射角度和凹痕的深度导致的阴影区域，从而确定物体的凹痕深度，计算过程简单，计算量小，计算时间短。相比于传统的人工估算方式，大大提高了测量物体凹痕的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测量物体凹痕的系统结构图；

图2为本发明测量物体凹痕的系统中平行光光源示意图；

图3为本发明测量物体凹痕的方法流程图；

图4为本发明具体实施方式1的二次拍摄图；其中图4a为二次拍摄得到的第一张图像；图4b为二次拍摄得到的第二张图像；图4c为二次拍摄得到的第三张图像；图4d为二次拍摄得到的第四张图像；

图5为本发明具体实施方式1中根据图4a-图4b拟合而成的图像；

图6为本发明具体实施方式2的二次拍摄图；其中图6a和图6b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；

图7为本发明具体实施方式2中根据图6a-图6b拟合而成的图像；

图8为本发明具体实施方式2的三次拍摄图；其中图8a-图8b为依次进行三次拍摄得到的部分图像示例；

图9为本发明具体实施方式2中根据图8a-图8b拟合而成的图像；

图10为本发明具体实施方式3的二次拍摄图；其中图10a-图10b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；

图11为本发明具体实施方式3中根据图10a-图10b拟合而成的图像；

图12为本发明具体实施方式4的二次拍摄图；其中图12a-图12b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；

图13为本发明具体实施方式4中根据图12a-图12b拟合而成的图像；

图14为本发明具体实施方式5的二次拍摄图；其中图14a-图14b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；

图15为本发明具体实施方式5中根据图14a-图14b拟合而成的图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明测量物体凹痕的系统结构图。如图1所示，所述系统包括：封闭箱101、k个平行光光源102、k个光源支架(图1中未标识)、工业相机103、控制器(图1中未标识)。

所述封闭箱101为圆柱形的封闭箱体，且不透光；例如，可以采用不透光材料制成封闭箱101，也可以采用普通材质制成圆柱形的封闭箱体，在箱体外覆盖不透光的包裹层，形成封闭箱101。对于封闭箱101的形状，通用的为圆柱形，可以测量各种形状的凹痕，在具体应用时，可以针对特定的凹痕形状对应不同的封闭箱形状。例如六面体(长方体或正方体)或者棱柱形，具体的可以根据实际情况对于封闭箱的形状进行选择。

封闭箱101的内部箱顶固定有所述工业相机103；工业相机103的视野范围通常覆盖整个箱底，拍摄的图片也可以拍摄到整个箱底。对于实际应用时，可以根据被测物体凹痕的大小，适当调节工业相机103的拍摄范围，只要保证将被测物体的整个凹痕拍摄完全且拍摄清楚即达到要求。

所述封闭箱101的内部侧面箱壁上固定有k个光源支架，k为大于3的整数，k个光源支架均匀置于所述封闭箱101的内部侧面箱壁上，在所述封闭箱101的侧面箱壁上形成p层q列，其中p×q＝k，所述p层对应所述侧面箱壁的不同高度，所述q列对应所述侧面箱壁的不同水平位置，对应图1中，p＝2，q＝8，k＝16；k个平行光光源102位于所述封闭箱101的内部，每一个光源支架上安装一个平行光光源102，光源支架的位置即为平行光光源102的位置。

平行光光源102是指发射光的光面上各点光的强度相等或者近似相等的光源，同一高度的平行光光源102的入射光与所述封闭箱101的箱底夹角相同，不同高度的平行光光源102的入射角不同；且高度越大，入射角越大，入射角即平行光光源102的入射光与所述封闭箱101的箱底夹角。图2为本发明测量物体凹痕的系统中平行光光源示意图；参见图2，高度较高的平行光光源入射角为α，高度较低的平行光光源的入射角为β，α>β。

如此设计光源支架的位置分布(也就是平行光光源102的位置分布)，是因为在实际操作时，打开同一高度的平行光光源进行拍摄，拍摄到的图像由于平行光光源102高度小，导致拍摄图像无法直接计算凹痕的深度，此时需要加大平行光光源102的入射角，通过高度较高的平行光光源102打开，然后再次进行拍摄，而且要保证再次拍摄的光源照射位置不变，只变化光源入射角，因此，需要以列的形式将平行光光源102安置在侧面箱壁上。由于需要从多个水平的角度拍摄被测物体，因此，以层的形式将平行光光源102安置在侧面箱壁上。

所述封闭箱101的箱底用于放置被测物体104；所述工业相机103和所述k个平行光光源102均与所述控制器连接；所述控制器用于控制所述k个平行光光源102的打开与关闭，还用于控制所述工业相机103拍摄所述被测物体104，根据拍摄的图像获得所述被测物体104的凹痕表面几何尺寸与深度。

对于平行光光源的设置，可以根据不同的凹痕形状对应设置固定个数的光源摆放，使得不同的凹痕形状对应不同的光源个数，也就是在具体实施时，可以根据凹痕的形状对应设置平行光光源102的列数，即设置q的大小，例如：当凹痕形状为圆柱或者四棱柱时，可以令q＝4，即在所述封闭箱101内部的侧面箱壁上同一高度安置4个平行光光源102，所述4个平行光光源102均匀置于侧面箱壁上；当凹痕形状为n棱柱时，令q＝n，即在所述封闭箱101内部的侧面箱壁上同一高度安置n个平行光光源102，所述n个平行光光源102均匀置于侧面箱壁上，所述n为大于2且小于k的整数。实现分类测量的效果。还可以将平行光光源设置多层、多列，根据不同的凹痕形状开启平行光光源中对应个数的部分光源，进行拍摄测量，使得不同的凹痕形状对应一套测量装置即可实现测量，此设置方式更具通用性。

为了测量的方便，系统还可以设置传送带，所述传送带位于所述封闭箱101的内部箱底，用于传送被测物体；所述传送带的两端对应的所述封闭箱的侧面箱壁上设置有通孔，用于放置被测物体和取走被测物体。

具体测量方法参见图3。

图3为本发明测量物体凹痕的方法流程图；如图3所示，所述方法包括：

步骤301：对被测物体进行一次拍摄。利用工业相机对被测物体进行一次拍摄；拍摄时，需要平行光光源全部打开，或者大部分打开，使得拍摄的图像没有阴影，能够明显确定凹痕的位置及轮廓，一次拍摄完成后，所有的平行光光源关闭。

步骤302：确定被测物体凹痕形状。根据一次拍摄的图像初步确定所述被测物体凹痕的形状。

步骤303：控制第一高度平行光光源的打开与关闭。根据所述被测物体凹痕的形状控制k个平行光光源中第一高度的平行光光源的打开与关闭；当所述被测物体的凹痕形状为圆柱或者四棱柱时，控制所述k个平行光光源中第一高度的4个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述4个平行光光源均匀置于所述封闭箱的内部的侧面箱壁上。当所述被测物体的凹痕形状为n棱柱时，所述n为大于2且小于k的整数，所述控制器控制所述k个平行光光源中第一高度的n个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像，所述n个平行光光源中相邻两个平行光光源距离相等即所述n个平行光光源均匀置于所述封闭箱的内部的侧面箱壁上。

步骤304：对被测物体进行二次拍摄。利用工业相机对被测物体进行二次拍摄，得到二次拍摄的图像，进行二次拍摄时，当所述k个平行光光源中一个平行光光源打开时，前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像。以凹痕形状为四棱柱为例，此时需要控制4个位于不同侧面箱壁上的平行光光源打开与关闭。初始所有的光源关闭，然后打开一个平行光光源，拍摄一张图像；打开另一个平行光光源，同时关闭前一时刻打开的光源，拍摄一张图像；再打开第三个平行光光源，同时关闭前一时刻打开的光源，拍摄一张图像；再打开第四个平行光光源，同时关闭前一时刻打开的光源，拍摄一张图像；依次得到四张图像。每次拍摄图像时只打开一个平行光光源，不同的图像对应不同的光源，保证拍摄的图像是从被测物体的不同水平方向拍摄的。由于平行光光源以一定的入射角照射凹痕，因此，拍摄的图像中被测物体凹痕处一部分是光源照亮区域，另一部分是由于凹痕壁导致的阴影区域。

步骤305：对图形进行处理、提取所述工业相机二次拍摄的图像中被测物体的凹痕上边缘轮廓与平行光光源照射下凹痕壁形成的阴影区域，形成处理后的图像。例如，可以采用图像二值化的方法将拍摄的图像进行处理。

步骤306：将图像拟合为一张综合图像。将所述处理后的图像按照图像中凹痕的形状拟合为一张综合图像，保证综合图像中凹痕完全重叠。

步骤307：确定凹痕的表面几何尺寸与深度。根据所述综合图像确定所述被测物体凹痕的表面几何尺寸与深度。根据综合图像的凹痕上边缘轮廓与工业相机的拍摄比例，确定所述被测物体的凹痕形状与尺寸；

根据综合图像的阴影区域，利用三角函数关系确定所述被测物体的凹痕的深度。确定凹痕深度时，首先判断所述阴影区域是否充满整个凹痕上边缘轮廓的内部，得到第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述阴影区域充满整个凹痕上边缘轮廓的内部时，说明平行光光源的入射角较低，因此利用所述工业相机对被测物体进行三次拍摄，得到三次拍摄的图像，进行三次拍摄时，开启所述k个平行光光源中第二高度的平行光光源，所述第二高度大于所述第一高度；当一个平行光光源打开时前一时刻开启的平行光光源关闭，所述工业相机对应拍摄一张图像；

提取所述工业相机三次拍摄的图像中平行光光源照射下凹痕壁形成的阴影区域，形成处理后的图像；

将所述处理后的图像拟合为一张二次综合图像；

根据所述二次综合图像确定所述被测物体凹痕的深度；

当所述第一判断结果表示所述阴影区域未充满整个凹痕上边缘轮廓的内部时，根据所述第一高度平行光光源的入射光与所述封闭箱的箱底之间的夹角α和所述阴影区域的宽度l，利用三角函数关系确定所述被测物体凹痕的深度h。其中阴影区域的宽度为光源入射位置距离阴影区域内边界最近的长度。

具体实施方式1：

一次拍摄，确定被测物体凹痕为圆柱形，控制平行光光源中第一高度的4个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，依次得到四张二次拍摄图像，依次将四张二次拍摄图像进行处理，提取凹痕轮廓及阴影区域，得到图4所示的图像，图4为本发明具体实施方式1的二次拍摄图；其中图4a-图4d为依次进行二次拍摄处理后得到的图像，四张图像分别为四个不同光源开启情况下拍摄得到的图像。将处理后的图像进行拟合，得到图5所示的图像，图5为本发明具体实施方式1中根据图4a-图4b拟合而成的图像；图中l为阴影的宽度，利用三角函数关系便可确定所述被测物体凹痕的深度h。根据图像的宽度与工业相机的拍摄比例，便可获得凹痕的表面几何尺寸。

具体实施方式2：

一次拍摄，确定被测物体凹痕为长方体(四棱柱)，控制平行光光源中第一高度的4个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，依次得到四张二次拍摄图像，依次将四张二次拍摄图像进行处理，提取凹痕轮廓及阴影区域，得到图6所示的图像，图6为本发明具体实施方式2的二次拍摄图；其中图6a和图6b为依次进行二次拍摄处理后得到的部分图像示例；两图像分别为两个不同光源开启的情况下拍摄得到的图像。将处理后的图像进行拟合，得到图7所示的图像，图7为本发明具体实施方式2中根据二次拍摄图像拟合而成的图像；图中阴影充满凹痕上边缘轮廓的内部，说明平行光光源的入射角度较低，因此控制平行光光源中第二高度的4个平行光光源依次打开，进行三次拍摄，第二高度大于第一高度，相应的平行光光源的入射角大于第一高度平行光光源的入射角。依次四张三次拍摄的图像，图8为本发明具体实施方式2的三次拍摄图；其中图8a-图8b为依次进行三次拍摄处理后得到的部分图像示例；图9为本发明具体实施方式2中根据三次拍摄图像拟合而成的图像；图中l为阴影的宽度，利用三角函数关系便可确定所述被测物体凹痕的深度h。根据图像的宽度与工业相机的拍摄比例，便可获得凹痕的宽度。

具体实施方式3：

一次拍摄，确定被测物体凹痕为长方体(四棱柱)，控制平行光光源中第一高度的4个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，依次得到四张二次拍摄图像，依次将四张二次拍摄图像进行处理，提取凹痕轮廓及阴影区域，得到图10所示的图像，图10为本发明具体实施方式3的二次拍摄图；其中图10a-图10b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；根据图像可知，4个平行光光源分别从长方体的上边缘角的方向入射，也就是4个平行光光源位于长方体的上边缘角的位置，两图像分别为两个不同光源开启的情况下拍摄得到的图像。将处理后的图像进行拟合，得到图11所示的图像，图11为本发明具体实施方式3中根据二次拍摄图像拟合而成的图像；图中l为阴影的宽度，利用三角函数关系便可确定所述被测物体凹痕的深度h。根据图像的宽度与工业相机的拍摄比例，便可获得凹痕的表面几何尺寸。

具体实施方式4：

一次拍摄，确定被测物体凹痕为五棱柱，控制平行光光源中第一高度的5个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，依次得到5张二次拍摄图像，依次将5张二次拍摄图像进行处理，提取凹痕轮廓及阴影区域，得到图12所示的图像，图12为本发明具体实施方式4的二次拍摄图；其中图12a-图12b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；根据图像可知，5个平行光光源分别从五棱柱的上边缘垂直于边的方向入射，两图像分别为两个不同光源开启的情况下拍摄得到的图像。将处理后的图像进行拟合，得到图13所示的图像，图13为本发明具体实施方式4中根据二次拍摄图像拟合而成的图像；图中l为阴影的宽度，利用三角函数关系便可确定所述被测物体凹痕的深度h。根据图像的宽度与工业相机的拍摄比例，便可获得凹痕的表面几何尺寸。

具体实施方式5：

一次拍摄，确定被测物体凹痕为五棱柱，控制平行光光源中第一高度的5个平行光光源依次打开，每次打开一个平行光光源时前一时刻开启的平行光光源关闭，依次得到5张二次拍摄图像，依次将5张二次拍摄图像进行处理，提取凹痕轮廓及阴影区域，得到图14所示的图像，图14为本发明具体实施方式5的二次拍摄图；其中图14a-图14b为依次进行二次拍摄得到的部分图像示例；根据图像可知，5个平行光光源分别从五棱柱的上边缘的五个角的方向入射，两图像分别为两个不同光源开启的情况下拍摄得到的图像。将处理后的图像进行拟合，得到图15所示的图像，图15为本发明具体实施方式5中根据二次拍摄图像拟合而成的图像；图中l为阴影的宽度，利用三角函数关系便可确定所述被测物体凹痕的深度h。根据图像的宽度与工业相机的拍摄比例，便可获得凹痕的宽度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。