激光视觉轮廓测量系统及测量方法、立体靶标的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种结构光=维视觉检测技术，特别是设及一种激光视觉轮廓测量系 统快速标定方法及其立体祀标。
【背景技术】
[0002] 结构光=维视觉测量技术，具有视觉测量的非接触、速度快、自动化程度高，柔性 好等优点。结构光=维视觉基于光学=角法原理，通过计算采集图像的各种光模式特征点 的偏移信息反算出被测物体的表面轮廓。光学投射器投射确定的光模式，使得结构光图像 信息易于提取，因而测量精度较高，广泛应用于各种工业产品的在线检测。
[0003] 典型线结构光视觉传感器，由一个线结构光激光器和配套的摄像机组成。通过激 光器垂直入射被测物表面，摄像机倾斜拍摄的方式，获取激光平面与被测物表面相交激光 光条图像。通过视觉测量模型，将激光光条中屯、的图像坐标转换为被测物表面轮廓的二维 坐标。当被测物运动或线结构光传感器做相对运动时，就能得到被测物表面的=维形貌。但 是单套视觉传感器视场有限，往往只能获取被测物表面某一局部的轮廓信息，无法对被测 物表面轮廓360°范围进行全方位测量。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术，本发明提出了 一种激光视觉轮廓测量系统及其快速标定 方法及立体祀标，该系统采用四套线结构光传感器同时测量的方式，能够实现对被测物表 面轮廓全方位的测量；同时为解决由于引入多传感器而带来的标定的复杂性和测量坐标系 统一问题，本方案还结合化ang摄像机标定过程，设计了一种新型L邸立体祀标，并根据祀 标特性，设计了轮廓传感器全局统一标定方法；W及，提出一种激光视觉轮廓测量系统，该 系统采用L邸立体祀标首先实现快速标定，然后实现被测物=维轮廓的准确测量方法。
[0005] 本发明提出了一种立体祀标，所述立体祀标为一中空立方体结构，每个祀标面均 为边长120mm的正方形，每个祀标面上设置有特征圆孔，所述特征圆孔大小相同，彼此之间 的位置关系相同。
[0006] 本发明还提出了一种激光视觉轮廓测量系统，包括测量部分和标定部分，所述测 量部分包括四个一字线状激光器和四个CCD摄像机，其中每个激光器与CCD摄像机组成一 个传感器，一共组成四个所述传感器并分别设置于四个机械架上，各传感器环绕在被测物 周围，四个一字线状激光器投射光能全部覆盖一个被测物截面且都在对应摄像机视场范围 内；所述标定部分包括一立体祀标，所述立体祀标为一中空立方体结构，每个祀标面均为边 长120mm的正方形，每个祀标面上设置有特征圆孔，所述特征圆孔大小相同，彼此之间的位 置关系相同；所述立体祀标每个祀标面上的特征圆孔均由相同颜色L邸点亮；
[0007] 激光投射到被测物表面之后，祀标面上的光条受被测物表面反射光的调制，对应 CCD摄像机拍摄被测物的=维图像，图像中的光条包含了被测物表面的=维信息，将被测物 的=维图像经由W太网传送至计算机，由计算机利用标定得来的各传感器参数等计算得出 被测物截面=维数据。
[000引本发明再提出了一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，该方法包括W下步骤：
[0009] 一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，该方法包括W下步骤：
[0010] 步骤1、打开激光器，将立体祀标按照化ang标定方法摆放于10个不同位置，且 每个摄像机对应于祀标面及各祀标面上的光条在相应摄像机视场范围内且成像清晰；利 用CCD摄像机采集标定图，对标定图进行处理计算，计算过程依顺序包括：特征圆孔边缘提 取、楠圆拟合、楠圆中屯、特征点提取、摄像机标定、光条中屯、提取、光平面拟合，W及进行坐 柄系统一；
[0011] 步骤2、通过提取光条中屯、特征点，结合化ang摄像机模型，反算出被测物体截面 轮廓尺寸，具体处理如下：
[0012] 首先通过摄像机坐标系下的坐标值（X。，y。，Z。）和光平面方程约束得到图像光条 中屯、点（U, V)和摄像机坐标系下点坐标（X。，y。，Z。）之间--对应关系，建立起从二维像素 坐标到摄像机坐标系坐标的一一映射关系；然后将摄像机坐标系下的点通过坐标系变换， 即利用标定得到的旋转矩阵和平移矩阵，转换得到测量坐标系下被测物的截面轮廓=维坐 标，其中：
[0013] 摄像机坐标系下光平面方程约束为：
[0014] aXc+byc+cZc+d = 0
[0015] 图像上某点在摄像机坐标系下的坐标值（X。，y。，Z。）为；
[0016]
【主权项】
1. 一种立体靶标，其特征在于，所述立体靶标为一中空立方体结构，每个靶标面均为边 长120mm的正方形，每个靶标面上设置有特征圆孔，所述特征圆孔大小相同，彼此之间的位 置关系相同。
2. -种激光视觉轮廓测量系统，包括测量部分和标定部分，其特征在于，所述测量部分 包括四个一字线状激光器和四个CCD摄像机，其中每个激光器与CCD摄像机组成一个传感 器，一共组成四个所述传感器并分别设置于四个机械架上，各传感器环绕在被测物周围，四 个一字线状激光器投射光能全部覆盖一个被测物截面且都在对应摄像机视场范围内；所述 标定部分包括一立体靶标，所述立体靶标为一中空立方体结构，每个靶标面均为边长120mm 的正方形，每个靶标面上设置有特征圆孔，所述特征圆孔大小相同，彼此之间的位置关系相 同；所述立体靶标每个靶标面上的特征圆孔均由相同颜色LED点亮； 激光投射到被测物表面之后，靶标面上的光条受被测物表面反射光的调制，对应CCD摄像机拍摄被测物的三维图像，图像中的光条包含了被测物表面的三维信息，将被测物的 三维图像经由以太网传送至计算机，由计算机利用标定得来的各传感器参数等计算得出被 测物截面三维数据。
3. -种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤（1)、打开激光器，将立体靶标按照Zhang标定方法摆放于10个不同位置，且每个 摄像机对应于靶标面及各靶标面上的光条在相应摄像机视场范围内且成像清晰；利用CCD 摄像机采集标定图，对标定图进行处理计算，计算过程依顺序包括：特征圆孔边缘提取、椭 圆拟合、椭圆中心特征点提取、摄像机标定、光条中心提取、光平面拟合，以及进行坐标系统 ， 步骤（2)、通过提取光条中心特征点，结合Zhang摄像机模型，反算出被测物体截面轮 廓尺寸，具体处理如下： 首先通过摄像机坐标系下的坐标值（x。，y。，z。）和光平面方程约束得到图像光条中心点 (u，v)和摄像机坐标系下点坐标（Xc;，yc;，Z。）之间一一对应关系，建立起从二维像素坐标到 摄像机坐标系坐标的一一映射关系；然后将摄像机坐标系下的点通过坐标系变换，即利用 标定得到的旋转矩阵和平移矩阵，转换得到测量坐标系下被测物的截面轮廓三维坐标，其 中： 摄像机坐标系下光平面方程约束为： axc+byc+czc+d= 0 图像上某点在摄像机坐标系下的坐标值（x^yuZ。）为：
4. 如权利要求3所述的一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，所述特 征圆孔边缘提取、椭圆拟合、椭圆中心特征点提取、靶标平面确定的步骤，具体包括以下处 理： 对靶标特征圆进行椭圆拟合以求取椭圆中心，得到靶标面上每个特征圆孔圆心在计算 机图像坐标系里的坐标Iuv，根据标定图中任意两特征点之间的像素距离大小可以确定每个 靶标面的中心圆，之后找出距离中心圆最近的四个特征圆，根据这四个特征圆和中心圆之 间相对位置关系即可确定靶标面上其他特征圆的拓扑关系；由此得出各个特征点在对应靶 标面坐标系里的坐标（xwi，ywi，zwi);将IudP(xwi，ywi，zwi)代入标定函数获得每个摄像机的 内参数kn、ki2、pn、pi2、fxi、fyi、（uQi,vQi)、dxi、dy,外参数RTij;其中i= 1，2, 3, 4 代表 第几号摄像机，j代表第几个标定位置； 设每幅标定图像的旋转矩阵的第三列为（rw，r9ipT，以它为当前标定位置靶标 面法向量，以该标定图的平移向量Utiij，t2ij,t3ij)T为祀标面原点在对应摄像机坐标系中 坐标，则可得到该位置处靶标面在对应摄像机坐标系下的方程： r3ij * Xcij+r6ij *ycij+r9ij* Zcij -T 3ij*tiij+r6iJ ?t2iJ+r9ij?t3iJ〇
5. 如权利要求3所述的一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，所述光条 中心提取，具体包括以下处理： 设标定图中光条中心某点的图像坐标为（u' ij>V'y，对（u' ij>V'J去畸变处理 后得到矫正后光条中心该点图像坐标（UuVij)，利用（Uij，Vij)和公式（1)及摄像机坐标系 测量模型计算得到每幅标定图中光条中心各点在对应摄像机坐标系中的坐标。
6. 如权利要求3所述的一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，所述光平 面拟合，具体包括以下处理： 标定时靶标摆放了j个不同位置，这样对每个激光器来说可以得到在同一光平面上的j条光条中心线上点在对应摄像机坐标系中坐标，对这些点进行主元分析法空间平面拟合， 得到每个激光器投射光平面在对应摄像机坐标系下的方程。
7. 如权利要求3所述的一种激光视觉轮廓测量系统测量方法，其特征在于，所述坐标 统一，具体包括以下处理： 设Rkl、Tkl为在靶标第一个标定位置时，第k(k= 2、3、4)靶标坐标系到坐标系Owl-XwlYwlZw^换时的旋转矩阵和平移向量，得到：
由此通过Rkl、Tkl(k= 2, 3, 4)计算得出被测物截面轮廓在在坐标系Owl-XwlYwlZwl下的坐 标，到此完成了对整个系统的标定及测量坐标系的全局统一。
【专利摘要】本发明公开了一种激光视觉轮廓测量系统及方法、立体靶标，该系统包括测量部分和标定部分，所述测量部分包括四个一字线状激光器和四个CCD摄像机，其中每个激光器与CCD摄像机组成一个传感器；所述标定部分包括一中空立方体结构的立体靶标，测量方法具体为，先利用立体靶标实现测量系统的标定和坐标统一，之后实现本测物的三维轮廓测量。利用该LED立体靶标，在标定过程中只需要在摄像机视场范围中把靶标随意摆放几个位置即可，操作简单，可以迅速便捷的完成对传感器全局统一标定，并能够应用于工业现场；对于需要全方位测量物体截面轮廓的场合，如对各种机械零件截面轮廓尺寸在线检测，本方案有较好的技术优势。
【IPC分类】G01B11-25
【公开号】CN104567728
【申请号】CN201410819869
【发明人】马旭, 王鹏, 孙长库, 王中亚
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月24日