基于显微视觉的跨尺度几何参数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种适用于三维跨尺度图形类零件的 空间位置和几何尺寸测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着航空、航天、微电子领域的快速发展，多种功能零件向着空间三维结构、特征 复杂多变、尺寸跨度大，由100 μm-10m的方向发展，如航天器固面天线反射器、超宽频信号 发送/接受器、各类多功能电路板等在多种领域广泛应用。然而，此类零件的制造精度要 求高达微米级，这不仅对精密制造技术提出要求，同时对现有精密测量技术提出了挑战；而 且，为保证功能此类零件须同时兼具微小特征与大尺寸结构，使得测量尺寸跨度大，导致准 确测量的难度增加；此外，此类零件多具有三维结构，使测量过程复杂；再加上零件结构为 多功能图形，测量过程中易受零件表面粗糙度、平面度等多种因素的影响。因此，研究一种 准确、快速、在机的测量方法迫在眉睫。
[0003] 南京信息工程大学孟浩等人发明的专利号为CN103063159A《一种基于CXD的零件 尺寸测量方法》发明了一种利用CCD采集待测零件图像，并对图像数字信号进行处理后获得 零件尺寸的方法，此方法结构简单，成本低，但是视场有限不能同时测量兼具微小结构与大 尺寸结构的零件。华侨大学余卿等人发明的专利号为CN103486980A《基于数字微镜器件 的跨尺度测量方法》发明了一种利用激光构造结构光的机器视觉测量方法，这种方法适用 于大型零件的测量，而对于微小零件，受到激光光束直径的限制，使得零件尺寸测量精度较 低。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种基于显微视觉的跨尺 度几何参数测量方法，解决由于空间三维结构、特征尺寸跨度大、图形类零件测量难的问 题。本发明将显微视觉与多轴数控机床相结合，利用双目显微视觉放大零件的微小特征， 并通过摄像机标定、图像特征提取等方法测量微小特征结合尺寸，同时利用数控机床带动 工件移动，实现大尺寸特征的测量，此方法避免了因零件二次装夹导致的安装误差，同时快 速、便捷、准确的实现了空间跨尺度零件的测量。
[0005] 本发明所采用的技术方案是一种基于显微视觉的跨尺度几何参数测量方法，其特 征是，测量方法采用双目显微视觉系统采集待测零件特征图像，经显微视觉标定、图像特征 提取匹配以及局部坐标系与机床坐标系解算三个步骤，最终实现几何参数的快速测量；测 量方法的具体步骤如下：
[0006] (1)显微视觉的标定
[0007] 摄像机的理想成像模型为针孔线性模型，通过针孔模型可建立世界坐标与图像坐 标的转换关系式： CN 105180806 A 说明书 2/6 页
[0009] 其中：α和β是尺度因子，u。，v。是主点，γ是垂直因子；R, t代表了摄像机坐 标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；Xw，Yw，Zw是空间中一点P的三维空间坐标， u, V是P点在图像上的图像坐标；相机标定主要包括内参数（α、β、u。、V。、γ )与外参数 (R, t)标定；
[0010] 针对尺度因子，采用张正友提出的平面棋盘格靶标板标定方法；针对主点坐标，采 用变倍率法对摄像机的主点进行标定；假设P点为空间中任意一点，其在摄像机坐标系中 的坐标为Xl，yi，Z1，在不考虑非线性畸变以及图像坐标垂直度的情况下，P点在图像平面的 投影坐标为：
[0011] U1= Ax !+U0
[0012] (2)
[0013] V1= Ax !+V0
[0014] 其中W1, V1是该点的图像坐标，A是任一放大倍率，u。，V。是主点坐标；将式中的A 消去，可得直线方程：
[0016] 即在任何放大倍率下，点P的图像坐标都在同一直线上，且该直线一定经过摄像 机主点u。，％;因此，根据多个空间点在不同放大倍率下的图像投影坐标，可拟合出多条直 线，并利用最小二乘法求取多条直线交点，即可获得主点坐标u。，％;由于垂直因子γ对成 像精度影响不大，因此在初始参数标定时，将γ设为〇;针对外参数矩阵[R，t]，根据已获 得的内参数矩阵以及张正友提出的外参数标定方法，初步计算外参数矩阵[R，t]。最后将已 求得的左右两个CCD摄像机内外参数值作为优化初始值，建立函数方程：
[0018] 其中，[Θ = θ1; θ2... 0」是1^个带优化的摄像机参数，j是指参与计算的第j个 摄像机，i是指第j个摄像机获取的第i个点，&是输入的空间点坐标，y 1是空间第i点的 图像坐标，Cj是固定不变的摄像机参数向量，p 是需要调整的摄像机参数向量，m i (Cj, p_j, Xi) 是摄像机的成像方程；应用基于光束平差法进行优化，得到内外参数全局最优解；(2)图像 特征提取
[0019] 1)直线特征提取：
[0020] 首先通过Sobel算子、Robert算子或Canny算子检测灰度变化的梯度来检测直 线边缘，并获得边缘离散点；随后，基于Hough变换的点线对偶性识别中对图像内直线类特 征；对于空间中所有共线的点（x，y)可由直线方程描述为：
[0021] y = kx+b (5)
[0022] 其中，k表示直线斜率，b表示截距；这条直线在参数空间中表现为一点（P，Θ )， P是图像空间中直线与坐标原点的距离，Θ e (0,231)是图像空间中的直线与X轴正向夹 角；因此，对于同一条直线上不同的点都位于参数空间中的同一点（Ρ，Θ)，即对ρ、Θ进 行简单的叠加，通过寻找峰值，可确定通过它检测图像中已知像素点的共线性，是一种全局 性的搜索方法。对于图像空间的一条直线，基于点线对偶性映射到参数空间，并进行简单的 累加统计，通过寻找参数空间中的峰值便可检测感兴趣的直线；
[0023] 2)圆孔特征提取：
[0024] 采用连通区域法对圆孔特征进行检测。首先采用灰度化、二值化，以及降噪等方法 对图像进行预处理；再利用8连通区域法标记图像内所有存在的连通区域，并利用区域面 积作为门限值去除图像中不感兴趣的连通区域，相应公式如下：
[0026] 其中，i = l，2....n为η个连通区域，gl(x，y)为第i个连通区域的面积，T为连 通区域面积门限阈值；如果连通区域面积小于T，则将此连通区域设置为背景；最后对剩下 的连通区域运用计算几何距算法得到质心，将质心坐标视为圆心坐标；
[0027] 3)自由曲线特征提取：
[0028] 首先采用matlab函数对连通区域进行轮廓检测，获得边缘离散点；随后利用最小 二乘法对感兴趣局部边缘轮廓进行曲线拟合，假设图像上感兴趣曲线段上的数据点坐标为 (Xi, y;)，i = 1，2, . . .，N，这些点构成的非线性曲线方程为y;= F(x ;，a)，为实现曲线拟合， 建立以下方程：
[0030] 其中，y = F(x, a)为非线性曲线方程，y为模型的输出，X为模型的输入，a代表需 要模拟估计的参数向量；S代表模型输出与实际坐标的差值；通过LM算法进行迭代，使δ 达到最小值，估计出参数a，从而拟合出曲线方程；
[0031] (3)几何尺寸求解
[0032] 针对空间中具有跨尺度结构的特征，一个视场很难满足测量要求，因此需要借助 高精密移动机构，结合显微视觉实现高精度、快速测量。假设Pi、P2为两相距较远的待检 测微小特征，为准确获得微小特征位置信息，利用精密移动机构，本别在Pp P2处采集经体 式显微镜放大后的图像，并通过图像处理以及特征提取分别获得在相机坐标系〇wlxwlY wlzwl、 Ow2Xw2Yw2Zw2T P 1与P 2的三维坐标；随后建立机床基础坐标系与机床局部坐标系，根据两次 拍摄机床移动情况，建立坐标转换方程：
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[0036] 其中，（Xwl，Ywl，Zwl)、（X w2, Yw2, Zw2)分别为P1、匕在相机坐标系下的三维坐标， (X1, Y1, Z1)、（X2, Y2, Z2)分别为Pp P2在机床坐标系下的坐标，T廣示相机坐标系0 W1XW1YW1ZW1与机床坐标系OmXmYmZm的平移转换矢量，R 2、1~2表示相机坐标系Ow2Xw2Y w2Zw2与相机坐标系 0W1XW1YW1ZW12间的旋转矩阵与平移矩阵，S为待检测的P 1与P 2之间的空间距离。
[0037] 本发明的有益效果是采用数控机床与显微视觉结合方式，解决了因零件尺寸跨度 大导致的测量过程繁琐，测量困难等问题，同时避免了因二次装夹导致的误差影响，最终实 现跨尺度零件准确、快速、在机测量。
【附图说明】
[0038] 图1为基于显微视觉的跨尺度测量方法采用的装置示意图，其中，1一左CXD相机， 2-为右CXD相机，3-为体式显微镜，4一为待测工件，5-为机床数控系统，6-为工业控制 计算机，7-为数控机床Z轴，8-为数控机床转动平台，9一为数控机床线性移动轴。
[0039] 图2为基于视觉的跨尺度测量方法流程图。
[0040] 图3为实例图一，其中，黑色圆点为不同放大倍率下各标记点在图像平面的投影， 直线代表不同放大倍率下同一投影点的拟和直线。
[0041] 图4为实例图二，其中，黑色为待检测螺旋槽，Op O1'为待测零件中心两圆孔的圆 心，P1, i = 1，2. .. 10为过两圆心Op O1'的直线与左侧螺旋槽的交点，P/，i = 1，2. .. 10 为过两圆心〇i、O1'的直线与右侧螺旋槽的交点。
【具体实施方式】
[0042] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0043] 附图1为基于显微视觉的跨尺度测量方法装置示意图。本方法通过显微视觉测量 局部微小特征信息，并通过机床带动显微视觉移动，实现大尺寸特征信息测量，最终经坐标 转换求解，将两种测量结果融合，实现跨尺度测量。
[0044] 本发明采用的高精度移动装置为五轴数控机床，如附图1所示。待测工件4安装 在转台8上面，通过机床线性移动或转动，可实现工件多方位、多角度的快速测量。由左、右 C⑶相机1、2,以及体式显微镜3构成的双目显微视觉测量系统安装在数控机床Z轴7上。 通过左、右C⑶相机1、2采集图像，图像经体式显微镜3放大后，经过工业控制计算机6进 行图像处理与三维重建等工作。
[0045] 本发明采用的左、右两个(XD1、2摄像机是奥林巴斯DP26摄像机，图像分辨率： 2448*1920,采集速度：7fps，芯片尺寸：2/3英寸。立体显微镜3采用的是奥林