专利名称：一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种自动激光雕刻系统及其使用方法，尤其是涉及一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法。
背景技术：
在使用激光对产品进行雕刻加工的产业中，大部分的生产工作都是由工人完成的，并且这些工作几乎都是大量重复性的劳动，生产效率低且成功率不高，遇到劳动力流动比较大的情况，生产计划难以控制。在这种生产效率低下、废品率高、资源浪费严重的生产方式下，激光雕刻企业的生产成本居高不下，企业无法得到快速发展。以常见的手机外壳雕刻加工为例，生产过程需要大量劳动力重复相同的工作，并且精度要求极高。目前手机外壳雕刻加工的通用方法是工人佩戴特殊工业手指套，将喷镀过的待雕刻产品从生产流水线的夹具中取下，放入标准模具中，再使用激光雕刻机对手机外壳进行商标、图案或者数字的雕刻，然后将雕刻过的产品从标准模具中取出后放回夹具中，继续后面的生产。因为经过喷镀的产品是半成品，表面不能被任何物体接触，否则就会在产品表面留下痕迹，致使该产品直接报废。而在传统的制作过程中，由于工人手工作业的操作失误等原因，造成的产品报废率有时可达50%之多。因此，针对目前产品激光雕刻行业中精度低、速度慢、人工接触不可避免等问题， 引入计算机视觉技术，实现产品的自动定位与激光雕刻，已经成为行业发展的迫切要求。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种基于自动模板匹配算法的计算机视觉技术对待雕刻的产品进行精确定位，借助定位信息，提高激光雕刻机对产品雕刻的精度，相比原有的手工激光雕刻方法在精度方面有了很大的提高的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法。本发明还有一目的是解决现有技术所存在的速度慢的技术问题；提供了一种使用上位机控制运动轨道的运行，高效的进行自动化生产，在保证质量的前提下加快了速度，通过生产效率的提高降低了劳动力成本的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法。本发明再有一目的是解决现有技术所存在的人工接触过多的技术问题；提供了一种使用机械代替工人对产品进行操作，减少了工人对产品的接触，降低了因工人误操作而造成的产品报废率，提高了产品生产的成功率从而降低了生产成本的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统，其特征在于，包括 一运动轨道用于承载并带动产品在生产过程中往复运动；
一图像捕捉模块用于获取产品在运动轨道上某一位置的视频图像；一激光雕刻机对产品进行激光雕刻；
一控制模块发出控制信号分别控制所述运动轨道、图像捕捉模块和激光雕刻机的启
停；
一上位机通过与控制模块的指令交互控制所述运动轨道的运动，从图像捕捉模块获取图像后进行产品的匹配识别与定位，并控制激光雕刻机对产品进行激光雕刻；
一电源模块为所述运动轨道、图像捕捉模块、激光雕刻机、控制模块和上位机提供电源。一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1，生产准备步骤即对所述图像捕捉模块进行畸变校正与坐标系调整，运动轨道坐标系调整，设置生产参数，并记录与生产中产品定位相关的匹配信息；
步骤2，生产步骤产品通过运动轨道输送至拍摄区由图像捕捉模块进行拍摄，并将拍摄的图像信息与步骤1中的匹配信息进行匹配对比，获取雕刻的图案位置信息，然后产品由运动轨道输送至激光雕刻机处对产品进行激光雕刻，完毕后结束一轮生产。在上述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，所述步骤1中的图像捕捉模块采用工业相机，生产准备步骤具体操作如下
步骤1.1，使用校正板校正相机畸变，并统一相机坐标系和激光雕刻机坐标系的主轴方向和单位长度，保证两个坐标系的方向和单位长度一致；
步骤1. 2，调整运动轨道单位距离，使运动轨道坐标系与激光雕刻机坐标系的单位长度和方向一致，保证产品在生产线上能够精确移动；
步骤1. 3，设置生产参数，主要包括产品在流水线上运动的方式，相机位置，激光雕刻机位置，产品数量，产品分布，雕刻图案；
步骤1. 4，通过鼠标选取图像中目标区域以获取标准产品模板，并记录标准模板在坐标系中的横向坐标X，纵向坐标y和角度a，用于生产过程中产品的匹配定位；
步骤1. 5，获得标准产品模板的雕刻位置坐标，将产品运动到激光雕刻机下，调整激光雕刻图案位置与角度至满意程度，然后记录雕刻图案在坐标系中的横向坐标Tx’，纵向坐标 Ty'和角度Ta’。在上述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，所述步骤2中的图像捕捉模块采用工业相机，生产步骤具体操作如下
步骤2. 1，将一组产品放置到运动轨道上，通知上位机产品装载完成； 步骤2. 2，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到相机下，并通知相机产品已经到位，可以进行拍摄；
步骤2. 3，相机对产品进行拍照，上位机从相机获取产品图像，并与标准产品模板进行匹配，得到产品在坐标系中的横向坐标χ’，纵向坐标y’和角度a’ ；
步骤2. 4，计算激光雕刻机对产品进行雕刻的图案位置坐标，即模板雕刻位置坐标加上产品位置坐标和产品模板坐标的差，该产品雕刻图案位置坐标为(X，Y，A) = (x’，y’，a’)-(x， 1, a) + (Tx’，Ty’，Ta’)，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到激光雕刻机下，激光雕刻机根据产品雕刻图案位置坐标和雕刻图案对产品进行雕刻；
步骤2. 5，运动轨道在上位机的控制下将产品运送到生产线终点，一轮生产结束。
在上述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，所述步骤2完成后，还包括以下步骤
判断是否所有生产都已结束，如果还有产品雕刻任务没有完成，则转到步骤2继续执行；否则，全部生产结束。因此，本发明具有如下优点1.使用模板匹配的计算机视觉技术对待雕刻的产品进行精确定位，借助定位信息，提高激光雕刻机对产品雕刻的精度，相比原有的手工激光雕刻方法在精度方面有了很大的提高；2.使用上位机控制运动轨道的运行，高效的进行自动化生产，在保证质量的前提下加快了速度，通过生产效率的提高降低了劳动力成本；3.使用机械代替工人对产品进行操作，减少了工人对产品的接触，降低了因工人误操作而造成的产品报废率，提高了产品生产的成功率从而降低了生产成本。
图1是本发明的结构原理示意图。图2是本发明的工作流程示意图。图3是本发明中生产步骤的工作流程示意图。图4是本发明中运动轨道、工业相机和激光雕刻机的位置关系示意图。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例
一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统，包括 一运动轨道用于承载并带动产品在生产过程中往复运动； 一图像捕捉模块用于获取产品在运动轨道上某一位置的视频图像； 一激光雕刻机对产品进行激光雕刻；
一控制模块发出控制信号分别控制所述运动轨道、图像捕捉模块和激光雕刻机的启
停；
一上位机通过与控制模块的指令交互控制所述运动轨道的运动，从图像捕捉模块获取图像后进行产品的匹配识别与定位，并控制激光雕刻机对产品进行激光雕刻；
一电源模块为所述运动轨道、图像捕捉模块、激光雕刻机、控制模块和上位机提供电源。以手机外壳的激光雕刻生产为例。本发明基于计算机视觉的自动激光雕刻系统使用工业相机，对手机外壳产品进行拍照，根据获得的手机外壳产品图像，使用计算机视觉匹配识别算法进行手机外壳的识别和定位，然后控制激光雕刻机进行加工。手机外壳的匹配与识别是基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的核心部分，如果识别与定位的结果不够精确，会影响激光雕刻机的产品雕刻精度，导致雕刻出的手机外壳产品报废。上位机采用普通PC或工控机，系统核心程序部署在上位机。图像采集模块使用符合分辨率要求(如500万像素)的工业相机，系统核心程序通过控制模块与激光雕刻机、工业相机和运动轨道进行通信。在运动轨道上方分别部署工业相机和激光雕刻机，并保持工业相机与激光雕刻机之间的距离。
由于产品雕刻精度要求较高，而且运动轨道、工业相机和激光雕刻机的坐标系的单位长度和方向并不一致，所以要对三者的坐标系进行调整以达到统一。本系统以激光雕刻机坐标系为基准，调整工业相机和运动轨道的坐标系，使之与激光雕刻机坐标系在单位长度和方向上都一致。运动轨道、工业相机和激光雕刻机的位置关系如图4所示。使用方法包括以下步骤
步骤1，生产准备步骤即对工业相机进行畸变校正与坐标系调整，运动轨道坐标系调整，设置生产参数，并记录与生产中产品定位相关的匹配信息；具体操作如下
步骤1.1，使用校正板校正工业相机畸变，并统一相机坐标系和激光雕刻机坐标系的主轴方向和单位长度，保证两个坐标系的方向和单位长度一致；对于工业相机，它的坐标系主轴方向、单位长度和激光雕刻机的坐标系都是不一样的，所以要根据激光雕刻机坐标系对工业相机坐标系的方向和单位长度进行调整。对工业相机坐标系的调整采用以下方法
(1).调整激光雕刻机的焦距，使其能够聚焦到待加工产品的表面高度，以便在产品表面上进行精确雕刻。(2).在轨道上与待加工产品表面同样高度的位置放置一块铝制金属片，控制运动轨道将金属片运动到激光雕刻机下。(3).使用激光雕刻机在金属片上雕刻单位长度的网格。(4).通过运动轨道将金属片运动到工业相机下。(5).调整相机焦距，使得相机能够获取金属片的清晰图像。(6).使用工业相机对金属片拍照，获得金属片上的单位长度网格的图像。(7).使用Tsai算法基于获得的单位网格图像对工业相机坐标系进行调整，使得相机坐标系的主轴方向、单位长度和激光雕刻机坐标系一样。步骤1. 2，调整运动轨道单位距离，使运动轨道坐标系与激光雕刻机坐标系的单位长度和方向一致，保证产品在生产线上能够精确移动；由于运动轨道只进行纵向运动，即在系统的机械制造阶段已经保证了运动轨道和激光雕刻机的坐标系方向一致，所以只需对运动轨道坐标系的单位长度进行调整。对运动轨道单位长度的调整采用以下方法
(1).调整激光雕刻机的焦距，使其能够聚焦到待加工产品的表面高度，以便在产品表面上进行精确雕刻。(2).在轨道上与待加工产品表面同样高度的位置放置一块铝制金属片，控制运动轨道将金属片运动到激光雕刻机下。(3).使用激光雕刻机在金属片上雕刻前后两条平行的横线，且两条横线间距离为激光雕刻机坐标系的单位长度。(4).控制运动轨道前进运动轨道坐标系的单位长度，然后使用激光雕刻机在金属片上再次雕刻前后两条平行的横线，且两条横线间距离为激光雕刻机坐标系的单位长度。(5).测量第一次雕刻的两条横线中后面一条横线和第二次雕刻的两条横线中前面一条横线之间的距离，如果这两条横线间的距离不等于0，则调整运动轨道坐标系的单位长度，跳至步骤(3 )，重复调整，直到这两条横线重合为止。这样经过坐标系调整后，激光雕刻机、工业相机和运动轨道的坐标系的主轴方向和单位长度统一，这就为最终的雕刻精度提供了保证。步骤1. 3，设置生产参数，主要包括产品在流水线上运动的方式，相机位置，激光雕刻机位置，产品数量，产品分布，雕刻图案等；
步骤1. 4，通过鼠标选取图像中目标区域以获取标准产品模板，并记录标准模板在坐标系中的横向坐标X，纵向坐标y和角度a，用于生产过程中产品的匹配定位；
步骤1. 5，获得标准产品模板的雕刻位置坐标，将产品运动到激光雕刻机下，调整激光雕刻图案位置与角度至满意程度，然后记录雕刻图案在坐标系中的横向坐标Tx’，纵向坐标 Ty'和角度Ta’。步骤2，生产步骤产品通过运动轨道输送至拍摄区由图像捕捉模块进行拍摄，并将拍摄的视频信息与步骤1中的匹配信息进行匹配对比，获取雕刻的图案位置信息，然后产品由运动轨道输送至激光雕刻机处对产品进行激光雕刻，完毕后结束一轮生产；具体操作如下
步骤2. 1，将一组产品放置到运动轨道上，通知上位机产品装载完成； 步骤2. 2，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到相机下，并通知相机产品已经到位，可以进行拍摄；
步骤2. 3，相机对产品进行拍照，上位机从相机获取产品图像，并与标准产品模板进行匹配，得到产品在坐标系中的横向坐标χ’，纵向坐标y’和角度a’ ；
步骤2. 4，计算激光雕刻机对产品进行雕刻的图案位置坐标，即模板雕刻位置坐标加上产品位置坐标和产品模板坐标的差，该产品雕刻图案位置坐标为(X，Y，A) = (x’，y’，a’)-(x， y, a) + (Tx’，Ty’，Ta’)，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到激光雕刻机下，激光雕刻机根据产品雕刻图案位置坐标和雕刻图案对产品进行雕刻；
步骤2. 5，运动轨道在上位机的控制下将产品运送到生产线终点，一轮生产结束。步骤3，判断是否所有生产任务都已结束，如果还有产品雕刻任务没有完成，则转到步骤2继续执行；否则，全部生产结束。应该注意的是，在产品匹配时，如果直接将模板在整个图像上进行搜索，运算量非常大，会导致计算时间过长，影响生产速度。系统采用的匹配算法采用两阶段方法，避免了在整个图像范围内进行精确匹配计算，取而代之的是第一个阶段进行粗略匹配，第二个阶段在第一个阶段基础上进行精确匹配。这样可以大大减少计算量，进而减少运算时间，提高生产速度。匹配的两个阶段分别为
1.第一阶段将选取的标准产品模板和产品图像按照相同的比例缩小尺寸，并且使得缩小后的标准模板分辨率要大于程序能够判别的最小分辨率(例如25 X 25)。在小尺寸的图像上进行初步匹配，找到小分辨率时的最佳匹配位置。2.第二阶段，在得到小分辨率最佳匹配位置之后，将标准模板和产品图像按照缩小比例逆向还原，在初步最佳匹配位置周围的小范围内进行精确匹配，找到此时的最佳匹配位置，即最终的匹配结果，并记录下最终匹配结果的横向坐标χ’，纵向坐标r和旋转角
度a* ο在查找最佳匹配位置的算法中，首先将产品图像按照一定的角度步长进行旋转。 对于粗略匹配阶段，使用较大的角度步长(如1度)，而对于精确匹配阶段，使用较小的角度步长(如0.1度)。将模板在每次旋转后的图像上进行逐像素的移动，并计算模板在每个位置的匹配评价结果。其中匹配评价算法可采用基于像素值的归一化相关系数匹配算法，匹配评价结果使用下面的公式进行计算R、x v)_T [nv^vQ./tx+x'.y+y)]
其中Τ’是产品标准模板图像，I’是生产过程中拍摄的产品图像。如果标准模板图像与产品图像匹配较好，则计算出的R(x，y)值较大，如果匹配较差，则计算出的R(x，y)值较小。通过查找匹配结果中R(x，y)值最大的位置来确定最佳匹配位置，并根据匹配位置和图像旋转角度确定最终匹配的横向坐标χ’，纵向坐标y’和旋转角度a’。当然，产品模板要选择产品图像中特征明显的区域，使得该区域能够有助于准确定位产品的位置，且受环境因素影响较小。 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统，其特征在于，包括 一运动轨道用于承载并带动产品在生产过程中往复运动；一图像捕捉模块用于获取产品在运动轨道上某一位置的视频图像； 一激光雕刻机对产品进行激光雕刻；一控制模块发出控制信号分别控制所述运动轨道、图像捕捉模块和激光雕刻机的启停；一上位机通过与控制模块的指令交互控制所述运动轨道的运动，从图像捕捉模块获取图像后进行产品的匹配识别与定位，并控制激光雕刻机对产品进行激光雕刻；一电源模块为所述运动轨道、图像捕捉模块、激光雕刻机、控制模块和上位机提供电源。
2.—种权利要求1所述的基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，生产准备步骤即对所述图像捕捉模块进行畸变校正与坐标系调整，运动轨道坐标系调整，设置生产参数，并记录与生产中产品定位相关的匹配信息；步骤2，生产步骤产品通过运动轨道输送至拍摄区由图像捕捉模块进行拍摄，并将拍摄的图像信息与步骤1中的匹配信息进行匹配对比，获取雕刻的图案位置信息，然后产品由运动轨道输送至激光雕刻机处对产品进行激光雕刻，完毕后结束一轮生产。
3.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，其特征在于，所述步骤1中的图像捕捉模块采用工业相机，生产准备步骤具体操作如下步骤1.1，使用校正板校正相机畸变，并统一相机坐标系和激光雕刻机坐标系的主轴方向和单位长度，保证两个坐标系的方向和单位长度一致；步骤1. 2，调整运动轨道单位距离，使运动轨道坐标系与激光雕刻机坐标系的单位长度和方向一致，保证产品在生产线上能够精确移动；步骤1. 3，设置生产参数，主要包括产品在流水线上运动的方式，相机位置，激光雕刻机位置，产品数量，产品分布，雕刻图案；步骤1. 4，通过鼠标选取图像中目标区域以获取标准产品模板，并记录标准模板在坐标系中的横向坐标X，纵向坐标y和角度a，用于生产过程中产品的匹配定位；步骤1. 5，获得标准产品模板的雕刻位置坐标，将产品运动到激光雕刻机下，调整激光雕刻图案位置与角度至满意程度，然后记录雕刻图案在坐标系中的横向坐标Tx’，纵向坐标 Ty'和角度Ta’。
4.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，其特征在于，所述步骤2中的图像捕捉模块采用工业相机，生产步骤具体操作如下步骤2. 1，将一组产品放置到运动轨道上，通知上位机产品装载完成； 步骤2. 2，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到相机下，并通知相机产品已经到位，可以进行拍摄；步骤2. 3，相机对产品进行拍照，上位机从相机获取产品图像，并与标准产品模板进行匹配，得到产品在坐标系中的横向坐标χ’，纵向坐标y’和角度a’ ；步骤2. 4，计算激光雕刻机对产品进行雕刻的图案位置坐标，即模板雕刻位置坐标加上产品位置坐标和产品模板坐标的差，该产品雕刻图案位置坐标为(X，Y，A) = (x’，y’，a’)-(x，.1, a) + (Tx’，Ty’，Ta’)，运动轨道在上位机的控制下将产品运动到激光雕刻机下，激光雕刻机根据产品雕刻图案位置坐标和雕刻图案对产品进行雕刻；步骤2. 5，运动轨道在上位机的控制下将产品运送到生产线终点，一轮生产结束。
5.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统的使用方法，其特征在于，所述步骤2完成后，还包括以下步骤判断是否所有生产都已结束，如果还有产品雕刻任务没有完成，则转到步骤2继续执行；否则，全部生产结束。
全文摘要
本发明涉及一种基于计算机视觉的自动激光雕刻系统及其使用方法。该系统包括运动轨道、图像捕捉模块、激光雕刻机、控制模块、上位机以及电源模块，其使用方法如下对图像捕捉模块进行畸变校正与坐标系调整，运动轨道坐标系调整，设置生产参数，并记录与生产中产品定位相关的匹配信息；然后产品通过运动轨道输送至拍摄区由图像捕捉模块进行拍摄，并将拍摄的图像信息与匹配信息进行匹配对比，获取雕刻的图案位置信息，最后产品由运动轨道输送至激光雕刻机处对产品进行激光雕刻，完毕后结束一轮生产。具有如下优点在精度方面有了很大的提高；通过生产效率的提高降低了劳动力成本；降低了产品报废率，提高了产品生产的成功率从而降低了生产成本。
文档编号B44B1/02GK102490523SQ20111042190
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者刘克仁, 李秀斌, 章登义, 赵俭辉 申请人:武汉大学