专利名称：屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置和方法，属于大尺寸几何量视觉测量领域。
背景技术：
二维大尺寸视觉测量技术广泛应用于瓷砖、地板，大理石等屋面板壁材料的在线质量检测中。随着被测尺寸增大、精度要求提高以及传感器尺寸的局限，简单的单相机尺寸测量装置已不能满足测量需求。目前多采用多相机同步采集方法，即每个相机分别放置在被测面的边角处同时采集各边角图像，后续采用图像处理的方法提取出各角点空间坐标，继而实现尺寸和形状实时测量。这种方法需要对每个相机进行参数标定，且在线检测时要求相机同步采集。上述多相机装置成本较高，技术要求限制多，精度受影响
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种屋面板壁材料的二维大尺寸测量装置和方法，用以解决现有技术中对于大尺寸在线视觉测量所存在的技术问题，具有更高的测量速度和大尺寸测量精度。为了解决上述技术问题，本发明屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置予以实现的技术方案是包括光学与传感系统、数据采集电路系统、计算机信息处理系统、记录显示系统、报警系统和分拣控制系统；所述光学与传感系统用于检出被测件四个边角的图像信息，并将被测件的尺寸特征量转换成光信号，再将光信号转换成模拟电信号后传递给所述数据采集电路系统；所述数据采集电路系统用于将模拟电信号采样量化为数字电信号并传输给计算机信息处理系统；所述计算机信息处理系统用于对采集到的数字图像信息做数据分析计算处理，并将处理结果分别传送给记录显示系统、报警系统和分拣控制系统；所述记录显示系统记录并显示被测件的尺寸数值；当被测件的尺寸超出生产规格时，所述报警系统将自动报警；所述分拣控制系统依据被测件的检测数据对被测件划分产品等级，挑拣出不合格产品，并按产品等级将被测件输送到不同流水线；所述光学与传感系统包括一台高分辨率面阵CCD相机、一个低畸变小视场标准镜头、一个四角锥体二次反射平面镜、一个高透射率玻璃罩和四个一次反射平面镜；所述高分辨率面阵CCD相机、低畸变小视场标准镜头和所述高透射率玻璃罩依次连接，所述四角锥体二次反射平面镜设置在所述高透射率玻璃罩内，四个一次反射平面镜分别设置在被测件的四个边角处，且分别与所述四角锥体二次反射平面镜的四个对应平面平行，用于将被测件四边角图像反射给所述四角锥体二次反射平面镜，所述高分辨率面阵CCD相机像面上采集到的是由被测件四边角的I图像、II图像、III图像和IV图像构成的一幅图像，所述I图像、II图像、III图像和IV图像分别占据像面的1/4相位，从而在所述高分辨率面阵CCD相机像面上显示被测件四个边角的视场。本发明屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量方法，包括以下步骤
步骤一、光学与传感系统的标定根据被测件的几何形状和尺寸提供一标准样件，在该标准样件的上表面贴有间距为5mm的网格靶标，靶标的打印分辨率为1200X1200DPI，以该标准样件左上角为原点建立世界坐标系；在光学与传感系统中对每个虚拟相机建立外参数的约束方程为
Ai r,2 0]卜]pi]卜_Fn rZ2 0 yde + I2 = yw(I)
_o 0 iJUJ U」每个虚拟相机外参数约束方程中有7个外参数，分别为rn、r12、r21、r22、t2和t3 ； 因为四个虚拟相机的内参数的是相同的，则共用的内参数的约束方程为
] \ydx ° 叫卜 _V 二 0V0 V*(2)
JJ 0 0 I Lz* _内参数约束方程中有4个内参数，分别为dx、dy、uQ、vQ ;采用角点检测算法在I图像、II图像、III图像和IV图像中各提取出30个点的图像坐标；所选各点的世界坐标已知，联立上述约束方程(I)和约束方程(2)，求得28个外参数和4个内参数；根据求得的外参数值和内参数值得出四个虚拟相机的世界坐标，继而求得相对原相机的相对坐标(A X1, A Y1) > ( A X2, A y2)、( A x3, A y3)和(A x4, A yy)；步骤二、基于图像处理的数据计算在线测量过程中，设置高分辨率面阵CCD相机镜头主光轴与装置测量面垂直，被测件匀速地从高分辨率面阵CCD相机镜头前通过；光学与传感系统实时采集每一帧图像，并由数据采集电路系统传送给计算机信息处理系统；在计算机信息处理系统中，判断被测件的四个边角是否同时进入当前帧图像中；如果是，计数器加一，并保存图像；如果否，计数器清零，采集下一帧图像；对保存的图像做边缘检测，两边交点被认为是被测件角点，作为检测被测件尺寸的点基准；将四个角点坐标两两相减，求得被测件的四个边长和两对角线长并保存；然后判断下帧计数器是否为零，如果是，则将之前保存的对应数据相加求平均，并通过记录显示系统记录和显示，否则处理下一帧图像数据；分拣控制系统依据被测件的检测数据对被测件划分产品等级，挑拣出不合格产品，并按产品等级将被测件输送到不同流水线。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明采用平面镜反射改变相机的光学成像路径，解决了屋面板壁材料随尺寸增加测量精度降低的问题。本测量装置只需要一台相机，避免了因多相机测量的图像同步采集问题和多相机标定问题带来的测量误差，测量精度得到进一步提高。同时较多相机测量装置成本显著降低，便于在瓷砖、地板，大理石砖等屋面板壁材料生产中推广使用。该测量方法简便，对相似构件或同类不同尺寸构件具有灵活的可移植性，且测量速度和测量精度得到了显著的提高。
图I为本发明在线视觉测量装置的系统结构组成框图；图2为本发明在线视觉测量装置中光学与传感系统的三维结构示意图；图3为本发明中四角锥体一次反射平面镜与相机的安装布局示意图；图4为本发明采用的双平行平面镜成像原理示意图；图5为本发明中相机标定采集的靶标图；图6为本发明在线视觉测量方法主流程图。
图中1-高分辨率面阵CCD相机，2-低畸变小视场标准镜头，3-四角锥体二次反射平面镜，4-高透射率玻璃罩，5- 一次反射平面镜，6-被测件。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图I所示，本发明屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置，包括光学与传感系统10、数据采集电路系统20、计算机信息处理系统30、记录显示系统40、报警系统50和分拣控制系统60 ;所述光学与传感系统10用于检出被测件四个边角的图像信息，并将被测件的尺寸特征量转换成光信号，再将光信号转换成模拟电信号后传递给所述数据采集电路系统20 ;所述数据采集电路系统20用于将模拟电信号采样量化为数字电信号并传输给计算机信息处理系统30 ;所述计算机信息处理系统30用于对采集到的数字图像信息做数据分析计算处理，并将处理结果分别传送给记录显示系统40、报警系统50和分拣控制系统60 ;所述记录显示系统记录并显示被测件的尺寸数值；当被测件的尺寸超出生产规格时，所述报警系统50将自动报警；所述分拣控制系统60依据被测件的检测数据对被测件划分产品等级，挑拣出不合格产品，并按产品等级将被测件输送到不同流水线；如图2所示，所述光学与传感系统10包括一台高分辨率面阵CXD相机I、一个低畸变小视场标准镜头2、一个四角锥体二次反射平面镜3、一个高透射率玻璃罩4和四个一次反射平面镜5 ;如图3所示，所述高分辨率面阵CCD相机I、低畸变小视场标准镜头2和所述高透射率玻璃罩4依次连接，所述高分辨率面阵CCD相机I安装在测量中心；所述四角锥体二次反射平面镜3的底面为正方形，所述四角锥体二次反射平面镜3的四个侧面为全等三角形；所述四角锥体二次反射平面镜3设置在所述高透射率玻璃罩4内，即所述四角锥体二次反射平面镜3通过所述高透射率玻璃罩4安装在所述高分辨率面阵CCD相机I的镜头前、且与镜头主光轴同轴；如图2所示，四个一次反射平面镜5分别设置在被测件的四个边角处，且分别与所述四角锥体二次反射平面镜3的四个对应平面平行，用于将被测件四边角图像反射给所述四角锥体二次反射平面镜3 ;如图5所示，所述高分辨率面阵CCD相机I像面上采集到的是由被测件四边角的I图像、II图像、III图像和IV图像构成的一幅图像，所述I图像、II图像、III图像和IV图像分别占据像面的1/4相位，从而在所述高分辨率面阵CXD相机I像面上显示被测件四个边角的视场。本发明在线视觉测量装置测量方法主要是根据通过两平行反射镜的光线方向不变定理，如图4所示，通过调整四个一次反射平面镜5与四角锥体二次反射平面镜3的相对平面平行，使得虚拟相机Cl和原相机即高分辨率面阵CCD相机I之间的光轴平行，从而达到用一个高分辨率面阵CCD相机I实现4个相机同步采集的效果。实施例下面结合附图，并以参考尺寸为800X800mm2的瓷砖为例进一步对本发明做详细说明设置瓷砖的表面与高分辨率面阵C⑶相机I镜头主光轴垂直，瓷砖以40m/min的速度从高分辨率面阵CCD相机I镜头前通过；高分辨率面阵CCD相机I分辨率为4000X4000，安装在测量平台中心处垂直向下；与相机匹配的低畸变小视场标准镜头2视场为10° X 10°，工作距离I为I = ^ffa + gb / 2 + A()公式(3)中Ra=Rb=800mm为被测件长和宽的参考尺寸，A为光路增量，近似等于镜 头顶点到被测面的垂直距离。继而可知，系统的测量精度可达I sin5° /2000 ^ 0. 025mm(4)其测量范围为I sinl0° IOOmm(5)四角锥体二次反射平面镜3通过一个高透射率玻璃罩4固定在低畸变小视场标准镜头2前，如图3所示。四角锥体二次反射平面镜3的中心线与低畸变小视场标准镜头2的光轴共线，其底面与高分辨率面阵CCD相机I的靶面平行，四个侧面分别与四个一次反射平面镜5平行。根据测量需求，四角锥体二次反射平面镜3设计成底面为正方形，侧面与水平面成《=140°的全等三角形。高透射率玻璃罩4固定四角锥体二次反射平面镜3于低畸变小视场标准镜头2前，其高透射性能降低了其对一次反射光线产生反射，起偏等的影响。玻璃罩底托为理想光吸收面，距被测件表面H。四个一次反射平面镜5安放在与高分辨率面阵CCD相机光轴等距的测量平台四个边角上。如图4所示，通过两平行反射镜的光线方向不变性，一次反射平面镜5镜面与四角锥体的二次反射平面镜3镜面平行相对，则虚拟相机C1相对原相机I平移了(Ax, Ay)。以被测件上表面为基准平面一次反射平面镜5底边应满足条件
< < + R2J1' sin 10° + ^ * 120mm(b)
> 0公式(6)中，H取20mm，以保证一次反射光线能覆盖四角锥体二次反射平面镜3且一次反射平面镜5的安装位置不会影响被测件传送。在标准样件上表面贴上间距为5mm的高精度网格靶标，靶标的打印精度为1200X1200DPI。以标准样件左上角为原点建立世界坐标系，则各网格交点的世界坐标已知。由于一次反射平面镜5的定位误差，四角锥体二次反射平面镜3的加工误差和其与高分辨率面阵CCD相机I的匹配精度，使得在同一图像中的四个分图表征的相机外参数并不完全一致。相机采集到的靶标图像如图5所示，因为虚拟相机的位置可能发生绕z轴的旋转，四个分图的网格并不平行。这样相机外参数的约束方程可简化为
r,i Vn 0]卜]pi I 卜,Y21 r22 0+ t2 = yK(I)
_o o U Uw _可见每个虚拟相机外参数约束方程中有7个外参数。而各虚拟相机的内参数的是相同的，四个虚拟相机共用一个内参数约束方程
0叫卜_V=O ydy V0 v*(2)
o o I Lz*_ 本发明在线视觉测量装置的整体标定方法中有28个外参数，4个内参数。如图5所示，采用角点检测算法在I图像、II图像、III图像和IV图像中各提取出30个点的图像坐标；所选各点的世界坐标已知，这样联立约束方程求取32个相机内、外参数。如图5所示，四个虚拟相机的光轴投影在被测件表面的点(X(^yc1), (xc2, yc2),(xc3, yc3)和(xc4, yc4)在图像中重合于图像中心。标定好相机后，将图像中心点带回到图像坐标系与世界坐标系的关系方程
ru rU 0 t/x 0 -u0dx u Z1 xwr2l r22 0 0 dy -v0dy v + t2 = yw(7)
0 0 l_[o 0 I _[l」|_,3」[zw得出四个虚拟相机的世界坐标，继而求得相对原相机(高分辨率面阵CXD相机I)的相对坐标(A X1, A Y1) > ( A X2, A y2)、( A x3, A y3)和(A x4, A yy)。在线测量中高分辨率面阵CXD相机的帧数为30fps，分屏视场为50 X 50mm，瓷砖的传送速度为40m/min，这样瓷砖经过检测平台时，必有2 3帧图像可同时采集到四个边角信息(也可选用高速相机有效图像会更多)。利用计算机信息处理系统判断提取出有效图像，并对每一幅图像做图像处理,求出瓷砖的边角空间坐标(Xi, yi； Zi),将其与(Axi, Ayi)相加得到被测件四个边角在世界坐标系下的坐标值(xwi, ywi, zwi) = (Xi+ A Xi, Yi+ A Yi, Zi)(8)将角点的世界坐标两两相减求模，即得到被测件的尺寸信息。光学与传感系统10实时采集每一帧图像，并由数据采集电路系统20传送给计算机信息处理系统30，在计算机信息处理系统中，其主流程如图6，相机采集一帧图像，然后判断瓷砖四个边角是否同时进入当前帧图像中，如果是，计数器加一，并保存图像；如果否，计数器清零，采集下一帧图像；对保存图像做边缘检测，两边交点被认为是瓷砖角点，作为检测瓷砖尺寸的点基准；将四个角点坐标两两相减，求得瓷砖的四边长和对角线长并保存；然后判断下帧计数器是否为零，如果是，则将之前保存的对应数据相加求平均，并通过记录显示系统(可以是一台PC机)记录和显示，否则处理下一帧图像数据；分拣控制系统60依据瓷砖的检测数据对瓷砖划分产品等级，挑拣出不合格产品，并按产品等级将被测件输送到不同流水线。本发明中，数据采集电路系统20、记录显示系统40、报警系统50和分拣控制系统60的设计均属于本领域内公知常识，本领域内的技术人员可根据被测产品的具体要求再现，在此不再赘述。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。·
权利要求
1.一种屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置，其特征在于，包括光学与传感系统(10)、数据采集电路系统(20)、计算机信息处理系统(30)、记录显示系统(40)、报警系统(50)和分拣控制系统(60);所述光学与传感系统(10)用于检出被测件四个边角的图像信息，并将被测件的尺寸特征量转换成光信号，再将光信号转换成模拟电信号后传递给所述数据采集电路系统(20 );所述数据采集电路系统(20 )用于将模拟电信号采样量化为数字电信号并传输给计算机信息处理系统(30);所述计算机信息处理系统(30)用于对采集到的数字图像信息做数据分析计算处理，并将处理结果分别传送给记录显示系统(40)、报警系统(50)和分拣控制系统(60);所述记录显示系统记录并显示被测件的尺寸数值；当被测件的尺寸超出生产规格时，所述报警系统(50 )将自动报警；所述分拣控制系统(60 )依据被测件的检测数据对被测件划分产品等级，挑拣出不合格产品，并按产品等级将被测件输送到不同流水线； 所述光学与传感系统(10)包括一台高分辨率面阵CCD相机(I)、一个低畸变小视场标准镜头(2)、一个四角锥体二次反射平面镜(3)、一个高透射率玻璃罩(4)和四个一次反射平面镜(5);所述高分辨率面阵CCD相机(I)、低畸变小视场标准镜头(2)和所述高透射率玻璃罩(4)依次连接，所述四角锥体二次反射平面镜(3)设置在所述高透射率玻璃罩(4)内，四个一次反射平面镜(5)分别设置在被测件的四个边角处，且分别与所述四角锥体二次反射平面镜(3)的四个对应平面平行，用于将被测件四边角图像反射给所述四角锥体二次反射平面镜(3)，所述高分辨率面阵CCD相机(I)像面上采集到的是由被测件四边角的I图像、II图像、III图像和IV图像构成的一幅图像，所述I图像、II图像、III图像和IV图像分别占据像面的1/4相位，从而在所述高分辨率面阵CXD相机(I)像面上显示被测件四个边角的视场。
2.根据权利要求I所述屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置，其特征在于，所述四角锥体二次反射平面镜(3)的底面为正方形，所述四角锥体二次反射平面镜(3)的四个侧面为全等三角形。
3.根据权利要求I所述屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置，其特征在于，所述四角锥体二次反射平面镜(3)通过所述高透射率玻璃罩(4)安装在所述高分辨率面阵C⑶相机(I)的镜头前、且与镜头主光轴同轴。
4.根据权利要求I所述屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置，其特征在于，所述高分辨率面阵CCD相机(I)安装在测量中心。
5.一种屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量方法，其特征在于，采用如权利要求I所述屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置进行测量，包括以下步骤 步骤一、光学与传感系统的标定 根据被测件的几何形状和尺寸提供一标准样件，在该标准样件的上表面贴有间距为5mm的网格靶标，靶标的打印分辨率为1200X 1200DPI，以该标准样件左上角为原点建立世界坐标系； 在光学与传感系统中对每个虚拟相机建立外参数的约束方程为
全文摘要
本发明公开了一种屋面板壁材料的二维大尺寸在线视觉测量装置和方法，属于大尺寸几何量视觉测量领域。所述的测量装置包括光学与传感系统、数据采集电路系统、计算机信息处理系统、记录显示系统、报警系统和分拣控制系统。其中光学与传感系统由一台高分辨率面阵CCD相机、与相机匹配的一个低畸变小视场标准镜头、一个四角锥体二次反射平面镜、一个高透射率玻璃罩、四个一次反射平面镜组成，用于检出被测件四个边角的图像信息。所述的测量装置在经过标定后，将图像信息进行处理计算得到被测件的实际尺寸值并显示。本发明避免了多相机的标定和同步采集问题，具有更高的测量速度和大尺寸测量精度，可广泛用于瓷砖、地板，大理石砖等尺寸测量。
文档编号G01B11/24GK102798346SQ20121024359
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者曲兴华, 赵首博, 张福民 申请人:天津大学