一种管路端面中心点的测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种管路端面中心点的测量方法及装置，该方法包括：采集装配有靶标的管路的图像；从采集的图像中获得多个标志点几何中心的图像坐标；根据靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取多个标志点在靶标坐标系中的坐标；根据多个标志点的几何中心图像坐标和多个标志点在靶标坐标系中的坐标，获取靶标坐标系和相机坐标系的转换关系；根据靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取管路的各个接头端面中心点在相机坐标系中的坐标；根据管路的各个接头端面中心点在相机坐标系中的坐标，获取管路的各个接头端面中心点间的相对位置。本发明的方案在测量管路接头端面中心点的相对位置时，速度快、精度高。
【专利说明】一种管路端面中心点的测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学测量【技术领域】，尤其涉及一种管路端面中心点的测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]管路在航空、航天、特种车辆等工业领域的复杂机电产品中广泛应用，其是否能够可靠安装直接影响产品质量。目前工程中保证管路加工质量和实现无应力装配的最直接有效的手段之一，仍然是通过焊装后的管路实物检测来获得管路中的中间导管走向及其管路端点的相对位置坐标，在此基础上进行准确校正。
[0003]现有技术中，针对管路接头端面中心点位置的测量，包括:传统方法，如:靠模和激光矢量等方法；另外，还有利用三坐标测量机、激光跟踪仪测量管路接头端面中心点位置。这些方法过于依赖人的操作，如果导管形状复杂，操作繁琐，严重影响测量效率。
[0004]此外，基于机器视觉的三维测量技术近年来获得了快速发展。然而，利用机器视觉技术检测管路两端几何中心的相对位置，在不对管路做任何处理的情况下，一般采用拟合管路轮廓两端圆弧的方法来确定几何中心。但是，由于利用机器视觉的方法要求对管路两端圆弧精确提取，否则影响拟合圆弧的几何中心，从而导致测量精度降低，因此，受到采集到的图像质量的影响，工程中的测量精度难以得到保障。但是，工程中由于管路端点的相对位置精度是确保管路准确安装的关键，所以其测量精度在管路测量中是需要严格控制的。
[0005]综上所述，无论是传统方法，还是目前普遍采用的利用三坐标测量机、激光跟踪仪等进行管路端点的测量，其共同缺点是过多的依赖人的操作导致测量效率低，因为管路端点位置不能直接测量得到，工程中通常采用先测量管路端面的外圆，然后计算得到几何中心位置坐标，而外圆的测量，受到图像质量的影响，造成测量精度难以保证，从而影响计算得到的几何中心的精度。
[0006]所以，有必要提供一种管路端面中心点的测量方法及装置，能够快速而精确地测量管路接头端面中心点的相对位置。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种管路端面中心点的测量方法及装置，能够快速而准确地测量管路端面中心点的相对位置。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0009]依据本发明的一个方面，提供了一种管路端面中心点的测量方法，该方法包括:
[0010]采集装配有靶标的管路的图像，所述靶标的靶标平面上设有多个标志点；
[0011]从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标；
[0012]根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标；
[0013]根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系；
[0014]根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标；
[0015]根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
[0016]其中，在根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标的步骤之后，所述方法还包括:
[0017]获取多个相机之间的外参数；
[0018]根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
[0019]其中，所述靶标还包括:
[0020]靶标本体；
[0021]定位基准点，用于在所述靶标和管路接头装配时进行定位；
[0022]销，用于所述靶标和管路接头的径向定位；
[0023]端面，用于所述靶标和所述管路接头的轴向定位；以及
[0024]紧固部件，用于紧固所述靶标和管路接头；
[0025]其中，所述靶标平面通过固定部固定在所述靶标本体上，所述销固定连接在所述靶标本体上；且所述定位基准点位于所述靶标平面的一个角点，所述端面位于所述靶标本体与管路端面的接触面处，所述紧固部件套于靶标本体外侧，通过紧固螺钉将靶标本体与管路紧固。
[0026]其中，所述多个标志点包括一个大标志点及多个小标志点,所述大标志点用于确定所述靶标坐标系的原点，所述多个小标志点用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
[0027]其中，从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标的步骤包括:
[0028]对采集的所述图像进行预处理；
[0029]对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域；
[0030]在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘；
[0031]根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
[0032]其中，根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系的步骤包括:
[0033]获取相机的内参数；
[0034]设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系；
[0035]根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数，将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标；
[0036]通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化；
[0037]当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0038]依据本发明的另一个方面，还提供了一种管路端面中心点的测量装置，包括:
[0039]图像采集模块，用于采集装配有靶标的管路的图像，所述靶标的靶标平面上设有多个标志点；
[0040]图像坐标获取模块，用于从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标；
[0041]靶标坐标系建立模块，用于根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标；
[0042]转换关系获取模块，用于根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系；
[0043]相机坐标系坐标获取模块，用于根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标；
[0044]相对位置获取模块，用于根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
[0045]其中，所述装置还包括:
[0046]坐标系统一模块，用于获取多个相机之间的外参数，并根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
[0047]其中，所述靶标还包括:
[0048]靶标本体；
[0049]定位基准点，用于在所述靶标和管路接头装配时进行定位；
[0050]销，用于所述靶标和管路接头的径向定位；
[0051]端面，用于所述靶标和所述管路接头的轴向定位；以及
[0052]紧固部件，用于紧固所述靶标和管路接头；
[0053]其中，所述靶标平面通过固定部固定在所述靶标本体上，所述销固定连接在所述靶标本体上；且所述定位基准点位于所述靶标平面的一个角点，所述端面位于所述靶标本体与管路端面的接触面处，所述紧固部件套于靶标本体外侧，通过紧固螺钉将靶标本体与管路紧固。
[0054]其中，所述多个标志点包括一个大标志点及多个小标志点,所述大标志点用于确定所述靶标坐标系的原点，所述多个小标志点用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
[0055]其中，所述图像坐标获取模块进一步用于:
[0056]对采集的所述图像进行预处理；
[0057]对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域；
[0058]在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘；
[0059]根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
[0060]其中，所述转换关系获取模块包括:
[0061]参数获取单元，用于获取相机的内参数；
[0062]初始化单元，用于设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系；
[0063]投影单元，用于根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标；
[0064]优化单元，通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化；
[0065]确定单元，用于当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0066]本发明的有益效果是:
[0067]本发明的管路端面中心点的测量方法，主要是通过靶标平面上的多个标志点获取靶标坐标系与相机坐标系的转换关系，进而将管路端面中心点在靶标坐标系中的坐标转换为相机坐标系中的坐标，进而得出管路端面中心点间的相对位置。本发明的方案中，同样采用了视觉技术，但只需将靶标装配在管路接头上，而不需对管路做任何表面处理。此外，利用靶标平面上标志点与背景对比度强、标志点边缘更加清晰的特点，通过对标志点进行图像处理间接得到管路接头端面中心点的相对位置，避免了由于图像中管路边缘不清晰，造成的管路接头端面中心点相对位置求解精度低，而且保证了利用机器视觉技术进行管路测量时测量速度快的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0068]图1表示本发明实施例的管路端面中心点的测量方法的流程示意图；
[0069]图2表示靶标安装到管路接头上的剖面图；
[0070]图3表示本发明实施例的测量框架示意图；
[0071]图4表示本发明实施例的管路端面中心点的测量装置的结构框图；
[0072]图5表示转换关系获取模块的结构框图。
[0073]其中图中:1、定位基准点；2、管路接头端面中心点；3、大标志点；4、销；5、端面；6、管路；7、靶标平面；8、固定部；9、紧固部件；10、小标志点；11、靶标本体；12、螺孔。
【具体实施方式】
[0074]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0075]实施例一
[0076]依据本发明实施例的一个方面，提供了一种管路端面中心点的测量方法，如图1所示，该方法包括:
[0077]步骤S101、采集装配有靶标的管路的图像。
[0078]在对管路的端面中心点进行测量之前，需要将靶标装配到管路接头上。如图2所示，其中，靶标的靶标平面7上设有多个标志点，且该靶标平面可为有机玻璃，并通过固定部8固定在靶标上。本发明实施例中的靶标平面7上设有七个标志点。其中，多个标志点包括一个大标志点3及多个小标志点10,所述大标志点3用于确定所述祀标坐标系的原点，所述多个小标志10点用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
[0079]而在实际应用中，还可以根据靶标平面的大小等实际情况，确定标志点的数量、大小和分布方式。标志点可以设计成不同的形状，例如圆形、正方形等任意可被识别的图形。还可以利用编码点充当标志点，或者具有其它特征的点，根据这些特征区分这些标志点。此夕卜，靶标平面和管路也可以采用不同的定位和连接方法确定标志点间的相对位置。
[0080]可选地，靶标还包括:
[0081]靶标本体11;
[0082]定位基准点I，用于在所述靶标和管路6的接头装配时进行定位；
[0083]销4，用于所述靶标和管路6的接头的径向定位；
[0084]端面5，用于所述靶标和所述管路6的接头的轴向定位；以及
[0085]紧固部件9，用于紧固所述靶标和管路6的接头；
[0086]其中，所述靶标平面7通过固定部8固定在所述靶标本体11上,所述销4固定连接在所述靶标本体11上，所述紧固部件9套在靶标本体外侧，通过在螺孔12处安装紧固螺钉将靶标本体11和管路6紧固连接；所述定位基准点I位于所述靶标平面7的一个角点，所述端面5位于所述管路6与所述靶标本体11的接触面处。
[0087]如图2所示，在将靶标装配到管路6的接头上时，以定位基准点I为定位基准，销4插入到管路6内部，端面5与管路6接头的端面相抵接，从而使得通过销4和端面5完成轴向和径向定位，最后通过紧固部件9将靶标稳固地装配到管路6上。其中，对于销4和端面5还可根据管路6的接头加工精度等级进行加工，从而使得靶标与管路6更好地装配在一起。
[0088]步骤S103、从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标。
[0089]可选地，从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标的步骤包括:
[0090]对采集的所述图像进行预处理；
[0091]对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域；
[0092]在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘；
[0093]根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
[0094]本发明实施例的管路端面中心点的测量方法中，在采集装配有靶标的管路的图像时，可能会受到噪声等外界环境因素的影响，图像质量会下降，所以，需要对采集到的图像进行预处理，消除图像中的噪声，增强对比度，使管路和靶标的边界更加清晰。
[0095]步骤S105、根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标。
[0096]可选地,如图2所示,所述多个标志点包括一个大标志点3及多个小标志点10,所述大标志点3用于确定所述靶标坐标系的原点，所述多个小标志点10用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。所以，可以大标志点3为靶标坐标系的原点，接着通过其他多个小标志点10的相对位置确定直角坐标系的X轴和Y轴，而垂直于靶标平面的轴为Z轴，进而确定靶标坐标系，从而获取多个标志点在靶标坐标系中的坐标。
[0097]步骤S107、根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0098]可选地，根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系的步骤包括:
[0099]获取相机的内参数；
[0100]设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系；
[0101]根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标；
[0102]通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化；
[0103]当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0104]其中，相机的内参数包括焦距，相机相邻像元的水平和垂直距离，相机拍摄主点坐标及表示图像分辨率的宽和高。
[0105]本发明实施例的管路端面中心点的测量方法，主要是通过靶标平面上的多个标志点获取靶标坐标系与相机坐标系的转换关系，进而使得最终获得管路端面中心点间的相对位置。而对于靶标坐标系与相机坐标系的转换关系的计算方法，在本发明实施例的方法中，首先设定一个所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系；接着，通过该初始转换关系及相机的内参数，将多个标志点投影到步骤SlOl中采集的装配有靶标的管路的图像中，获得多个标志点的投影坐标；再次，不断改变初始转换关系，通过最小二乘法不断优化该投影坐标；最后，当优化后的标志点的投影坐标与对应的图像坐标间的距离之和最小时，对应的改变后的初始转换关系即为所需的祀标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0106]步骤S109、根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标。
[0107]步骤S115、根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
[0108]可选地，在步骤S109和步骤Slll之间，该方法还可包括:
[0109]步骤S111、获取多个相机之间的外参数。
[0110]步骤S113、根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
[0111]在采集装配有靶标的管路的图像时，由于管路接头端面朝向的方向各异，所以靶标平面与相机的角度也会不同。所以，为了使得最终测量结果更加准确，可以通过多个相机同时采集装配有靶标的管路的图像，进而得出多个相机坐标系下的管路端面中心点的相对位置。最后，通过相机的外参数，将得出的多个相机坐标系下的管路端面中心点的相对位置统一到同一坐标系下，从而求得更加精确的管路端面中心点的相对位置。
[0112]其中，在获取多个相机的外参数时，可以对相机两两标定，获得相机的外参，相机外参包括两相机的相对位姿，相对位姿指两相机坐标系的相对位置关系，包括沿其中一个相机坐标系X、Y、Z轴的移动[X，y, z]和转动[α，β，Y ]共六个未知变量。
[0113]实施例二
[0114]依据本发明的另一个方面，还提供了一种管路端面中心点的测量装置400，如图4所示，该装置包括:
[0115]图像采集模块401，用于采集装配有靶标的管路的图像，所述靶标的靶标平面上设有多个标志点；
[0116]图像坐标获取模块403，用于从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标；
[0117]靶标坐标系建立模块405，用于根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标；
[0118]转换关系获取模块407，用于根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系；
[0119]相机坐标系坐标获取模块409，用于根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标；
[0120]相对位置获取模块413，用于根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
[0121]可选地，所述装置还包括:
[0122]坐标系统一模块411，用于获取多个相机之间的外参数，并根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
[0123]可选地，如图2所示，所述靶标还包括:
[0124]靶标本体11;
[0125]定位基准点I，用于在所述靶标和管路6的接头装配时进行定位；
[0126]销4，用于所述靶标和管路6的接头的径向定位；
[0127]端面5，用于所述靶标和所述管路6的接头的轴向定位；以及
[0128]紧固部件9，用于紧固所述靶标和管路6的接头；
[0129]其中，所述靶标平面7通过固定部8固定在所述靶标本体11上,所述销4固定连接在所述靶标本体11上，所述紧固部件9套在靶标本体外侧，通过在螺孔12处安装紧固螺钉将靶标本体11和管路6紧固连接；所述定位基准点I位于所述靶标平面7的一个角点，所述端面5位于所述管路6与所述靶标本体11的接触面处。
[0130]可选地,如图2所示,所述多个标志点包括一个大标志3点及多个小标志点10,所述大标志点3用于确定所述靶标坐标系的原点，所述多个小标志点10用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
[0131]可选地，所述图像坐标获取模块403进一步用于:
[0132]对采集的所述图像进行预处理；
[0133]对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域；
[0134]在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘；
[0135]根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
[0136]可选地，如图5所示，所述转换关系获取模块407包括:
[0137]参数获取单元4071，用于获取相机的内参数；
[0138]初始化单元4072，用于设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系；
[0139]投影单元4073，用于根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标；
[0140]优化单元4074，通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化；
[0141 ] 确定单元4075，用于当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
[0142]具体地，利用本发明实施例的管路端面中心点的测量方法及装置获取管路端面中心点间的相对位置时，如图2所示，需要将靶标装配到待测管路的接头上，将该装配有靶标的管路置于如图3所示的测量框架中，再通过本发明实施例的装置即可进行测量。
[0143]如图3所示，图中给出了八个相机的安装位置，在实际测量中，可以根据被测管路的大小，调整测量框架的大小，还可以将框架改为丝杠，使得相机可以在丝杠上自由调整高度，高度调整完毕后，对相机进行标定，即可进行测量。
[0144]当图3中光源照射装配有靶标的管路时，由于该光源为背光光源，利用LED灯对相机视场范围均匀发出平行光，使视场亮度尽量均匀，且能够使得物体与背景形成较强的明暗对比度。此外，由于管路形状各异，所以，安装后，靶标的有机玻璃板的朝向也会不同，当相机镜头的轴线垂直于有机玻璃板平面采集图像时，标志点在图像中所占区域最大，有利于图像处理，所以，当相机镜头轴线与有机玻璃板垂直时，是最理想的拍摄角度。所以，可根据实际情况，在多个位置布置相机，使得在对安装有靶标的管路进行图像采集时，无论有机玻璃板平面朝哪个方向，都有一个相机镜头的轴线与有机玻璃板平面几乎垂直或者呈一个比较理想的拍摄角度。当测量框架上布置多个相机时，相机经过标定后，相机间的相对位置关系便已知，当各个相机测得管路端面中心点在相机坐标系下的坐标后，可以将测量结果统一到同一坐标系中。
[0145]在对采集的图像进行处理时，由于在采集过程中会受到噪声等外界环境因素的影响，图像质量会下降，所以，需要对采集到的图像进行预处理，消除图像中的噪声，增强对比度，使管路和靶标的边界更加清晰。进而利用靶标和背景的灰度值差异，将靶标所在区域分害拙来，提取靶标上标志点的边缘。提取边缘时，可以首先利用边缘滤波器，对标志点剖面的灰度值进行平滑处理，进而有利于提取出亚像素精度的边缘。虽然本发明实施例中标志点是圆形，但由于观察角度的问题，图像中看到的标志点形状往往是椭圆形，所以，对提取出的标志点边界进行椭圆拟合时，可采用基于直接最小二乘椭圆拟合方法，拟合提取出的标志点边界。由于图像中不可避免的存在噪声，所以需要将初次拟合得到的边缘上偏离拟合椭圆较大的点剔除，对剩余的点进行二次拟合，以此来降低噪声对拟合结果的影响。
[0146]完成椭圆拟合后，便可获得标志点圆心在图像中的图像坐标。在靶标坐标系中，大标志点为坐标系原点，各个小标志点分布在有机玻璃板平面(靶标坐标系的XY平面)上，且它们到大标志点的距离各不相等。所以，可以利用双目视觉原理求解出各个小标志点到大标志点的距离，再根据小标志点到大标志点的距离上的差异，将它们区分开来。因为已知相机的内部参数，所以当设定一个靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系时，可利用这个初始的转换关系将标志点圆心在祀标坐标系中的坐标转换到相机坐标系中，再将标志点圆心投影到图像中，得到投影坐标。至此，各个标志点可以被区分开来，且它们的图像坐标和投影坐标均已知。利用最小二乘法，使每个标志点的投影坐标和图像坐标的距离之和最小，进而可求得靶标坐标系与相机坐标系间实际的转换关系。
[0147]如图2所示，由于在靶标与管路装配完成后，管路接头端面中心点2与定位基准点1、大标志点3中心与定位基准点I的相对位置确定,所以管路接头端面中心点2与大标志点3中心的相对位置便确定。大标志点3中心是靶标坐标系的坐标原点，所以管路接头端面中心点2在靶标坐标系中的坐标便确定。由于通过本发明实施例的方法获得了靶标坐标系与相机坐标系的转换关系，所以可将管路接头端面中心点2在靶标坐标系下的坐标转换为相机坐标系下的坐标，进而可以获得管路的各个接头端面中心点间的位置关系。
[0148]本发明实施例的管路端面中心点的测量方法及装置测量精度高、操作简单且通用性强，而且其中所用靶标可以根据管路接头的具体结构而自行设计，也可做成标准件，方便安装。
[0149]以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本【技术领域】的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种管路端面中心点的测量方法，其特征在于，包括: 采集装配有靶标的管路的图像，所述靶标的靶标平面上设有多个标志点； 从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标； 根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标； 根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系； 根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标； 根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标的步骤之后，所述方法还包括: 获取多个相机之间的外参数； 根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶标还包括: 靶标本体； 定位基准点，用于在所述靶标和管路接头装配时进行定位； 销，用于所述靶标和管路接头的径向定位； 端面，用于所述靶标和所述管路接头的轴向定位；以及 紧固部件，用于紧固所述靶标和管路接头； 其中，所述靶标平面通过固定部固定在所述靶标本体上，所述销固定连接在所述靶标本体上；且所述定位基准点位于所述靶标平面的一个角点，所述端面位于所述靶标本体与管路端面的接触面处，所述紧固部件套于靶标本体外侧，通过紧固螺钉将靶标本体与管路紧固。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个标志点包括一个大标志点及多个小标志点，所述大标志点用于确定所述祀标坐标系的原点，所述多个小标志点用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标的步骤包括: 对采集的所述图像进行预处理； 对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域； 在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘； 根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系的步骤包括: 获取相机的内参数； 设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系； 根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数，将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标； 通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化； 当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
7.一种管路端面中心点的测量装置，其特征在于，包括: 图像采集模块，用于采集装配有靶标的管路的图像，所述靶标的靶标平面上设有多个标志点； 图像坐标获取模块，用于从采集的所述图像中获得所述多个标志点几何中心的图像坐标； 靶标坐标系建立模块，用于根据所述靶标平面上的多个标志点的相对位置，建立靶标坐标系，并获取所述多个标志点在靶标坐标系中的坐标； 转换关系获取模块，用于根据所述多个标志点的几何中心图像坐标和所述多个标志点在所述靶标坐标系中的坐标，获取所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系； 相机坐标系坐标获取模块，用于根据所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系，获取所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标； 相对位置获取模块，用于根据所述管路的各个接头端面中心点在所述相机坐标系中的坐标，获取所述管路的各个接头端面中心点间的相对位置。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 坐标系统一模块，用于获取多个相机之间的外参数，并根据所述多个相机之间的外参数，将多个相机坐标系下的所述管路的各个接头端面中心点的坐标统一到同一相机坐标系下。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述靶标还包括: 靶标本体； 定位基准点，用于在所述靶标和管路接头装配时进行定位； 销，用于所述靶标和管路接头的径向定位； 端面，用于所述靶标和所述管路接头的轴向定位；以及 紧固部件，用于紧固所述靶标和管路接头； 其中，所述靶标平面通过固定部固定在所述靶标本体上，所述销固定连接在所述靶标本体上；且所述定位基准点位于所述靶标平面的一个角点，所述端面位于所述靶标本体与管路端面的接触面处，所述紧固部件套于靶标本体外侧，通过紧固螺钉将靶标本体与管路紧固。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多个标志点包括一个大标志点及多个小标志点，所述大标志点用于确定所述祀标坐标系的原点，所述多个小标志点用于确定所述靶标坐标系的坐标轴方向。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述图像坐标获取模块进一步用于: 对采集的所述图像进行预处理； 对经过预处理的所述图像进行阈值分割，获得所述多个标志点的区域； 在分割出的所述任一标志点的区域中，提取所述标志点的边缘； 根据提取出的所述标志点的边缘，获取所述标志点几何中心的图像坐标。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述转换关系获取模块包括: 参数获取单元，用于获取相机的内参数； 初始化单元，用于设定所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系； 投影单元，用于根据所述靶标坐标系与相机坐标系的初始转换关系及所述相机的内参数将所述多个标志点的几何中心投影到采集的所述图像上，并获得所述多个标志点几何中心的投影坐标； 优化单元，通过最小二乘法对所述多个标志点的投影坐标进行优化； 确定单元，用于当所述标志点的投影坐标和对应的图像坐标间的距离之和最小时，获得所述靶标坐标系和相机坐标系的转换关系。
【文档编号】G01B11/00GK104315978SQ201410643708
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】刘检华, 金鹏, 刘少丽, 丁晓宇, 王骁, 孙鹏, 王爱民 申请人:北京理工大学