一种基于十字结构光视觉系统的平面二维尺寸测量方法与流程

本发明涉及机器视觉的测量技术领域，特别是一种基于十字结构光视觉系统的平面二维尺寸测量方法。

背景技术：

目前在智能制造越发火热的今天，测量是现代制造业的基础，在生产中对于测量的需求越来越多。而非接触式测量相对于接触式测量来说，具有方便快捷，节省人力成本和信息化集成等优点。而非接触式测量主要包括视觉系统为主的测量系统。

针对平面二维尺寸测量的视觉测量系统主要有基于远心镜头的系统，而该系统虽然具有高精度，但测量环境要求很苛刻，而且只能应用于小尺寸的工件，高成本。所以基于远心镜头的平面二维尺寸系统应用具有一定的局限性。其余或者借助运动平台等辅助工具进行平面二维尺寸测量的系统或多或少具有一定限制。

但是目前多数基于结构光的视觉系统是基于单条激光线，并且主要应用于三维重建为主。对于测量来说，单条激光线无法确定工件表面相对于相机的平面方程，所以本发明应用两条激光线来确定工件表面相对于相机的平面方程，从而在该平面内计算工件表面的二维尺寸。

基于结构光的视觉测量系统主要是由ccd相机和激光构成，其测量方法主要为激光三角测量法，其中难点主要为标定即摄像机标定和结构光标定两部分，其中摄像机标定的方法相对比较成熟。首先需要利用摄像标定的方法进行获取相机内参数，再对加上标定后的相机进行激光平面的标定。

综上所述，基于十字结构光的视觉测量系统可以直接获得工件的表面平面相对于相机的外参数，用于测量工件的平面二维尺寸。

技术实现要素：

本发明针对传统接触式测量方法冗杂低效的不足，提出了一种十字结构光视觉系统的平面二维尺寸测量方法，通过十字结构光与工件平面所构成的平面方程，获取工件表面的外参数，再根据图像处理知识获取工件的图像尺寸，转换为实际的物理尺寸，从而达到二维尺寸测量的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于十字结构光视觉系统的平面二维尺寸测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，首先，固定十字结构光视觉系统，将标定板放置于十字结构光视觉系统的视场内，拍摄一组具有不同姿态的多张标定图片，然后可以采用张正友标定法计算出十字结构光视觉系统的工业相机的内参数，为保证标定结果正确，需要进行重投影验证，所述验证精度小于0.05个像素；

步骤二，在步骤一的基础上，在十字结构光视觉系统视场内，将标定板放置于与两条激光线有合理的相交位置；然后，连续拍摄一组图片，所述图片需满足两条激光线与标定板有合理的相交位置，并且存在相异的姿态，如图3所示；采集所拍摄的多张图片，称为激光图集；所述合理的相交位置是指十字结构光的交点在标定板中的位置不处于标定板的边缘区域；

步骤三，对步骤二采集到的图片进行激光中心提取及直线拟合处理；

所述激光中心提取及直线拟合处理使用以下方法：

先对图片中的彩色图像进行蓝色通道的滤波，采用二值法滤掉不相关信息，只保留激光线条信息；由于激光线条在图中是有宽度的，所以要对激光线条进行中心提取；

对二值化后的蓝色通道图像每一列的灰度值使用滤波找出该列激光的中心所在的区域，再使用灰度权重法找出激光线段在图像中每一列的激光中心；

找到每一列的激光中心后，使用最小二值法求取激光线段在图像坐标中的线段方程；

步骤四，通过求取激光线段的空间方程和激光平面拟合求取激光平面参数；所述空间方程均是相对于十字结构光视觉系统的工业相机的坐标系下的方程；

对所述步骤三处理后的激光图集，从标定板求取出激光线段所在的外参数，如公式(1)所示，其中r13、r23、r33、t1、t2、t3为相机外参数。根据三角测量原理，激光线段上的点的空间约束方程如公式(2)所示，其中(x，y，z)为空间坐标，(u，v)为图像坐标，其余参数为内参数。联合公式(1)，(2)可以求得激光线段上的点的空间坐标，再将激光线段上的点的空间点坐标进行最小二值化拟合可得激光线段的空间直线方程，如式(4)所示，其中[minili]为第i条激光线段的空间直线方程的直线方向，(xi0，yi0，zi0)为第i条激光线的空间坐标原点，1≤i≤sum。获得激光图集的sum条激光线段的空间直线方程后，由于激光线段的空间直线方程必定垂直于激光平面的法向量，列方程(5)，可求解出激光平面的法向量(a，b，c)。以最小化激光线段到激光平面的距离的平方和为指标建立函数可求取出激光平面的参数d，激光平面的空间方程如式(6)所示。

r13*(x-t1)+r23*(y-t2)+r33*(z-t3)＝0(1)

a*x+b*y+c*z+d＝0(6)

步骤五，平面测量过程：先按步骤三提取出两条激光线段的图像坐标方程，然后根据公式(2)的空间约束方程，将公式(2)和(5)联立求解可得激光空间坐标关于图像坐标的转换关系，如式(7)所示，其中h＝a*fx*(u-u0)+b*fy*(v-v0)+c，将两条激光线段空间方程的方向向量叉乘得到工件表面的空间方程法向量，再将任意一点带入公式(6)可得工件表面的空间方程；其次，基于现有成熟的canny算法求出工件的图像坐标尺寸，将图像坐标带入所得到的工件表面的空间方程中并联立公式(2)的空间约束方程可求得工件的实际几何尺寸。

其中，h＝a*fx*(u-u0)+b*fy*(v-v0)+c。

所述十字结构光视觉系统包括工业相机和激光发生器，工业相机和激光发生器成固定角度安装构成；其中，所述十字结构光视觉系统在标定时需要固定，激光发生器能直接发出稳定的十字激光，但激光发生器发出的两条激光只要能够相交即可，不一定需要真正意义上的垂直。

本发明的有益效果如下：

本发明通过十字结构光的辅助以及图像处理技术，获取到工件表面平面的外参数，不仅简化了测量过程，同时实现了快速测量工件的功能；与基于远心镜头和运动平台的测量系统只能测量小工件相比，拥有设备便宜和可测量大尺寸工件的优点，并且根据需求将该系统安装在机器人末端，辅助以手眼标定和其他功能，也可以进行机器人视觉引导等功能，应用单目视觉可以实现高精度的平面测量，具有高精度、实现简单的优点；在机器人视觉引导上，与传统的双目相比较，由于相机标定的减少，减少了系统误差，在一定程度上提高精度，并且在效率上有较大的提高。本发明计算简单，无高阶方程的求解，并且造价便宜，用途广泛，可平面二维尺寸测量，也可用于机器人视觉引导功能。

附图说明

图1为本发明的十字结构光视觉系统的示意图。

图2为本发明的激光交点示意图。

图3为本发明的激光平面标定拍照示意图。

其中，附图标记为：1-传感器外壳，2-工业相机，3-激光发生器，4-标定板，5-激光平面。

具体实施方式

实施例1

一种基于十字结构光视觉系统的平面二维尺寸测量方法，包括以下主要步骤：

步骤一，首先，固定十字结构光视觉系统，将标定板4放置于十字结构光视觉系统的视场内，拍摄一组具有不同姿态的标定图片，约为20张左右，然后应用张正友标定法计算出十字结构光视觉系统的工业相机2的内参数，为保证标定结果正确，需要进行重投影验证，所述验证精度小于0.05个像素；

步骤二，在步骤一的基础上，在十字结构光视觉系统视场内，将标定板4放置于与两条激光线有合理的相交位置；然后，连续拍摄一组图片，所述图片需满足两条激光线与标定板4有合理的相交位置，并且存在相异的姿态，如图3所示；采集所拍摄的图片，称为激光图集，张数约为10张；

所述合理的相交位置是指十字结构光的交点在标定板4中的位置不处于标定板4的边缘区域，如图2所示，左边的交点位置合理，右边的交点位置不合理。

步骤三，对步骤二采集到的图片进行激光中心提取及直线拟合处理；

所述激光中心提取使用以下方法：

先对图片中的彩色图像进行蓝色通道的滤波，采用二值法滤掉不相关信息，只保留激光线条信息；由于激光线条在图中是有宽度的，所以要对激光线条进行中心提取；

对二值化后的蓝色通道图像每一列的灰度值使用滤波找出该列激光的中心所在的区域，再使用灰度权重法找出激光线段在图像中每一列的激光中心；

找到每一列的激光中心后，使用最小二值法求取激光线段在图像坐标中的线段方程；

步骤四，通过求取激光线段的空间方程和激光平面5拟合求取激光平面5参数；所述空间方程均是相对于十字结构光视觉系统的工业相机2的坐标系下的方程；

对所述步骤三处理后的激光图集，从标定板4求取出激光线段所在的外参数，如公式(1)所示，其中r13、r23、r33、t1、t2、t3为相机外参数。根据三角测量原理，激光线段上的点的空间约束方程如公式(2)所示，其中(x，y，z)为空间坐标，(u，v)为图像坐标，其余参数为内参数。联合公式(1)，(2)可以求得激光线段上的点的空间坐标，再将激光线段上的点的空间点坐标进行最小二值化拟合可得激光线段的空间直线方程，如式(4)所示，其中[minili]为第i条激光线段的空间直线方程的直线方向，(xi0，yi0，zi0)为第i条激光线的空间坐标原点，1≤i≤sum。获得激光图集的10条激光线段的空间直线方程后，由于激光线段的空间直线方程必定垂直于激光平面5的法向量，列方程(5)，可求解出激光平面5的法向量(a，b，c)。以最小化激光线段到激光平面5的距离的平方和为指标建立函数可求取出激光平面5的参数d，激光平面5的空间方程如式(6)所示。

r13*(x-t1)+r23*(y-t2)+r33*(z-t3)＝0(1)

a*x+b*y+c*z+d＝0(6)

步骤五，平面测量过程：先按步骤三提取出两条激光线段的图像坐标方程，然后根据公式(2)的空间约束方程，将公式(2)和(6)联立求解可得激光空间坐标关于图像坐标的转换关系，如式(7)所示，将两条激光线段空间方程的方向向量叉乘得到工件表面的空间方程法向量，再将任意一点带入公式(7)可得工件表面的空间方程；其次，基于现有成熟的canny算法求出工件的图像坐标尺寸，将图像坐标带入所得到的工件表面的空间方程中并联立公式(2)的空间约束方程可求得工件的实际几何尺寸。

其中，h＝a*fx*(u-u0)+b*fy*(v-v0)+c。

所述十字结构光视觉系统包括安装于传感器外壳1上的工业相机2和激光发生器3，工业相机2和激光发生器3成固定角度安装构成；其中，所述十字结构光视觉系统在标定时需要固定，激光发生器3能直接发出稳定的十字激光，但激光发生器3发出的两条激光只要能够相交即可，不一定需要真正意义上的垂直，如图1所示。