基于平行激光的裂缝视觉测量装置及测量方法与流程

本发明属于视觉测量装置技术领域，涉及一种基于平行激光的裂缝视觉测量装置，本发明还涉及采用上述测量装置进行视觉测量的方法。

背景技术：

随着智能化、自动化的不断进步，现代化装备制造等各个领域对控制和加工精度要求越来越高，对建筑物、古文物、机械设备等的监控和保护越来越精细化。当被测目标所处位置难以靠近，如悬崖峭壁上的古文物、被测目标所处环境恶劣，如高温高压或有毒环境、被测目标为某物体表面纹理或裂痕，无法用测量工具直接测量、被测目标会因为任何接触而发生尺寸变化时就需要进行非接触测量。

尺寸测量方法多种多样，其中利用光学及图像技术能够实现对目标的自动化高精度测量，如对零件尺寸的测量，通过从固定距离拍摄图像或者采用远心镜头拍摄图像，通过计算像素个数进行测量，但普通镜头尺寸测量需要预知拍摄距离，远心镜头体积大、成本高且拍摄范围小。目前广泛使用的全站仪，采用激光测距和高精度角度测量，实现对目标的尺寸测量，但设备昂贵，使用难度大，且距离越远，横向测量精度越低。现在急需一种体积小、成本低、精度高，适于广泛推广非接触式测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于平行激光的裂缝视觉测量装置，其整体体积小，成本低，适于非接触式测量方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，基于平行激光的裂缝视觉测量装置，包括有平行激光器和带有摄像头的手机，平行激光器可拆卸固定在手机的后盖上，手机内置有图像处理模块，平行激光器还电连接手机。

本发明第一种技术方案的特征还在于，

摄像头上还安装有外挂镜头。

平行激光器包括壳体，壳体顶部为全透光玻璃，壳体内设置有一发射水平激光束的激光发射器，沿激光发射器发射的激光束的方向设置有一平行四边形透明光学玻璃，平行四边形透明光学玻璃靠近激光发射器的一侧面设置有光学半透膜，平行四边形透明光学玻璃远离激光发射器的一侧面设置有光学全反射膜，设置有光学半透膜和光学全反射膜的两个侧面平行且与水平夹角均为45°，激光发射器发射的激光束经光学半透膜和光学全反射膜反射形成两条平行光束从壳体顶部射出，壳体底部可拆卸固定在手机的后盖上。

壳体上还安装有激光电源开关，激光电源开关通过导线连接激光发射器，手机上还设置有usb接口，usb接口连接有接usb转换器，usb转换器通过导线和激光电源开关连接。

手机的后盖上固定有磁性金属片，壳体底部固定有强力磁铁，手机和平行激光器通过磁性金属片和强力磁铁的吸合力固定。

本发明采用的第二种技术方案是：基于平行激光的裂缝视觉测量方法，采用上述基于平行激光的裂缝视觉测量装置，首先选择合适焦距的外挂镜头安装在手机自带的摄像头上，然后打开平行激光器，平行激光器发出平行激光对准被测目标，并对目标进行拍照，然后手机内置的图像处理模块利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取，然后计算平行激光产生的两激光光斑光心之间的像素距离/像素个数dn，并以平行激光器发出的平行激光光束的中心间距dl作为测量基准计算像素实际大小或以激光发射器发出的激光束直径作为测量基准计算像素实际大小，最后根据像素实际大小实现对被测目标尺寸的测量。

本发明第二种技术方案的特征还在于，

图像处理模块利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取的具体方法为：

步骤1，在手机屏幕上点击激光光斑所在位置，确定光斑检测区域即就是检测环，在检测环内对光斑进行颜色及亮度阈值分割；

步骤2，对步骤1的阈值分割结果执行区域生长算法，生成两个激光光斑的区域边界；

步骤3，对步骤2生成的区域求几何中心点，然后计算两个几何中心点之间的像素距离/像素个数dn。

被测目标的尺寸s＝pr×tn，其中tn为被测目标在所拍摄的图像中所占像素数，pr为图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸。

若激光发射器采用普通激光发射器，则以平行激光光束的中心间距dl作为测量基准，则pr＝dl/dn；

若激光发射器采用平行激光发射器，则采用激光束直径cd作为测量基准，若图像上产生的光斑像素直径为cn，则图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸pr＝cd/cn。

手机为触屏手机，手机屏幕即为人机交互界面，图像处理模块包括在手机内置的处理器以及设置在人机交互界面上的屏幕测量标尺，处理器利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取，然后计算平行激光产生的两激光光斑光心之间的像素距离/像素个数dn，并以平行激光器发出的平行激光光束的中心间距dl或以激光发射器发出的激光束直径作为测量基准计算图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸，然后按照屏幕显示尺寸与图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸的比例设置屏幕测量标尺的测量标线，最后根据像素实际大小实现对被测目标尺寸的测量，被测目标的尺寸显示在人机交互界面上，通过其上设置的测量标线直接读出。

本发明的有益效果是，本发明利用平行激光器发出的平行激光光束的中心间距作为测量基准，通过对激光光斑中心的提取，设计了视觉尺寸测量方法，能够实现对远距离被测目标尺寸的精细测量，具有广泛的实际应用。

附图说明

图1是本发明基于平行激光的裂缝视觉测量装置的结构示意图；

图2是本发明基于平行激光的裂缝视觉测量装置中平行激光器的结构示意图；

图3是本发明基于平行激光的裂缝视觉测量装置的实际测量图；

图4是本发明基于平行激光的裂缝视觉测量方法的流程图；

图5是本发明基于平行激光的裂缝视觉测量装置中人机交互界面的界面示意图。

图中，1.平行激光器，2.激光发射器，3.光学玻璃，4.光学半透膜，5.光学全反射膜，6.激光束，7.强力磁铁，8.usb接口，9.激光电源开关，10.人机交互界面，11.屏幕测量标尺，12.拍摄激光光斑，13.手机，14.测量标线，15.拍照控制按钮，16.壳体，17.检测环，18.摄像头，19.外挂镜头，20.磁性金属片，21.usb转换器，22.被测目标，23.激光光斑，24.被测目标平面，25.平行光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于平行激光的裂缝视觉测量装置，其结构如图1所示，包括有平行激光器1和带有摄像头18的手机13，平行激光器1可拆卸固定在手机13的后盖上，手机13内置有图像处理模块，平行激光器1还电连接手机13。

摄像头18上还安装有外挂镜头19。

如图2所示，平行激光器1包括壳体16，壳体16顶部为全透光玻璃，壳体16内设置有一发射水平激光束的激光发射器2，沿激光发射器2发射的激光束6的方向设置有一平行四边形透明光学玻璃3，平行四边形透明光学玻璃3靠近激光发射器2的一侧面设置有光学半透膜4，平行四边形透明光学玻璃3远离激光发射器2的一侧面设置有光学全反射膜5，设置有光学半透膜4和光学全反射膜5的两个侧面平行且与水平夹角均为45°，激光发射器2发射的激光束经光学半透膜4和光学全反射膜5反射形成两条平行光束25从壳体16顶部射出，壳体16底部可拆卸固定在手机13的后盖上。

壳体16上还安装有激光电源开关9，激光电源开关9通过导线连接激光发射器2，手机13上还设置有usb接口8，usb接口8连接有接usb转换器21，usb转换器21通过导线和激光电源开关9连接。

手机13的后盖上固定有磁性金属片20，壳体16底部固定有强力磁铁7，手机13和平行激光器1通过磁性金属片20和强力磁铁7的吸合力固定。

本发明采用的第二种技术方案是：基于平行激光的裂缝视觉测量方法，采用上述基于平行激光的裂缝视觉测量装置，如图3所示，首先选择合适焦距的外挂镜头19安装在手机13自带的摄像头18上，然后打开平行激光器1，平行激光器1发出平行激光对准被测目标，按下手机上的拍照控制按钮15对被测目标22进行拍照，然后手机13内置的图像处理模块利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取，然后计算平行激光产生的两激光光斑23拍摄在图像上显示的拍摄激光光斑12的光心之间的像素距离/像素个数dn，并以平行激光器1发出的平行激光光束的中心间距dl作为测量基准计算像素实际大小或以激光发射器2发出的激光束直径作为测量基准计算像素实际大小，最后根据像素实际大小实现对被测目标尺寸的测量；图3中，被测目标22为裂缝，在其所处的被测目标平面24上。

如图4所示，图像处理模块利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取的具体方法为：

步骤1，在手机13屏幕上点击激光光斑所在位置，确定光斑检测区域即就是检测环17，在检测环内对光斑进行颜色及亮度阈值分割；本步骤中也可以直接对图像进行颜色及亮度阈值分割；分割完后得到取值为0或1的二维矩阵，即符合激光光斑颜色且亮度大于某一阈值的像素对应行列位置取值为1，否则为0；

步骤2，对步骤1的阈值分割结果执行区域生长算法，生成两个激光光斑的区域边界；具体为：(1)遍历检测环区域或整幅图像，记录每一行中值连续为1的片段的起始位置sa和结束位置ea，以及当前行数；(2)遍历各片段，将不同行中首尾相邻的片段标注为同一编号；其中临近是指如果一个点在另一个点的上下左右位置，则这两个点临近，标注为不同编号的片段则为不同的区域。

步骤3，对步骤2生成的区域求几何中心点，然后计算两个几何中心点之间的像素距离dn；

被测目标的尺寸s＝pr×tn，其中tn为被测目标在所拍摄的图像中所占像素数，pr为图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸。

若激光发射器2采用普通激光发射器，则以平行激光光束的中心间距dl作为测量基准，则pr＝dl/dn；

若激光发射器2采用平行激光发射器，则采用激光束直径cd作为测量基准，若图像上产生的光斑像素直径为cn，则图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸pr＝cd/cn。

如图5所示，手机13为触屏手机，手机屏幕即为人机交互界面10，图像处理模块包括在手机内置的处理器以及设置在人机交互界面10上的屏幕测量标尺11，处理器利用激光光斑的视觉特征对拍摄的图像进行光斑中心提取，然后计算平行激光产生的两激光光斑光心之间的像素距离/像素个数dn，并以平行激光器1发出的平行激光光束的中心间距dl或以激光发射器2发出的激光束直径作为测量基准计算图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸，然后按照屏幕显示尺寸与图像中每个像素对应成像范围的实际尺寸的比例设置屏幕测量标尺11的测量标线14，最后根据像素实际大小实现对被测目标尺寸的测量，被测目标的尺寸显示在人机交互界面10界面上，通过其上测量标线14直接读出。

本发明的手机外接镜头19可以根据测量距离和精度，配置可调焦或不同焦距的镜头，对于远距离目标，可以采用长焦距镜头或将焦距拉长；

本发明的基于平行激光的裂缝视觉测量装置总体测量精度主要影响因素：激光器平行度，镜头焦距，感光器件像素密度，测量距离；在成像设备确定的情况下，测量误差主要由平行激光器和测量距离决定。

在双激光束测量模式下，若两光束角度误差为dθ，目标距离为h，激光束设计中心间距为dl，则平行激光误差为：err＝h×tan(dθ)/dl×100％；在单激光束测量模式下，若激光束发散角度为dθ，目标距离为h，激光束发射直径为cd，则平行激光误差为：err＝h×tan(dθ)/cd×100％；该误差通过给出测量距离进行误差补偿，补偿方法：h精确已知时，对应的dl或cd精确已知，则平行度引起的目标尺寸测量误差将得到补偿。单激光束测量模式下，激光发射器2采用高度平行激光发射器，测量基准为激光束直径；双激光束测量模式下，激光发射器2采用普通激光器，测量基准为两个光斑之间的中心距。

本发明在测量标线可以左右或者上下移动，用于确定被测目标的测量起止位置，在测量过程中，可以对拍摄的图像进行自由平移、缩放、旋转，对应的屏幕测量标线也随着图像的缩放和倾斜改变刻度大小。

本发明的平行激光器1所产生的光斑的中心距在各距离都要采用其他高精度测量手段进行出厂标定，以备误差补偿；激光发射器2可以采用平行激光发射器或普通激光发射器。在单激光束测量模式下，需要高平行度的平行激光发射器；双激光束测量模式下，可以根据测量精度和测量需求要求采用通激光发射器。所述平行四边形光学玻璃半透平面透过50％激光能量，反射50％激光，全反射面将透射过来的50％激光全部反射出去。激光电源开关9可以控制激光发射器的电源开关。usb接口8用于利用手机对激光器进行供电，usb转换器为otg转接头，能够将手机接口转为usb供电模式，所述手机背面贴的磁性金属片20为薄铁片用于将平行激光器壳体吸附在手机背面。