專利名稱：基于平行光照明的多目視覺檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置及方法，廣泛用于機(jī)械制造，在 線生產(chǎn)，航空航天，汽車車身測量等諸多領(lǐng)域的機(jī)器視覺檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
智能機(jī)器視覺技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一個新型自動化分支學(xué)科，是一項(xiàng)新興的檢測 技術(shù)。它以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代 科學(xué)技術(shù)為一體，組成光、機(jī)、電、算綜合的檢測系統(tǒng)，具有非接觸、全視場檢測、高精
度和自動化程度高的特點(diǎn)，可以克服人類自身能力的局限性，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中輔助或 代替人類完成在線、自動、連續(xù)的測量和檢測任務(wù)，極大地提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí) 時(shí)性和可靠性，使產(chǎn)品質(zhì)量得到有效保證。
在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，視覺檢測往往是不可缺少的環(huán)節(jié)，機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展一定程度上 可以取代人工視覺上的一些工作，特別是高速、連續(xù)、批量生產(chǎn)中的質(zhì)量檢測、對象辨識、 缺陷提取、輪廓獲取、尺寸測量等人工難以完成的任務(wù)
目前比較常見的視覺檢測方法多為單目視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但由于環(huán)境因素 的復(fù)雜多變，單幅圖像中往往會混雜噪聲或者雜光等干擾源的影響，如此得到的圖像很難 從中準(zhǔn)確提取出被測物的光學(xué)信息。綜合考慮以上因素，本發(fā)明提出一種能一定程度上抑 制環(huán)境干擾，消除干擾源的共模噪聲，提高檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的多目視覺檢測裝置， 并且從多目視覺系統(tǒng)中搜集的視覺信息是豐富且多角度的，如此通過基于多幅圖像的算法 的研究與應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算被測物表面或者三維形貌特征，通過對相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定， 更可以獲得靜態(tài)實(shí)物的相關(guān)幾何量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置及方法，本發(fā)明裝置 具有性能可靠，檢測過程自動化程度高，抗共模干擾能力較強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)，為在線生 產(chǎn)檢測，實(shí)物三維形貌測量以及航空航天領(lǐng)域提供穩(wěn)定可靠的檢測與測量方法。
本發(fā)明提供的一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置包括
多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)，用于定位三部相機(jī)，又可以任意調(diào)節(jié)平面內(nèi)相機(jī)的三個方向 自由度。
平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)，用于將大功率LED點(diǎn)光源的發(fā)散光束準(zhǔn)直并擴(kuò)束輸出。 所述的多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)包括底座、螺紋圓柱、支撐螺母和導(dǎo)軌橫梁所組成的 龍門框架，第一螺紋圓柱固定于底座上，并與第一支撐螺母配合。第一支撐螺母承載導(dǎo)軌 橫梁。導(dǎo)軌橫梁布置了可以滑動并定位緊固的第一支撐滑塊、第二支撐滑塊和第三支撐滑 塊，每個支撐滑塊下面都有由第二螺紋圓柱和第二支撐螺母組成的結(jié)構(gòu)。按圖l從左至右
4的順序說明，左側(cè)第一滑塊下面的第二支撐螺母支撐了一個槽型定位調(diào)整外殼，定位調(diào)整 外殼中用螺釘固定了平行擴(kuò)束白光光源，位于垂直平行擴(kuò)束白光光源的方向?qū)⒌诙坌驼{(diào) 整定位外殼裝配于第一槽型調(diào)整定位外殼的底部，通過定位調(diào)整平板和定位螺釘將第一工 位相機(jī)安放到第一光源的垂直方向，分度旋鈕用來調(diào)節(jié)平行擴(kuò)束白光光源在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)角 度。中間第二滑塊下面的第二支撐螺母支撐槽型定位外殼，將第二工位相機(jī)也固定于槽型 定位外殼上，并保證第二工位相機(jī)在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)豎直朝下。右側(cè)第三滑塊下的第二支撐螺 母也支撐第三槽型調(diào)整定位外殼，在支撐第三槽型調(diào)整定位外殼中安放第三工位相機(jī)，第 三工位相機(jī)也可以通過分度旋鈕調(diào)節(jié)其在平面內(nèi)的角度。位于第二工位相機(jī)12正下方的 大理石底座上安放一個升降調(diào)整臺，被測工件放置于升降調(diào)整臺上。
所述的平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)由LED芯片、透鏡組和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，如圖2。此機(jī)構(gòu)保證 機(jī)械軸心與光學(xué)軸心重合，芯片和透鏡組中心位于光軸上，且芯片和透鏡組垂直光軸。將 高亮度LED芯片放置于專用LED聚光透鏡后側(cè)，聚光透鏡將LED光源的發(fā)散角變小，聚光 透鏡在第一透鏡套筒中由定位螺釘固定鎖緊。透鏡U被夾持于第二透鏡套筒內(nèi)，第二套筒 可以在第一透鏡套筒中沿軸向移動，最后由定位螺釘鎖緊固定。第三透鏡套筒用來夾持孔 徑光闌，并且可以在第二透鏡套筒中沿光軸向移動，最后由定位螺釘定位鎖緊。第三透鏡 套筒的末端夾持住透鏡L2，并通過螺釘固定于半透半反鏡的方形固定架的側(cè)面。半透半反 鏡片沿固定架側(cè)面對角線方向被固定。
本發(fā)明提供的一種基于平行光照明的多目視覺檢測方法包括的步驟
整體機(jī)構(gòu)定位調(diào)整
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，為保證裝置能正常工作，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)三部相機(jī)的位置和角度。 在龍門架構(gòu)內(nèi)，如圖l,通過兩個螺柱上的支撐螺母的調(diào)節(jié)，將導(dǎo)軌橫梁調(diào)節(jié)到適當(dāng) 高度，也可以配合升降臺一起運(yùn)動?；瑒游挥跈M梁上的3個滑塊，調(diào)整它們在x方向的位 置，盡量保持滑塊間隔相同。每個滑塊下的螺母都可以調(diào)節(jié)，能夠使其下面承載部分沿y 向移動。第一工位相機(jī)可以在槽型調(diào)整定位外殼中沿光源的垂直方向上下調(diào)節(jié)位置，而第 二工位相機(jī)可以在槽型調(diào)整定位外殼中沿豎直方向上下調(diào)節(jié)位置。第一工位相機(jī)和第三工 位相機(jī)可以通過分度旋鈕調(diào)節(jié)角度。為了能夠得到理想圖像效果，應(yīng)調(diào)節(jié)光源的光軸方向 與第三工位相機(jī)的光軸方向關(guān)于被測工件的中心法線成對稱角度。 平行擴(kuò)束光源機(jī)構(gòu)內(nèi)透鏡組位置調(diào)整
根據(jù)光束平行擴(kuò)束原理，為得到準(zhǔn)直度好的平行光，需要調(diào)整透鏡組及LED芯片的相 對位置。圖2中，芯片LED通過前置聚光透鏡后，光束發(fā)散角更小，沿此光束的反方向得 到一個虛交點(diǎn)，此點(diǎn)即為代表LED芯片的點(diǎn)光源。通過定位螺釘調(diào)節(jié)透鏡套筒使透鏡Li 到虛交點(diǎn)的距離為透鏡Li兩倍焦距處。通過定位螺釘調(diào)節(jié)透鏡套筒使孔徑光圈至透鏡Li 的距離為透鏡Li兩倍焦距處。透鏡L2的位置應(yīng)距孔徑光闌為自身的一倍焦距處。
平行擴(kuò)束光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)
高亮度LED驅(qū)動電路選擇HV9910作為主芯片，此芯片基于buck-boost恒流控制原理，結(jié)合P麗脈寬調(diào)制精確控制方法，可實(shí)現(xiàn)對LED電流在0 1A范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證光 源光強(qiáng)的連續(xù)穩(wěn)定的變化。在系統(tǒng)運(yùn)行中，調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電路的輸入脈沖占空比，間接調(diào) 節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度，使三工位相機(jī)在相應(yīng)光強(qiáng)檔位下實(shí)時(shí)采集圖像，得到的圖像組可以為 后續(xù)模板提取、圖像差分算法提供數(shù)據(jù)。 計(jì)算三個位置相機(jī)圖像的匹配參數(shù)
由于受到機(jī)械定位架的定位及調(diào)整精度的限制，在對多幅圖像差分處理前，需要首先 獲得各幅圖像的匹配參數(shù)，包括偏心位移參數(shù)、平面轉(zhuǎn)角參數(shù)及成像縮放比例參數(shù)。本發(fā) 明提出基于二維Radon算法的匹配參數(shù)判定方法，并結(jié)合相機(jī)標(biāo)定技術(shù)獲得相機(jī)外部參數(shù)， 以便多幅圖像匹配差分處理。
通過圖像差分規(guī)則獲得不同差分圖像
通過步驟4能夠獲得三幅圖像的匹配參數(shù)，由此參數(shù)就可以將被測物圖像調(diào)整到其形 心與圖像尺寸中心重合，并旋轉(zhuǎn)被測橢圓形圖像長短軸分別與x、 y軸重合。將圖像匹配 好之后，再根據(jù)不同的圖像差分規(guī)則來完成對匹配后圖像的差分處理。
為得到不同匹配差分效果，將不同亮度下第一工位和第二工位相機(jī)得到圖像按照一定
的準(zhǔn)則組合運(yùn)算，組合運(yùn)算準(zhǔn)則設(shè)計(jì)如下
1. Pixels(Rulel)=Pixels(Adding)- Pixels(750mA of Camera 2);
2. Pixels(Rule2)=Pixels(Differential)- Pixels(750mA of Camera 2)*0.15;
3. Pixels(Rule3)=Pixels(Adding)- Pixels(l 12mA of Camera 2)*0.58;
4. Pixels(Rule4)=Pixels(Differential)*2.4- Pixels(l 12mA of Camera 2)*0.3;
5. Pixels(Rule5)=Pixels(750mA of Camera 2)- Pixels(Differential);
6. Pixels(Rule6)=Pixels(750mA of Camera 2)- Pixels(Adding)*0.5;
7. Pixels(Rule7)=Pixels(l 12mA of Camera 2)- Pixels(Differential)*4.5;
8. Pixels(Rule8)=Pixels(l 12mA of Camera 2)- Pixels(Adding)* 1.35。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
采用大功率LED作為照明光源將平行光照射被測物體，同時(shí)利用位于不同位置的三個 攝像機(jī)來獲取圖像，通過多幅圖像的匹配差分運(yùn)算法則獲得物體輪廓尺寸信息，達(dá)到二維 化平面幾何量測量的目的。該測量技術(shù)與單目視覺相比較，通過差分算法得到的處理結(jié)果 圖像輪廓及缺陷信息更加完整，共模干擾抑制能力也更明顯，更易于分析出幾何量尺寸， 比起傳統(tǒng)的單目視覺圖像處理方法自適應(yīng)性更強(qiáng)，精度也更高。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的平行準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理圖。
圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖。
圖6為本發(fā)明的匹配差分效果圖。l-底座，2-螺紋圓柱，3-第一支撐螺母，4-導(dǎo)軌橫梁，5-支撐滑塊(第一，第二和第 三)，6-第二支撐螺母，7-螺紋圓柱，8-大理石底座，9-升降調(diào)整臺，10-被測工件，11-第一工位相機(jī)，12-第二工位相機(jī)，13-第三工位相機(jī)，14-平行擴(kuò)束白光光源，15-第一槽 型調(diào)整定位外殼，16-分度旋鈕，17-第二槽型調(diào)整定位外殼，18-定位調(diào)整平板，19-定位 螺釘，20-第三槽型調(diào)整定位外殼。
21-高亮LED， 22-LED前置聚光透鏡，23-定位螺釘，24-第一透鏡套筒，25-透鏡L， 26-定位螺釘，27-第二透鏡套筒，28-定位螺釘，29-孔徑光闌，30-第三透鏡套筒，31-透 鏡"，32-半透射半反射平面鏡，33-半透半反鏡方形固定架，34-反射物。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例進(jìn)一步詳述本發(fā)明技術(shù)方案
本發(fā)明提供的一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置包括
多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)，用于定位三部相機(jī)，又可以任意調(diào)節(jié)平面內(nèi)相機(jī)的三個方向 自由度。
平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)，用于將大功率LED點(diǎn)光源的發(fā)散光束準(zhǔn)直并擴(kuò)束輸出。
所述的多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)包括由底座l、螺紋圓柱2、支撐螺母3和導(dǎo)軌橫梁4 所組成的龍門框架，如圖l。螺紋圓柱2固定于底座1上，并與支撐螺母3配合。支撐螺 母3承載導(dǎo)軌橫梁4。導(dǎo)軌橫梁4布置了可以滑動并定位緊固的3個支撐滑塊5，每個支 撐滑塊5下面都有由螺紋圓柱7和支撐螺母6組成的結(jié)構(gòu)。按圖1從左至右的順序說明， 左側(cè)滑塊5下面的螺母6支撐了一個槽型定位調(diào)整外殼15，外殼15中用螺釘固定了平行 擴(kuò)束白光光源14，位于垂直光源14的方向?qū)⒉坌驼{(diào)整定位外殼17裝配于外殼15的底部， 通過定位調(diào)整平板18和定位螺釘19將第一工位相機(jī)11安放到光源14的垂直方向，分度 旋鈕16用來調(diào)節(jié)光源14在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)角度。中間滑塊5下面的螺母6支撐槽型定位外殼 20，將第二工位相機(jī)12也固定于外殼20上，并保證相機(jī)12在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)豎直朝下。右 側(cè)滑塊5下的螺母6也支撐槽型調(diào)整定位外殼，在外殼中安放第三工位相機(jī)13,相機(jī)13 也可以通過分度旋鈕調(diào)節(jié)其在平面內(nèi)的角度。位于第二工位相機(jī)12正下方的大理石底座8 上安放一個升降調(diào)整臺9，被測工件10放置于調(diào)整臺9上。
所述的平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)由LED芯片、透鏡組和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，如圖2。此機(jī)構(gòu)保證 機(jī)械軸心與光學(xué)軸心重合，芯片和透鏡組中心位于光軸上，且芯片和透鏡組垂直光軸。將 高亮度LED芯片21放置于專用LED聚光透鏡22后側(cè)，透鏡22將LED光源21的發(fā)散角變 小，聚光透鏡22在透鏡套筒24中由定位螺釘23固定鎖緊。透鏡"25被夾持于透鏡套筒 27內(nèi)，套筒27可以在套筒24中沿軸向移動，最后由定位螺釘26鎖緊固定。透鏡套筒30 用來夾持孔徑光闌29，并且可以在套筒27中沿光軸向移動，最后由定位螺釘28定位鎖緊。 套筒30的末端夾持住透鏡L231，并通過螺釘固定于半透半反鏡的方形固定架33的側(cè)面。 半透半反鏡片32沿固定架33側(cè)面對角線方向被固定。
本發(fā)明提供的一種基于平行光照明的多目視覺檢測方法包括的步驟
71) 整體機(jī)構(gòu)定位調(diào)整
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，為保證裝置能正常工作，需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)三部相機(jī)的位置和角度。 在龍門架構(gòu)內(nèi)，如圖l，通過兩個螺柱2上的支撐螺母3的調(diào)節(jié)，將導(dǎo)軌橫梁4調(diào)節(jié)到適 當(dāng)高度，也可以配合升降臺9一起運(yùn)動?；瑒游挥跈M梁4上的3個滑塊5，調(diào)整它們在x 方向的位置，盡量保持滑塊間隔相同。每個滑塊下的螺母6都可以調(diào)節(jié)，能夠使其下面承 載部分沿y向移動。第一工位相機(jī)11可以在槽型調(diào)整定位外殼17中沿光源的垂直方向上 下調(diào)節(jié)位置，而第二工位相機(jī)12可以在槽型調(diào)整定位外殼20中沿豎直方向上下調(diào)節(jié)位置。 第一工位相機(jī)11和第三工位相機(jī)13可以通過分度旋鈕16調(diào)節(jié)角度。為了能夠得到理想 圖像效果，應(yīng)調(diào)節(jié)光源14的光軸方向與第三工位相機(jī)13的光軸方向關(guān)于被測工件10的 中心法線成對稱角度。
2) 平行擴(kuò)束光源機(jī)構(gòu)內(nèi)透鏡組位置調(diào)整
根據(jù)光束平行擴(kuò)束原理，為得到準(zhǔn)直度好的平行光，需要調(diào)整透鏡組及LED芯片的相 對位置。圖2中，芯片LED21通過前置聚光透鏡22后，光束發(fā)散角更小，沿此光束的反 方向得到一個虛交點(diǎn)，此點(diǎn)即為代表LED芯片的點(diǎn)光源。通過定位螺釘26調(diào)節(jié)透鏡套筒 27使透鏡Li到虛交點(diǎn)的距離為透鏡Li兩倍焦距處。通過定位螺釘28調(diào)節(jié)透鏡套筒30使 孔徑光圈29至透鏡Li的距離為透鏡Li兩倍焦距處。透鏡L2的位置應(yīng)距孔徑光闌29為自 身的一倍焦距處。
3) 平行擴(kuò)束光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)
高亮度LED驅(qū)動電路選擇HV9910作為主芯片，此芯片基于buck-boost恒流控制原理， 結(jié)合P麗脈寬調(diào)制精確控制方法，可實(shí)現(xiàn)對LED電流在0 1A范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證光 源光強(qiáng)的連續(xù)穩(wěn)定的變化。在系統(tǒng)運(yùn)行中，調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電路的輸入脈沖占空比，間接調(diào) 節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度，使三工位相機(jī)在相應(yīng)光強(qiáng)檔位下實(shí)時(shí)采集圖像，得到的圖像組可以為 后續(xù)模板提取、圖像差分算法提供數(shù)據(jù)。
4) 計(jì)算三個位置相機(jī)圖像的匹配參數(shù)
由于受到機(jī)械定位架的定位及調(diào)整精度的限制，在對多幅圖像差分處理前，需要首先 獲得各幅圖像的匹配參數(shù)，包括偏心位移參數(shù)、平面轉(zhuǎn)角參數(shù)及成像縮放比例參數(shù)。本發(fā) 明提出基于二維Radon算法的匹配參數(shù)判定方法，并結(jié)合相機(jī)標(biāo)定技術(shù)獲得相機(jī)外部參數(shù)， 以便多幅圖像匹配差分處理。
5) 通過圖像差分規(guī)則獲得不同差分圖像
通過步驟4能夠獲得三幅圖像的匹配參數(shù)，由此參數(shù)就可以將被測物圖像調(diào)整到其形 心與圖像尺寸中心重合，并旋轉(zhuǎn)被測橢圓形圖像長短軸分別與x、 y軸重合。將圖像匹配 好之后，再根據(jù)不同的圖像差分規(guī)則來完成對匹配后圖像的差分處理。
多目視覺檢測裝置由位于同一個平面內(nèi)、不同采集方向的三個相機(jī)和平行擴(kuò)束光源機(jī) 構(gòu)組成如圖3所示。
在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)，平行光源與相機(jī)3始終保持光軸垂直，光源光束入射角為光源光軸與水平線夾角；相機(jī)1則位于被測物正上方垂直采集被測物圖像；相機(jī)2光軸與水平線夾角 為出射角。分別調(diào)整三個相機(jī)位置使被測物的圖像進(jìn)入相機(jī)視野并位于視野中心附近，且 保證相機(jī)3的入射角與相機(jī)2的出射角相等。由于相機(jī)3與光源保持垂直關(guān)系，則光源的 光束通過45°半透半反鏡片將經(jīng)被測物反射進(jìn)入光源的光束折返進(jìn)入相機(jī)3。調(diào)整相機(jī)沿自 身法線方向的距離，從而達(dá)到調(diào)整成像大小的目的，確保視野中圖像尺寸相近，盡管相機(jī) 2和3最終得到的圖像是被測實(shí)物向光軸垂直面上的投影，即被測物表面與豎直面的相交 線段投影后會有sine比例的縮短，但在另一個垂直方向上尺寸是沒有變化的。所以可以 通過幾何量的粗略估計(jì)，調(diào)整相機(jī)的光程，最終將三幅圖像大小調(diào)整大概一致。然后利用 光源亮度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光源。選擇控制電流范圍，應(yīng)保證相機(jī) 2不曝光過度，且相機(jī)3不曝光不足，也可協(xié)調(diào)使用相機(jī)2、 3的光圈調(diào)節(jié)已達(dá)到較好的曝 光度。當(dāng)相機(jī)調(diào)整并固定位置后，在PWM控制的LED光源的不同光照強(qiáng)度下，通過由圖像 采集卡和PC機(jī)組成的采集系統(tǒng)來完成對三個位置相機(jī)圖像的同步采集。
系統(tǒng)控制流程如圖4所示。通過PC機(jī)上軟件輸出占空比參數(shù)來控制P麵調(diào)光器，使 光源的亮度在一定范圍連續(xù)可調(diào)。在每次調(diào)光系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過PC機(jī)軟件將圖像拍攝指 令傳送至圖像采集卡中，由其控制三工位相機(jī)的同一時(shí)域圖像采集。
系統(tǒng)工作流程如圖5所示。根據(jù)流程圖中所示，PC機(jī)中通過通信獲得三工位相機(jī)圖像。
假設(shè)被測對象是平面圓形，則如圖3所示，相機(jī)1中得到的圖像為直徑是0*6的圓形，e
為相機(jī)的縮放比例因子；相機(jī)2和相機(jī)3中得到的是橢圓形圖像，且長軸和短軸長度分別 為D* e禾n D* e *sin e ， 9為相機(jī)2， 3光滑與平面內(nèi)水平線夾角。通過該被測圖像輪廓特 征的分析并結(jié)合Radon算法，就可以計(jì)算出圖形的形心位置及旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)?？s放比例 因子也可以通過輪廓特征的幾何量與實(shí)物大小的比例能夠計(jì)算得到，但是考慮e角越小， 被測物各點(diǎn)成像平面是距離越大，所以會使被測物所成的像部分清晰，部分模糊。為獲得 相機(jī)精確的標(biāo)定參數(shù)，可使用標(biāo)靶，并根據(jù)標(biāo)靶上精準(zhǔn)的圖形和尺寸計(jì)算出相機(jī)對該位置 被測物的縮放比例和景深。
根據(jù)在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)LED驅(qū)動電流可以獲得不同照明亮度，在此可調(diào)節(jié)亮度 的環(huán)境中被測物在三個位置和角度的相機(jī)中成像是有很大區(qū)別的，在相機(jī)2處接收到了由 被測物光滑平面鏡面反射后得到的光源的大部分光束，其中包含了除去被測物非光滑平面 漫反射后的光束，也就是說相機(jī)2通過高灰度值顯現(xiàn)了被測物光滑平面部分，而低灰度值 顯現(xiàn)了被測物缺陷平面或者自由曲面部分，此處稱相機(jī)2得到圖像為明域圖像。相機(jī)3位 置和相機(jī)2角度對稱，所以接收到的圖像和相機(jī)2是成互補(bǔ)關(guān)系，即相機(jī)3通過高灰度顯 現(xiàn)了被測物缺陷平面或者自由曲面部分，此處稱相機(jī)3得到的圖像為暗域圖像。
為得到不同匹配差分效果，將不同亮度下相機(jī)2， 3得到圖像按照一定的準(zhǔn)則組合運(yùn) 算，組合運(yùn)算準(zhǔn)則設(shè)計(jì)如下-
1. Pixels(Rulel)=Pixels(Adding)- Pixels(750mA of Camera 2);
2. Pixels(Rule2)=Pixels( Differential)- Pixels(750mA of Camera 2)*0.15;
3. Pixels(Rule3)=Pixels(Adding)- Pixels(112mA of Camera 2)*0.58;
94. Pixels(Rule4)=Pixels(Differential)*2.4- Pixels(l 12mA of Camera 2)*0.3;
5. Pixels(Rule5)=Pixels(750mA of Camera 2)- Pixels(Differential);
6. Pixels(Rule6"Pixels(750mA of Camera 2)- Pixds(Adding)*0.5;
7. Pixels(Rule7)=Pixels(112mA of Camera 2)- Pixels(Differential)*4.5;
8. Pixels(Rule8)=Pixels(l 12mA of Camera 2)-Pixels(Adding)* 1.35;
以準(zhǔn)則1為例，該條準(zhǔn)則表示將相機(jī)2， 3圖像灰度值按照適當(dāng)?shù)钠ヅ湎禂?shù)相加后再 與750mA下相機(jī)2的灰度值相減。
應(yīng)用實(shí)施例
以帶裂紋缺陷的表面光滑的金屬圓環(huán)片為例，通過多目視覺檢測裝置獲取三個工位相 機(jī)拍攝的圖像，經(jīng)Radon算法獲取被測物輪廓信息，再經(jīng)裁減、平移、縮放和匹配等方法 處理待差分圖像。最后根據(jù)以上8條差分規(guī)則的順序處理后，得到圖6結(jié)果。由圖中可以 看出不同準(zhǔn)則得到的差分效果的完全不同，且輪廓都非常清晰可見，比單目視覺得到的圖 像包含信息量更豐富，且可以消除工件紋理的不均勻帶來的缺陷誤判。圖6中(1)、 (2) 除了裂紋缺陷突顯之外，紋理的不平滑也給結(jié)果帶來了干擾。但是在(3)、 (4)中，這種 干擾被掩蓋下去，說明這兩幅圖較前兩幅圖縮小了頻率范圍，使高頻信息低頻信息都向頻 率范圍中心壓縮，抑制了無效的紋理信息干擾。(5)和(7)邊緣信息較明顯，高頻信息 突出，低頻信息受到抑制。通過此些差分規(guī)則的組合運(yùn)算，可以得到滿足要求的圖像有效 信息，比起單目視覺圖像處理算法，自適應(yīng)性更強(qiáng)，得到的輪廓、缺陷信息更加明顯。
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權(quán)利要求
1、一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置，其特征在于它包括多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)，用于定位三部相機(jī)，并且用于調(diào)節(jié)平面內(nèi)相機(jī)的三個方向自由度；平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)，用于將大功率LED點(diǎn)光源的發(fā)散光束準(zhǔn)直并擴(kuò)束輸出。
2、 按照權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于所述的多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)包括: 底座、螺紋圓柱、支撐螺母和導(dǎo)軌橫梁所組成的龍門框架，第一螺紋圓柱固定于底座上， 并與第一支撐螺母配合；第一支撐螺母承載導(dǎo)軌橫梁，導(dǎo)軌橫梁有可以滑動并定位緊固的 第一支撐滑塊、第二支撐滑塊和第三支撐滑塊，每個支撐滑塊下面有由第二螺紋圓柱和第 二支撐螺母組成的結(jié)構(gòu)，左側(cè)第一滑塊下面的第二支撐螺母支撐第一個槽型定位調(diào)整外 殼，第一個槽型定位調(diào)整外殼中用螺釘固定有平行擴(kuò)束白光光源，位于垂直平行擴(kuò)束白光 光源的方向?qū)⒌诙坌驼{(diào)整定位外殼裝配于第一槽型調(diào)整定位外殼的底部，通過定位調(diào)整 平板和定位螺釘將第一工位相機(jī)安放到第一光源的垂直方向，分度旋鈕用來調(diào)節(jié)平行擴(kuò)束 白光光源在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)角度，中間第二滑塊下面的第二支撐螺母支撐第二槽型定位外殼， 將第二工位相機(jī)也固定于槽型定位外殼上，并保證第二工位相機(jī)在機(jī)構(gòu)平面內(nèi)豎直朝下， 右側(cè)第三滑塊下的第二支撐螺母也支撐第三槽型調(diào)整定位外殼，在支撐第三槽型調(diào)整定位 外殼中安放第三工位相機(jī)，第三工位相機(jī)通過分度旋鈕調(diào)節(jié)其在平面內(nèi)的角度；位于第二 工位相機(jī)12正下方的大理石底座上安放一個升降調(diào)整臺，被測工件放置于升降調(diào)整臺上。
3、 按照權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于所述的平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)由LED芯 片、透鏡組和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，此機(jī)構(gòu)保證機(jī)械軸心與光學(xué)軸心重合，芯片和透鏡組中心位 于光軸上，且芯片和透鏡組垂直光軸；高亮度LED芯片放置于專用LED聚光透鏡后側(cè)，聚 光透鏡將LED光源的發(fā)散角變小，聚光透鏡在第一透鏡套筒中由定位螺釘固定鎖緊，透鏡 U被夾持于第二透鏡套筒內(nèi)，第二套筒可以在第一透鏡套筒中沿軸向移動，最后由定位螺 釘鎖緊固定；第三透鏡套筒用來夾持孔徑光闌，并且在第二透鏡套筒中沿光軸向移動，最 后由定位螺釘定位鎖緊；第三透鏡套筒的末端夾持住透鏡L2，并通過螺釘固定于半透半反 鏡的方形固定架的側(cè)面，半透半反鏡片沿固定架側(cè)面對角線方向被固定。
4、 一種基于平行光照明的多目視覺檢測方法，其特征在于包括的步驟-1)整體機(jī)構(gòu)定位調(diào)整，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)三部相機(jī)的位置和角度在龍門架構(gòu)內(nèi)，通過兩個螺柱上的支撐螺母的調(diào)節(jié)，將導(dǎo)軌橫梁調(diào)節(jié)到適當(dāng)高度，并 且配合升降臺一起運(yùn)動，滑動位于橫梁上的三個滑塊，調(diào)整它們在x方向的位置，盡量保 持滑塊間隔相同；調(diào)節(jié)每個滑塊下的螺母，使滑塊下面承載部分沿y向移動，第一工位相 機(jī)在槽型調(diào)整定位外殼中沿光源的垂直方向上下調(diào)節(jié)位置，而第二工位相機(jī)在槽型調(diào)整定 位外殼中沿豎直方向上下調(diào)節(jié)位置，第一工位相機(jī)和第三工位相機(jī)通過分度旋鈕調(diào)節(jié)角 度，調(diào)節(jié)光源的光軸方向與第三工位相機(jī)的光軸方向關(guān)于被測工件的中心法線成對稱角度；2)平行擴(kuò)束光源機(jī)構(gòu)內(nèi)透鏡組位置調(diào)整調(diào)整透鏡組及LED芯片的相對位置，使芯片LED通過前置聚光透鏡后，光束發(fā)散角更 小，沿此光束的反方向得到一個虛交點(diǎn)，此點(diǎn)即為代表LED芯片的點(diǎn)光源；通過定位螺釘 調(diào)節(jié)透鏡套筒使透鏡U到虛交點(diǎn)的距離為透鏡Li兩倍焦距處，通過定位螺釘調(diào)節(jié)透鏡套 筒使孔徑光圈至透鏡Li的距離為透鏡Li兩倍焦距處，透鏡L2的位置應(yīng)距孔徑光闌為自身 的一倍焦距處；3) 平行擴(kuò)束光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)高亮度LED驅(qū)動電路選擇HV9910作為主芯片，結(jié)合PWM脈寬調(diào)制精確控制方法，實(shí)現(xiàn) 對LED電流在0 1A范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證光源光強(qiáng)的連續(xù)穩(wěn)定的變化；調(diào)節(jié)LED驅(qū)動 電路的輸入脈沖占空比，間接調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度，使三工位相機(jī)在相應(yīng)光強(qiáng)檔位下實(shí)時(shí) 采集圖像，得到的圖像組為后續(xù)模板提取、圖像差分算法提供數(shù)據(jù)；4) 計(jì)算三個位置相機(jī)圖像的匹配參數(shù)在對多幅圖像差分處理前，首先獲得各幅圖像的匹配參數(shù)，包括偏心位移參數(shù)、平面 轉(zhuǎn)角參數(shù)及成像縮放比例參數(shù)，應(yīng)用二維Radon算法的匹配參數(shù)判定方法，并結(jié)合相機(jī)標(biāo) 定技術(shù)獲得相機(jī)外部參數(shù)，以便多幅圖像匹配差分處理；5) 通過圖像差分規(guī)則獲得不同差分圖像通過步驟4能夠獲得三幅圖像的匹配參數(shù)，由此參數(shù)就將被測物圖像調(diào)整到其形心與 圖像尺寸中心重合，并旋轉(zhuǎn)被測橢圓形圖像長短軸分別與x、 y軸重合，將圖像匹配好之 后，再根據(jù)不同的圖像差分規(guī)則來完成對匹配后圖像的差分處理；將不同亮度下第一工位和第二工位相機(jī)得到圖像按照準(zhǔn)則組合運(yùn)算，組合運(yùn)算準(zhǔn)則設(shè)計(jì)如下(1) Pixels(Rulel)=Pixels(Adding)- Pixels(750mA of Camera 2);(2) Pixels(Rule2)=Pixels(Differential)- Pixels(750mA of Camera 2)*0.15;(3) Pixels(Rule3)=Pixels(Adding)- Pixels(l 12mA of Camera 2)*0.58;(4) Pixels(Rule4)=Pixels(Differential)*2.4- Pixels(112mA of Camera 2)*0.3; (5 ) Pixels(Rule5)=Pixels(750mA of Camera 2)- Pixels(Differential);(6) Pixels(Rule6)=Pixels(750mA of Camera 2)- Pixels(Adding)*0.5;(7) Pixels(Rule7)=Pixels( 112mA of Camera 2)- Pixels(Differential)*4.5; (8 ) Pixels(Rule8)=Pixels(l 12mA of Camera 2)- Pixels(Adding)* 1.35 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于平行光照明的多目視覺檢測裝置及方法，屬于智能機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域。所述測量裝置包括多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)、平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)。多自由度調(diào)整定位機(jī)構(gòu)主要由底座、螺紋圓柱、支撐螺母和導(dǎo)軌橫梁所組成的龍門框架，并在其中安裝固定存在角度關(guān)系三個工位相機(jī)及平行擴(kuò)束光源。平行擴(kuò)束光學(xué)機(jī)構(gòu)主要由LED芯片、透鏡組和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，目的將LED點(diǎn)光源的發(fā)散光束準(zhǔn)直并擴(kuò)束輸出。測量方法包括整體機(jī)構(gòu)定位調(diào)整；平行擴(kuò)束光源機(jī)構(gòu)內(nèi)透鏡組位置調(diào)整；平行擴(kuò)束光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)；計(jì)算三個位置相機(jī)圖像的匹配參數(shù)；通過圖像差分規(guī)則獲得不同差分圖像。本發(fā)明裝置具有性能可靠，檢測過程自動化程度高，抗共模干擾能力較強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)，為在線生產(chǎn)檢測提供穩(wěn)定可靠的檢測與測量方法。
文檔編號G01B11/00GK101660894SQ20091007042
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者曲興華, 陽 趙 申請人:天津大學(xué)