專利名稱：小工件視覺測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小工件視覺測量方法及測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機器視覺是一個相當新且發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域，是計算機科學重要的研究領(lǐng)域之一；機器視覺由于與被觀測的對象無接觸，因此對觀測者與被觀測對象都不會產(chǎn)生任何損傷。激光具有方向性好、高亮度等特點，利用激光做光源來獲取結(jié)構(gòu)光的主動視覺檢測，被稱為激光視覺檢測技術(shù)。激光三角法是激光視覺檢測技術(shù)的基礎(chǔ)，是非接觸光學測量的重要形式，并且作為一種非接觸測量手段已經(jīng)越來越引起人們的重視。激光三角法一般應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，對工業(yè)生產(chǎn)線上的工件表面二維、三維結(jié)構(gòu)信息的獲取或加工進行精確定位；具體地，激光三角法測距主要用于以下檢測位移檢測(包括距離測量、厚度檢測、液位檢測等方面)、表面檢測(出其表面的起伏或整體的傾斜角度)、形貌檢測(如工業(yè)上檢測汽車的車體、零件，生物醫(yī)學上獲取表面三維結(jié)構(gòu)信息，在地理方面上繪制立體地圖等)。但是現(xiàn)有的激光三角法很難獲得工件的高度信息。針對復雜小工件有多個測量尺寸且分布在不同高度上的特點，采用傳統(tǒng)的二維視覺測量方法很難獲得工件的高度信息，由于傳統(tǒng)的接觸式測量容易損傷工件表面和改變工件的相對位置，且由于測量結(jié)果往往會因檢驗者讀數(shù)方式及測量方法的不同而不準確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種小工件視覺測量方法及測量系統(tǒng)，通過采用非接觸式測量提高對小工件測量的準確性。本發(fā)明實施例提供一種小工件視覺測量方法，包括在被測工件的高度范圍內(nèi)，利用線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光對被測工件所在的測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到所述測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)；利用所述測量系統(tǒng)中的圓形靶標在每一分層高度對所述測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到所述測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；將所述平面標定參數(shù)與所述高度標定參數(shù)進行擬合，建立所述平面標定參數(shù)和所述聞度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；利用激光三角法測量所述被測工件的臺階面的高度；通過所述被測工件的臺階面的高度、所述被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和所述對應(yīng)關(guān)系獲取所述被測工件的測量參數(shù)。本發(fā)明實施例還提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)上述技術(shù)方案的小工件視覺測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器、攝像機、升降臺、圖像采集卡、計算機；其中，在被測工件的高度范圍內(nèi)，所述攝像機用于獲取所述線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光的多幅光條圖像和所述圓形祀標的多幅祀標圖像；所述計算機根據(jù)所述光條圖像對所述測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到所述測量系統(tǒng)的聞度標定參數(shù)；所述計算機利用所述多幅靶標圖像在每一分層高度對所述測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到所述測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；將所述平面標定參數(shù)與所述高度標定參數(shù)進行擬合，建立所述平面標定參數(shù)和所述高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系;所述計算機利用激光三角法測量所述被測工件的臺階面的高度；通過所述被測工件的臺階面的高度和所述對應(yīng)關(guān)系獲取所述被測工件的測量參數(shù)。本發(fā)明提供的小工件視覺測量方法及測量系統(tǒng)，通過在被測工件的高度范圍內(nèi)對測量系統(tǒng)進行高度分層標定和平面二維尺寸標定，建立了平面標定參數(shù)和高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；用激光三角法測量被測工件各平面的高度，得到被測工件的各平面處的測量參數(shù)，從而完成了對被測工件的不同高度平面幾何尺寸的測量，由于對測量系統(tǒng)進行統(tǒng)一的
標定后再對被測工件進行尺寸測量，因此提高了對被測工件測量的準確性。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例所適用的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例所采用的圓形靶標的示意圖；圖3為本發(fā)明小工件視覺測量方法一個實施例的流程示意圖；圖4為本發(fā)明小工件視覺測量方法又一個實施例的流程示意圖；圖5為圖4所示實施例中在第I層光條圖像的示意圖；圖6為圖4所示實施例中在第2層光條圖像的示意圖；圖7為圖4所示實施例中在第20層光條圖像的示意圖；圖8為圖4所示實施例在測量階梯狀工件時的光條中心的圖像示意圖；圖9為圖4所示實施例進行誤差分析所采用的靶標圖像的示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。圖I為本發(fā)明實施例所適用的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明實施例所采用的圓形靶標的示意圖；如圖I所示，測量系統(tǒng)10包括實驗臺11、升降臺12、光源13、線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器14、攝像機15、計算機16。其中，線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器14和攝像機(具體可以為C⑶相機)15以及光源13共同用于采集光條圖像及被測物圖像，將采集的圖像發(fā)送到計算機16，計算機16對測量系統(tǒng)進行標定并對被測工件進行幾何參數(shù)的測量，最后由相應(yīng)的輸出設(shè)備輸出測量結(jié)果。由于本發(fā)明實施例采用了一個攝像機，因此實現(xiàn)了單鏡頭對三維空間中的工件進行尺寸測量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，用于攝像機參數(shù)標定的靶標根據(jù)具體需要設(shè)置在測量系統(tǒng)10中(圖I中未示出)，進一步地，靶標可以設(shè)置在升降臺12的上表面上；如圖2所示，靶標具有以下兩個基本條件①靶標特征點的相對位置關(guān)系已知圖像特征點的坐標容易求取。靶標可以根據(jù)實際圖像測量系統(tǒng)的視場大小具體設(shè)計，因此本發(fā)明實施例對靶標的大小和形狀并未做限制。本發(fā)明實施例具體測量系統(tǒng)采用圓形靶標上的特征點的直徑為2mm，兩相鄰特征點的圓心距為2. 5mm。圖3為本發(fā)明小工件視覺測量方法一個實施例的流程示意圖；如圖3所示，本發(fā)明實施例具體包括如下步驟步驟301、在被測工件的高度范圍內(nèi)，利用線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光對被測工件所在的測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)；步驟302、利用測量系統(tǒng)中的圓形靶標在每一分層高度對測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；步驟303、將平面標定參數(shù)與高度標定參數(shù)進行擬合，建立平面標定參數(shù)和所述高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；步驟304、利用激光三角法測量被測工件的臺階面的高度；步驟305、通過被測工件的臺階面的高度、該被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和對應(yīng)關(guān)系獲取被測工件的測量參數(shù)。本發(fā)明實施例提供的小工件視覺測量方法，通過在被測工件的高度范圍內(nèi)對測量系統(tǒng)進行高度分層標定和平面二維尺寸標定，建立了平面標定參數(shù)和高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；用激光三角法測量被測工件各平面的高度，得到被測工件的各平面處的測量參數(shù)，從而完成了對被測工件的不同高度平面幾何尺寸的測量，由于對測量系統(tǒng)進行統(tǒng)一的標定后再對被測工件進行尺寸測量，因此提高了對被測工件測量的準確性。圖4為本發(fā)明小工件視覺測量方法又一個實施例的流程示意圖，圖5為圖4所示實施例中在第I層光條圖像的示意圖，圖6為圖4所示實施例中在第2層光條圖像的示意圖，圖7為圖4所示實施例中在第20層光條圖像的示意圖，圖8為圖4所示實施例在測量階梯狀工件時的光條中心的圖像示意圖，本發(fā)明實施例可以結(jié)合圖I所示實施例的結(jié)構(gòu)圖進行描述；如圖4所示，本發(fā)明實施例包括如下步驟步驟401、在被測工件的高度范圍內(nèi)，從測量系統(tǒng)的基準高度開始控制測量系統(tǒng)中的升降臺垂直移動；步驟402、在升降臺的垂直移動過程中，利用攝像機拍攝被測工件在每一分層高度上的光條圖像，光條圖像為測量系統(tǒng)中的線結(jié)構(gòu)光激光器生成的線結(jié)構(gòu)光形成的圖像；步驟403、在每幅光條圖像上提取線結(jié)構(gòu)光的光條中心，得到多條線結(jié)構(gòu)光在圖像坐標系中的多條直線方程；步驟404、采用最小二乘法擬合多條直線方程和升降臺的移動高度對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系;步驟405、根據(jù)函數(shù)關(guān)系獲取測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)；步驟406、在測量系統(tǒng)的每一分層高度上，利用測量系統(tǒng)中的圓形靶標進行線形標定和非線性標定，得到每一分層高度對應(yīng)的線性標定參數(shù)和非線性標定參數(shù)；
步驟407、根據(jù)線性標定參數(shù)和非線性標定參數(shù)對測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；步驟408、將平面標定參數(shù)與高度標定參數(shù)進行擬合，建立平面標定參數(shù)和所述高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；步驟409、利用激光三角法測量該被測工件的臺階面的高度；步驟410、通過被測工件的臺階面的高度、該被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和對應(yīng)關(guān)系獲取被測工件的測量參數(shù)。在上述步驟401 步驟405中，在被測工件的高度范圍內(nèi)，測量系統(tǒng)從基準高度h0開始，對每個標定面，用攝像機拍攝由線結(jié)構(gòu)光生成器生成的線結(jié)構(gòu)光的光條圖像；提取光條圖像的光條中心，得到每條線結(jié)構(gòu)光在圖像坐標系中的光條中心的直線方程，記為y=kiX+bi，由于升降臺的上升是垂直移動，所以升降臺的載物面始終保持水平，所以直線方
程y=kiX+bi中斜率k值保持不變，截距值b隨高度的升高而變化，因此在圖像坐標系中可以得到如圖5 圖7所示的第I層光條圖像、第2層光條圖像、第20層光條圖像的圖像，當然圖5 圖7僅作示例性說明而不能形成對本發(fā)明實施例的限制；本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明實施例中還存在第3層光條圖像 第19條光條圖像，本發(fā)明實施例僅通過圖5 圖7進行示例性說明光條圖像的不同位置。對截距值b和高度h的數(shù)據(jù)進行分析，可以得到h與b的函數(shù)關(guān)系h=f (b)。通過實驗得到的截距值b和高度h的數(shù)據(jù)表I所示。表I高度標定數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種小工件視覺測量方法，其特征在于，包括 在被測工件的高度范圍內(nèi)，利用線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光對被測工件所在的測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到所述測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)； 利用所述測量系統(tǒng)中的圓形靶標在每一分層高度對所述測量系統(tǒng)的進行平面二維尺寸標定，得到所述測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)； 將所述平面標定參數(shù)與所述高度標定參數(shù)進行擬合，建立所述平面標定參數(shù)和所述高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系； 利用激光三角法測量所述被測工件的臺階面的高度； 通過所述被測工件的臺階面的高度、所述被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和所述對應(yīng)關(guān)系獲取所述被測工件的測量參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述利用線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光對所述被測工件所在的測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到所述測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)的步驟包括 從所述測量系統(tǒng)的基準高度開始控制所述測量系統(tǒng)中的升降臺垂直移動； 在所述升降臺的垂直移動過程中，利用攝像機拍攝所述被測工件在每一分層高度上的光條圖像，所述光條圖像為所述測量系統(tǒng)中的線結(jié)構(gòu)光激光器生成的線結(jié)構(gòu)光形成的圖像； 在每幅所述光條圖像上提取所述線結(jié)構(gòu)光的光條中心，得到多條線結(jié)構(gòu)光在圖像坐標系中的多條直線方程； 采用最小二乘法擬合所述多條直線方程和所述升降臺的移動高度對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系； 根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系獲取所述測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述最小二乘法擬合為最小二乘一次擬合。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3任一所述的方法，其特征在于，所述利用所述測量系統(tǒng)中的圓形靶標在每一分層高度對所述測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到所述測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)的步驟包括 在所述測量系統(tǒng)的每一分層高度上，利用所述測量系統(tǒng)中的圓形靶標進行線形標定和非線性標定，得到每一分層高度對應(yīng)的線性標定參數(shù)和非線性標定參數(shù)； 根據(jù)所述線性標定參數(shù)和所述非線性標定參數(shù)對所述測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述測量系統(tǒng)中的圓形靶標進行線形標定和非線性標定，得到每一分層高度對應(yīng)的線性標定參數(shù)和非線性標定參數(shù)參數(shù)的步驟包括 在每一分層高度上，通過所述攝像機采集所述圓形靶標的靶標圖像，所述靶標圖像上設(shè)置有多個特征點； 提取所述靶標圖像上的所有特征點的實際點中心坐標； 根據(jù)所述靶標圖像的中心區(qū)域的特征點進行線性標定，得到線性標定參數(shù)； 根據(jù)所述線性標定參數(shù)和所述靶標圖像上的所有特征點的點中心坐標獲取非線性標定參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述非線性標定參數(shù)包括所述攝像機的徑向畸變參數(shù)、偏心畸變參數(shù)、薄透鏡畸變參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述線性標定參數(shù)和所述靶標圖像上的所有特征點的點中心坐標獲取非線性標定參數(shù)的步驟包括 通過所述線性標定參數(shù)和所述圓形靶標的所有特征點的實際點中心坐標，計算所述靶標圖像上的所有特征點的理想圖像坐標點； 將所有特征點的理想圖像坐標點與所有特征點的實際圖像坐標點用最小二乘法求解非線性標定參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 在所述測量系統(tǒng)的每一分層高度上，獲取所述圓形靶標上的特征點的圓心距； 根據(jù)所述圓心距確定所述測量系統(tǒng)的標定誤差。
9.一種能夠?qū)崿F(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的小工件視覺測量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器、攝像機、升降臺、計算機；其中， 在被測工件的高度范圍內(nèi)，所述攝像機用于獲取所述線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光的多幅光條圖像和所述圓形靶標的多幅靶標圖像； 所述計算機根據(jù)所述光條圖像對所述測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到所述測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)； 所述計算機利用所述多幅靶標圖像在每一分層高度對所述測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到所述測量系統(tǒng)在每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；將所述平面標定參數(shù)與所述高度標定參數(shù)進行擬合，建立所述平面標定參數(shù)和所述高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系； 所述計算機利用激光三角法測量所述被測工件的臺階面的高度；通過所述被測工件的臺階面的高度、所述被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和所述對應(yīng)關(guān)系獲取所述被測工件的測量參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機還用于在所述測量系統(tǒng)的每一分層高度上，獲取所述圓形靶標上的特征點的圓心距；根據(jù)所述圓心距確定所述測量系統(tǒng)的標定誤差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小工件視覺測量方法及測量系統(tǒng)，其中方法包括在被測工件的高度范圍內(nèi)，利用線結(jié)構(gòu)光發(fā)生器生成的線結(jié)構(gòu)光對被測工件所在的測量系統(tǒng)進行高度分層標定，得到測量系統(tǒng)的高度標定參數(shù)；利用測量系統(tǒng)中的圓形靶標在每一分層高度對測量系統(tǒng)進行平面二維尺寸標定，得到每一分層高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)；將平面標定參數(shù)與高度標定參數(shù)進行擬合，建立平面標定參數(shù)和高度標定參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；利用激光三角法測量被測工件的臺階面的高度；通過被測工件的臺階面的高度、該被測工件的臺階面的高度對應(yīng)的平面標定參數(shù)和對應(yīng)關(guān)系獲取被測工件的測量參數(shù)。本發(fā)明可以實現(xiàn)對被測工件的不同高度平面幾何尺寸的測量，并提高被測工件測量的準確性。
文檔編號G01B11/00GK102818523SQ20121026212
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者燕必希, 劉力雙, 鄧文怡, 祝連慶, 宗敏 申請人:北京信息科技大學