面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法
2023-07-26 18:25:26
面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，利用相機標定方法從而得到相機的內外參數；對工件模塊匹配的過程中結合自適應閾值分割提取工件的有效幾何特徵，實現了對一個批次工件有效匹配，最後對匹配工件待測圓和線段進行擬合併結合相機的內外參數計算出工件的幾何參數。不需接觸工件本身，能自動實現對匹配工件的尺寸測量，大大提高了工件測量速度，保證了工業現場對大量工件進行實時的測量。
【專利說明】面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種測量方法，特別涉及一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測 量方法。
【背景技術】
[0002] 當前在製造業，機械加工等行業中，需要測量金屬工件的尺寸，以掌握元件製造過 程中的尺寸參數，用於對工件出廠時的質量控制。但是目前在行業中大多是採用人工測量 工件尺寸的方式，由於每個批次工件數量很大同時需要在較短時間內完成尺寸的測量工 作，就需要大量的人員，這將給全部工件的尺寸測量帶來很大困難，尤其是測量人員由於自 身的主觀因素，所測量的工件尺寸誤差較大。因此，迫切需要一種方法提高工業生產的柔性 和自動化程度，實現對工件尺寸參數的自動測量。
[0003] 要實現無接觸的工件尺寸，需要引入機器視覺技術進行測量，方法包括相機的標 定方法、工件模塊匹配方法，圖形圓和線段的擬合方法，首先利用張正友相機標定方法從而 得到相機的內外參數；接著使用模板匹配的方法提取工件的有效幾何特徵作為匹配模板， 實現了對一個批次工件有效匹配，最後對匹配工件待測圓和線段進行擬合併結合相機的內 外參數計算出工件的幾何參數。
[0004] 綜上所示該發明的有益效果是不需接觸工件本身，能自動實現對匹配工件的尺寸 測量，大大提高了工件測量速度，保證了工業現場對大量工件進行實時的測量。
【發明內容】
[0005] 本發明是針對傳統手工測量耗費時間長，對於工業現場環境複雜，其他方法不適 用於此應用場合的問題，提出了一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，實現 了對一個批次工件有效匹配，克服現在工件測量存在的問題。
[0006] 本發明的技術方案為：一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，具體 包括如下步驟： 1) 對標準棋盤圖拍攝不同位置圖片，用此圖片來計算並獲取相機坐標系相對於世界坐 標系的旋轉矩陣和平移向量即相機內外參數，並用圖片中像素點間距離映射到標準棋盤圖 的實際尺寸上來矯正鏡頭畸變對測量造成的影響； 2) 選用一個標準的工件作為工件匹配模板圖像，對其提取相關圓和線段的特徵作為模 板； 3)對需要檢測的工件進行拍攝，拍攝到的圖片用sobel算子對圖像進行預處理； 4)將步驟3)進行預處理後的圖像每個點方向向量和步驟2)所得的標準工件匹配模板 圖像的方向向量的進行相似度判斷，判斷是否是同一工件，若不是同一工件，則丟棄重新獲 取圖圖像；若是同一工件，則對工件的中的圓孔和邊緣寬度進行擬合； 5)對於工件圖像上的圓孔可獲取圓的圓心坐標和半徑的像素值，對於工件圖像上的線 段可獲取工件寬度的像素值，最後使用步驟1)所得相機內外參數將得到的像素測量值轉化 為公制單位，獲取測量參數輸出。
[0007] 所述步驟1)中相機內外參數計算步驟如下： 1) 在測量視野下對標準棋盤圖拍攝多於三張不同位置的圖片，對於一張圖片每個點表 示為m= [u,Vp,對於一個實際的三維空間的點表示為μ=pc,YiZIt ,在攝像機被簡化 為一個針孔模型後，一個三維點M和它投影到圖像上點之間關係可表示為：
【權利要求】
1. 一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，其特徵在於，具體包括如下步 驟： 1) 對標準棋盤圖拍攝不同位置圖片，用此圖片來計算並獲取相機坐標系相對於世界坐 標系的旋轉矩陣和平移向量即相機內外參數，並用圖片中像素點間距離映射到標準棋盤圖 的實際尺寸上來矯正鏡頭畸變對測量造成的影響； 2) 選用一個標準的工件作為工件匹配模板圖像，對其提取相關圓和線段的特徵作為模 板； 3)對需要檢測的工件進行拍攝，拍攝到的圖片用sobel算子對圖像進行預處理； 4)將步驟3)進行預處理後的圖像每個點方向向量和步驟2)所得的標準工件匹配模板 圖像的方向向量的進行相似度判斷，判斷是否是同一工件，若不是同一工件，則丟棄重新獲 取圖圖像；若是同一工件，則對工件的中的圓孔和邊緣寬度進行擬合； 5) 對於工件圖像上的圓孔可獲取圓的圓心坐標和半徑的像素值，對於工件圖像上的線 段可獲取工件寬度的像素值，最後使用步驟1)所得相機內外參數將得到的像素測量值轉化 為公制單位，獲取測量參數輸出。
2. 根據權利要求1所述面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，其特徵在於， 所述步驟1)中相機內外參數計算步驟如下： 1)在測量視野下對標準棋盤圖拍攝多於三張不同位置的圖片，對於一張圖片每個點表 示為m= [u,<|τ,對於一個實際的三維空間的點表示為M= [X,Y,ZjT ,在攝像機被簡化 為一個針孔模型後，一個三維點M和它投影到圖像上點之間關係可表示為：
其中，S是任意標準矢量，[R,t]是外部參數，即世界坐標系與攝像機坐標系的旋轉及 平移關係，其中R表示旋轉關係，t表示平移關係；圖片的增廣矩陣m=fu,ViIL三維空間 點的增廣矩陣M=PC,Υ,Ζ, 1』，設測量參數在一個平面內則可認為Z=ο;A矩陣是相機內 參，
其中(UcmVc^是坐標系上的原點，Cf和β是圖像上u和V坐標軸的標 準矢量，Y表示兩坐標軸世界坐標系與攝像機坐標系的垂直度，將參數帶入一個三維點M和 它投影到圖像上點之間關係可得到：
其中，A是相機內參矩陣，M簡化為[χ,γ,ι]τ即標定板平面上的齊次坐標， m= [u,v,l]為標定板平面上的點投影到圖像平面上對應點的齊次坐標，IrjjT2lT3Ptit 分別是相機坐標系相對於世界坐標系的旋轉矩陣和平移向量； 2) 由步驟1)得到一個3*3矩陣H= 可將H矩陣改寫為列向量形式，其 中μ是縮放因子即s的倒數：
利用映射矩陣可以得到內參A的約束條件：
利用約束條件可以線性求解內參數A; 3) 最後利用A和映射矩陣H計算每幅圖像相對於平面模板的外參數旋轉矩陣R和平 移向量t:
3.根據權利要求1或2所述面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，其特徵在 於，所述步驟4)相似度判斷步驟： 1)將工件局部特徵作為模板並由此定義點集Pi = 和每個點關聯的方向向 量4 = i= 1,...,η，方向向量可以通過Sobel邊緣提取算子濾波得到,然後對 模板進行仿射變換，將模板中心位置移動到圖像的原點；接著對其他圖像使用模板進行形 狀匹配,將搜索圖轉換為圖像中每個點q=Cr,(〇計算出一個方向向量e" = (VmZIVm)T ，計算變換後模板所有點的方向向量與圖像中相應點處的方向向量的點積的總和，並以此 作為匹配分數這也就是變換後模板在點q處的相似度量，計算這個相似度度量的公式如 下，當S大於0. 8時就認為是同一工件：
4、根據權利要求3所述面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，其特徵在於， 所述步驟4)中直線距離擬合：圖像中肓線表示法用肓線的黑塞範式，表示為：
參數是齊次的,參數被定義到a2 +b2 = 1比例因子中，某點到直線的距離 能通過將該點的坐標直接帶入等式得到， 將所有點到這條直線的距離的平方和進行最小化處理，同時加入約 數條件a2 +b2 = +1作為拉格朗日乘子，利用下面公式將誤差最小化：
所述步驟4)中圓擬合： 將圓輪廓上的所有點到擬合圓的平方距離進行連加求和，使求得的總和最小化，
式中，是圓心，p是圓的半徑。
【文檔編號】G01B11/00GK104457577SQ201410794791
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月19日 優先權日:2014年12月19日
【發明者】王珩, 李志一, 沈彥, 餘芸 申請人:上海工業自動化儀表研究院