光電測寬儀動態測量位置校正方法
2024-03-22 11:09:05
專利名稱：光電測寬儀動態測量位置校正方法
技術領域：
本發明涉及一種光電探測技術，具體地說，是關於在線檢測技術。
背景技術：
帶鋼在線測寬主要採用成像測量的原理，可以用共軸理想光學系統來描述成像關係，如圖1所示，被測物保持物面位置和像面位置共軛，並垂直於光軸(在誤差允許範圍內)，是成像測量的基本條件。如果被測物偏離物面時(像面保持不變)，物像的共軛點約束關係被破壞，象的清晰度也受到影響，而當被測物不垂直光軸OO』時，物象的幾何相似性沒有反映實際的比例關係，這些因素都會導致測量誤差的產生。
帶鋼在線測寬儀一般放置在終軋出口，進行成品檢測，由於終軋出口有立棍夾住，帶鋼可以滿足成像測量的要求。為實現帶鋼軋制全過程自動控制，需要在軋制過程中進行寬度檢測，而這時帶鋼運動的自由度增大，會產生較大的跳動和傾斜，破壞了成像測量的基本條件，給測量造成較大的誤差，帶鋼在軋制過程中的運動特性如圖2所示。在帶鋼軋制過程中實現測寬的技術關鍵，是使測寬儀克服帶鋼跳動和傾斜對測量的影響，進一步提高測寬儀的動態適應能力和檢測精度。
發明內容
綜上所述，測寬儀亟待解決動態檢測適應能力問題，以便為實現帶鋼軋制全過程自動控制創造條件。克服帶鋼軸向跳動和傾斜對測量的影響是解決這一問題的技術關鍵，而使測寬儀具有沿光軸方向對被測物位置的識別能力，以便對軸向跳動和傾斜產生的測量誤差進行校正，是解決這一問題的有效技術途經。因此，本發明的目的是提供一種光電測寬儀動態測量位置的校正方法。
本發明的技術方案如下根據本發明的一種光電測寬儀動態測量的位置校正方法，其步驟包括a.利用兩組線列陣攝像機建立同時測量帶鋼二邊緣的距離信息，構成測寬、測距合一的測量裝置；b.利用實驗模式對攝像機定標，獲得圖像數據和尺度的關係，建立尺寸定標數據表；c.以校正模型構建獲得目標軸向跳動校正關係，建立距離校正運算表；d.以校正模式構建獲得目標傾斜校正關係式，建立傾斜校正運算表；以及e.建立由模擬信號處理電路、數據採集電路和計算機依次聯結構成的信息處理系統，由模擬信號處理電路提供驅動時序和同步信號，以及提取可進行數字處理的目標信號；在計算機中建立包括接受目標數位訊號輸入，以及完成寬度和校正運算的尺寸定標數據表、距離校正運算表和傾斜校正運算表所構成的信息處理功能模塊。
進一步，所述兩組線列陣攝像機的光軸平行、且其探測器在一直線上排列，光學參數基本一致，公共視場為測量有效視場，光軸間距、探測器解析度是影響軸向位置測量精度的主要因素；在實驗室用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標器，進行攝像機定標試驗，獲得圖像數據和尺度關係；用實驗模擬的方法，獲得校正測試數據，用最小二乘法建立軸向跳動和傾斜的校正關係式。
從上所述，本發明方法的優點是1、可從兩組CCD線列陣攝像機獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向對被測物位置的識別能力；2、以實驗模式對攝像機定標，建立尺寸定標數據表和以校正模型建立對目標軸向跳動和傾斜的校正關係式，使在動態測量時，根據位置信息，能實時校正測量誤差。
圖1是共軸理想光學系統成像測量原理圖。
圖2是帶鋼運動特性示意圖。
圖3是探測系統測量原理圖。
圖4是測寬儀信息處理系統框圖。
圖5是測寬儀信息處理流程圖。
具體實施例方式下面根據圖3～圖5給出本發明一個較好實施例，並予以詳細描述，使能更好地說明本發明的技術特徵和功能特色，但不是用來限定本發明的範圍。
請參閱圖3，本發明的探測系統由二組CCD攝像機構成，每組攝像機由光學系統和線列陣CCD器件組成。帶鋼寬度測量採用被動式成像測量法，由二組攝像機分別獲取帶鋼邊緣的圖像，經運算得到寬度值。根據雙目視覺方法的測距原理，二組攝像機可以同時測得帶鋼二邊緣的距離信息，從而組成測寬、測距合一的測量系統，實現在線測寬的動態校正，如圖3所示設定CCD攝像機1、2的光軸的間距為b，帶鋼邊緣點P1在攝像機1的成像位置為d1、在攝像機2的成像位置為d2，點P1距攝像機2光軸為L1，攝像機1、2的像距為L0，β為攝像機垂軸放大倍數，根據幾何光學的相似性原理可以得到P1點的軸向距離Z1=bL0d1-d2---(1)]]>帶鋼邊緣點P2在攝像機1的成像位置為d3、在攝像機2的成像位置為d4，同理可以得到P2點的軸向距離Z2=bL0d4-d3---(2)]]>b稱為基線長度，L0為攝像機內部參數，(d1-d2)、(d4-d3)為視差。根據成像測量原理，可以得到帶鋼寬度W=d1+d4+b---(3)]]>本發明的特點是採用本發明的方法後，探測系統能克服帶鋼軸向跳動和傾斜對測量的影響，動態適應能力有了顯著提高。
本發明採用從探測器獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向對被測物位置的識別能力，組成測寬、測距合一的測量系統。
在本實施例中，兩組線列陣攝像機1、2的光軸平行、探測器11，22在一條直線上排列，光學參數基本一致(光學焦距，F數)，公共視場為測量有效視場(兩攝像機有效視場的重疊部分)，光軸間距、探測器解析度是影響軸向位置測量精度的主要因素，根據式(1)、(2)，軸向距離和光軸間距b成正比，b越大，距離測量精度越高。
在攝像機系統確定的情況下，設距離為z1時的視差為u，當距離變化Δz，視差的變化量為Δu，則
z=bL0uu2---(4)]]>式(4)表明，距離的測量精度取決於視差的解析度。視差的最小解析度就是攝像機的解析度，即攝像機的解析度越高，距離的測量精度越高。
一.信息處理系統組成請參閱圖4測寬儀信息處理系統分為三個部分，即模擬信號處理電路3、以數字電路為基礎的數據採集電路4和基於計算機的信息運算處理系統5，模擬信號處理電路3通過對信號的放大、濾波、直流恢復和二值化等處理，提取出可進行數字處理的目標信號。以單片式微處理器41為核心的邏輯處理電路，在嵌入式軟體的程序控制下，將目標信號依據時間上的排列，按序採集存儲，經格式編排後，通過計算機接口，傳輸給信息運算處理系統5。信息運算處理系統5一般採用通用個人計算機，主要完成寬度及校正運算，信息處理流程100如圖5所示。其運行步驟依次如下S1000、啟動程序，S1001、輸出二路CCD驅動時序和同步信號，S1002輸出二路CCD模擬信號，S1003、信號調理形成二值化信號，S1004、控制計數器進行計數，S1005、計數值鎖存，S1006、讀取計數值，S1007按帶鋼前後沿進行編碼，S1008、數據傳輸，S1009、解出二路CCD信號的前後沿計數值，S1010、查尺寸定標數據表，S1011、查距離校正運算表，S1012、查傾斜校正運算表，S1013、寬度運算，S1014、顯示存儲，S1015、程序運行結束。
二.攝像機定標在本發明中，為了獲得圖像數據和尺度的關係，使用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標器，進行攝像機定標試驗。本實施例中，使用的模擬器、及運動定標器的精度一般高於攝像機解析度5倍，將定標器放置於攝像機前，根據定標器上模擬器的位置讀數取得x、z向的坐標值，由攝像機輸出數據獲得圖像坐標值，即完成一個定標點的數據獲取。在攝像機視場範圍內，移動模擬器，根據定標點數要求，獲得n個點的定標數據。通過下述數據處理方法，獲得定標係數。
攝像機定標的目的就是通過已知被測物尺度值和攝像機獲取的被測物圖像數據，獲得攝像機內、外部參數，建立圖像數據和尺度的關係，這也是成像測量法的基本要求。用線列陣探測器組成雙目視覺系統，不但要進行x向尺度定標，還要對z向進行距離尺度的定標。設兩攝像機1，2平行放置，光軸間距離為b，定標點P在C1圖像坐標為(u11，…，u1n)、在C2圖像坐標為(u21，…，u2n)，而(x1，…，xn)則為定標點P在C1的x向坐標，而在C2坐標則為(x1-b，…，xn-b)，n為定標點數，ax1、bx1為C1攝像機定標係數，ax2、bx2為C2攝像機定標係數。根據雙目視覺方法的有關推論，得到C1、C2攝像機在x向的定標方程x1x1-bMxnxn-b=u110100u2101Mu1n0100u2n01ax1ax2bx1bx2---(5)]]>(z01，…，z0n)為定標點P在C1、C2攝像機的z向坐標，az、bz為C1、C2攝像機z向定標係數，同理得到由C1、C2攝像機組成的雙目視覺系統z向的定標方程z01Mz0n=1u11-u211M1u1n-u2n1azbz---(6)]]>由於數據總是有噪聲的，在實際應用中，定標點數取n＞3，一般採用最小二乘法，經線性擬合，求出定標係數。為了滿足測量精度的要求，一般分段進行定標，分段數取決於精度要求。分段數越密，定標精度越高，但當定標精度接近極限測量精度時，分段數再加密對精度提高作用不大。
三.動態測量誤差校正1.軸向跳動影響的校正帶鋼的軸向跳動引起光學系統的物距變化，導致成像關係也相應變化，並產生離焦，使象長發生變化，寬度測量產生誤差。設物距為Z，物長為W0，尺寸當量值為P，象距為l0，象元計數值為L，根據成像測量原理可以得到W0＝P×L (7)根據式(7)，當物距發生變化時，要使象元計數值L變化而W0仍保持不變，那麼尺寸當量值P必定是一個隨物距變化的變量。由於軸向跳動引起光學彌散斑擴大，象質發生變化，信息採集電路存在噪聲，所以尺寸當量值P和物距Z的函數關係一般通過實驗的方法確定，用最小二乘法獲得擬合曲線方程。對於複雜的函數關係一般通過分段折線的辦法獲得，分段數取決於校正精度，分段數越密，校正精度越高(在極限測量精度內)。
對於寬度為W0的標準物長，在物距為(z01，…，z0n)處，得到的象元計數值為(L1，…，Ln)，校正參數為Pa、Pb，n為點數，帶鋼軸向跳動的誤差校正方程為W0L1MW0Ln=z011Mz0n1papb---(8)]]>一般n＞3，用最小二乘法求得線性擬合方程，得到校正參數Pa、Pb。本實施例中，用實驗模擬的方法，獲得軸向跳動的校正測試數據，用最小二乘法建立軸向跳動的校正關係式。本實施例中，將已知寬度的模擬器放置在定標器上，在設定跳動範圍內移動模擬器，獲得不同軸向距離下，攝像機輸出的象元計數值，按上述數據處理方法，得到軸向跳動的校正參數。
2.傾斜影響的校正帶鋼的傾斜使基於垂軸光學系統成像測量的物像關係未反映實物和象的比例關係，象長是實物在傾斜情況下的投影，不代表物的真實尺度。為校正傾斜角θ的影響，需測出θ角，並建立校正關係式(9)，Eθ為補償函數。
W0＝W+Eθ(9)根據雙目視覺距離測量方法，可以得到帶鋼兩邊緣到攝像機的軸向距離Z1、Z2，根據幾何三角定理得到傾斜角θ=ArcCos(|Z2-Z1|W0)---(10)]]>根據式(10)，Eθ為和軸向距離相關的函數，(W1，…，Wn)為對應於兩邊緣距離差[(z21-z11)，…，(z2n-z1n)]的寬度測量值，Eθa、E0b為校正參數，由此得到帶鋼傾斜的誤差校正方程為W0-W1MW0-Wn=z21-z111Mz2n-z1n1EaEb---(11)]]>一般n＞3，用最小二乘法求得線性擬合方程，得到校正參數E0a、E0b。在本實施例中，採用實驗模擬方法，獲得帶鋼傾斜校正測試數據，並用最小二乘法建立帶鋼傾斜的校正關係式。本實施例中，將已知寬度的模擬器放置在定標器上，在設定傾斜角度內轉動模擬器，獲得模擬器兩邊沿不同距離差下，由攝像機測得的模擬器寬度，按上述數據處理方法，得到傾斜的校正參數。
權利要求
1.一種光電測寬儀動態測量的位置校正方法，其步驟包括a.利用兩組線列陣攝像機建立同時測量帶鋼二邊緣的距離信息，構成測寬、測距合一的測量裝置；b.利用實驗模式對攝像機定標，獲得圖像數據和尺度的關係，建立尺寸定標數據表；c.以校正模型構建獲得目標軸向跳動校正關係式，建立距離校正運算表；d.以校正模型構建獲得目標傾斜校正關係式，建立傾斜校正運算表；以及e.建立由模擬信號處理電路、數據採集電路和計算機依次聯結構成的信息處理系統，由模擬信號處理電路提供驅動時序和同步信號，以及提取可進行數字處理的目標信號；在計算機中建立包括接受目標數位訊號輸入，以及完成寬度和校正運算的尺寸定標數據表、距離校正運算表和傾斜校正運算表所構成的信息處理功能模塊。
2.根據權利要求1所述的光電測寬儀動態測量的位置校正方法，其特徵在於兩組線列陣攝像機的光軸平行、探測器在一直線上排列，光學參數基本一致，公共視場為測量有效視場。
3.根據權利要求1所述的光電測寬儀動態測量的位置校正方法，其特徵在於在實驗室用熱帶鋼模擬器及高精度兩維運動定標器，進行攝像機定標試驗，獲得圖像數據和尺度關係。
4.根據權利要求1所述的光電測寬儀動態測量的位置校正方法，其特徵在於用實驗模擬的方法，獲得校正測試數據，用最小二乘法建立軸向跳動和傾斜的校正關係式。
全文摘要
一種光電測寬儀動態測量的位置校正方法。該方法適用於光電測寬儀在線測量時，對被測物軸向跳動和傾斜引起的測量誤差進行實時校正。本發明的特點是從探測器獲得的寬度信息中提取出軸向位置信息，使測寬儀具有沿光軸方向對被測物位置的識別能力，組成測寬、測距合一的測量系統，經過實驗模式對攝像機定標和以校正模型建立目標軸向跳動和傾斜校正關係式，使在動態測量時，根據位置信息可實時校正測量誤差。
文檔編號G01B11/02GK1847781SQ20061002386
公開日2006年10月18日 申請日期2006年2月14日 優先權日2006年2月14日
發明者童衛旗, 陳桂林 申請人:中國科學院上海技術物理研究所