阅读说明：本技术 一种辊压机辊面在线三维成像方法 (Online three-dimensional imaging method for roll surface of roll squeezer ) 是由 倪章勇 辛斌杰 王益亮 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种辊压机辊面在线三维成像方法,所述方法包括以下步骤：S1：系统标定；通过一个特定标定物对双目视觉系统进行标定,求解出双目相机的内参和外参；S2：局部点云重建；通过一对线激光照射的辊面图片,恢复单条线激光照射区域辊面的三维点云。本发明能够在辊压机工作状态下精确的对辊面进行三维重建,并对重建的数据进行测量,当发现辊面损毁严重的情况时,及时发出警报,提醒维护人员尽早对辊面进行修复,从而提高设备的运转率,降低维护成本,间接提高产品质量,能够适应恶劣的工作环境,对烟尘、噪音等因素具有很强的抗干扰性。(The invention discloses an online three-dimensional imaging method for a roll surface of a roll squeezer, which comprises the following steps: s1: calibrating a system; calibrating the binocular vision system through a specific calibration object, and solving the internal reference and the external reference of the binocular camera; s2: reconstructing local point cloud; and recovering the three-dimensional point cloud of the roller surface in the single line laser irradiation area through the roller surface pictures irradiated by the pair of line lasers. The invention can accurately carry out three-dimensional reconstruction on the roll surface in the working state of the roll squeezer, measure the reconstructed data, send out an alarm in time when the condition that the roll surface is seriously damaged is found, remind maintenance personnel to repair the roll surface as early as possible, thereby improving the operation rate of equipment, reducing the maintenance cost, indirectly improving the product quality, being capable of adapting to severe working environment, and having strong anti-interference performance on factors such as smoke dust, noise and the like.)

一种辊压机辊面在线三维成像方法

技术领域

本发明涉及辊压机技术领域，尤其涉及一种辊压机辊面在线三维成像方法。

背景技术

辊压机广泛运用于建材水泥、冶金矿山、化工生产等行业，具有高效、节能、环保等优点，常用于对钢渣、铁矿石、石英矿等坚硬物料进行碾磨，其辊面通常采用镶嵌硬质合金柱钉的方式来保证辊面的耐磨性。

辊压机主要通过两个辊子间的相对转动来对物料施加压力，被粉碎的物料受到挤压形成密实的料床，从两辊下方进入下一道工序，由于粉磨的物料硬度较大，且均具有较大的磨蚀性，因此正常运转一段时间后，辊面柱钉会受到不同程度的磨损，过大的金属杂质还会直接损坏辊面，造成辊面局部甚至大面积剥落。

损毁后的辊面若不及时修补或更换，会造成物料加工不合格便直接进入下一道工序，严重影响产品的质量，辊面的磨损大始终是一个棘手的问题，如果不及时的对辊面进行检测和维护，不仅会导致设备运转率低，还会造成产品质量下降。所以对辊压机辊面进行及时的检测和维修是提高生产质量和生产效率的关键。

传统的辊面检测方法采用基于人眼判断或软绳测量的人工方式，存在效率低、精度差、耗时长、成本高等缺点，无法满足现在工厂大规模的设备检测的需求，因此需要进行改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种辊压机辊面在线三维成像方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种辊压机辊面在线三维成像方法，所述方法包括以下步骤：

S1：系统标定；通过一个特定标定物对双目视觉系统进行标定，求解出双目相机的内参和外参；

S2：局部点云重建；通过一对线激光照射的辊面图片，恢复单条线激光照射区域辊面的三维点云；

S3：点云拼接；双目相机以指定速度在丝杠导轨上左右移动，并以一定帧率拍摄辊面图相对，每对图像恢复单条线激光的三维坐标，需要将多条线状点云拼接成面，其次，重建算法重建时，辊面以一定的角速度转动，需要将多圈扫描数据拼接成一个完整的辊面数据。

优选地，在S2中，所述局部点云重建步骤还进一步包含如下步骤：

S21：畸变矫正；由于相机镜片形状和相机内部组装误差的影响，双目相机在成像过程中会产生一定的径向畸变和切向畸变,所以需要通过相机标定得到的畸变参数对图像进行矫正，使之完全符合相机成像几何模型；

S22：立体矫正；根据视差恢复辊面三维点云的前提是双目相机两个成像平面完全的行对准，由于硬件安装过程存在的误差，所以需要通过立体矫正算法来实现两相机平面绝对的行对准；

S22：激光中心线提取；激光条纹在左右图像中有一定的宽度，为了提高测量系统的精度，需要准确的提取线激光条纹的中心线像素坐标；

S23：立体匹配；根据极线矫正可以实现左右图像的行对准，线激光是竖直的，通过查找每一行两幅图像激光中心线所在的位置即可实现两幅图像对应位置的匹配；

S24：三维坐标计算；立体匹配完成后即可计算两幅图像激光中心对应的视差，然后根据三角测量原理计算出线激光照射区域的空间点的坐标。

优选地，S3中，所述点云拼接部分的实现需要在场景视角内固定四个标志点，每对图像都可以计算这四个标志点的空间坐标，根据这四个已知的空间坐标，将点云转换到一个统一的世界坐标系下，实现线点云的拼接。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明能够在辊压机工作状态下精确的对辊面进行三维重建，并对重建的数据进行测量，测量精度误差小于1mm，当发现辊面损毁严重的情况时，及时发出警报，提醒维护人员尽早对辊面进行修复，从而提高设备的运转率，降低维护成本，间接提高产品质量。

2、本发明适用于各种形式和材料的辊面(柱钉辊面、沟槽辊面、人字形辊面、焊接辊面等)磨损测量，另外，通过激光方式照射辊面获取双目图像，能够适应恶劣的工作环境，对烟尘、噪音等因素具有很强的抗干扰性，算法设计包含了大量的补偿算法，能对装置安装过程中的微小误差进行矫正，实现更准确的测量。

综上所述，本发明能够在辊压机工作状态下精确的对辊面进行三维重建，并对重建的数据进行测量，当发现辊面损毁严重的情况时，及时发出警报，提醒维护人员尽早对辊面进行修复，从而提高设备的运转率，降低维护成本，间接提高产品质量，能够适应恶劣的工作环境，对烟尘、噪音等因素具有很强的抗干扰性。

附图说明

图1为本发明的辊压机辊面在线三维成像方法的流程图；

图2为双目图像立体矫正示意图；

图3为双目阈值分割之后的激光条纹示意图；

图4为激光线中心提取结果示意图；

图5为基于视差的双目视觉空间点坐标恢复原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5，一种辊压机辊面在线三维成像方法，方法包括以下步骤：

S1：系统标定；通过一个特定标定物对双目视觉系统进行标定，求解出双目相机的内参和外参。

其中，双目相机的内参矩阵K只与相机零件的内部结构有关，由 x和y方向的焦距f_x，f_y以及相机光心坐标u₀，v₀决定，双目相机的外部参数是指世界坐标系到相机坐标系下变换矩阵M₂，它一个3×3 的旋转矩阵R和一个三维平移向量t组成，空间一点P(Xw,Yw,Zw)与图像中的投影点坐标(u,v)之间的变换如下式所示：

其中，s是比例因子，M为3×4的投影矩阵，双目相机标定时，通常将其中一个相机的光心作为世界坐标系的原点，另一个相机位姿到该相机位姿的旋转矩阵和平移向量即为双目视觉系统的外参。

S2：局部点云重建；通过一对线激光照射的辊面图片，恢复单条线激光照射区域辊面的三维点云。

S3：点云拼接；双目相机以指定速度在丝杠导轨上左右移动，并以一定帧率拍摄辊面图相对，每对图像恢复单条线激光的三维坐标，需要将多条线状点云拼接成面，其次，重建算法重建时，辊面以一定的角速度转动，需要将多圈扫描数据拼接成一个完整的辊面数据。

测量系统只对摄像机做一次标定，标定好的内外参保持不变，由于摄像机与世界坐标系之间的位置关系相对固定，世界坐标系的位置也在不断发生着变化，每一个光条都是在不同的世界坐标系下获取的，所以，要反映整个被测物体的三维信息，必须要将这些不同坐标系下的数据转换到同一个世界坐标系下。在测量过程中，标记点的位置始终保持不变，因此可以根据标记点在不同世界坐标系下的一系列三维坐标计算出每个世界坐标系与扫描初始位置时的世界坐标系之间的转换关系。

在S2中，局部点云重建步骤还进一步包含如下步骤：

S21：畸变矫正；由于相机镜片形状和相机内部组装误差的影响，双目相机在成像过程中会产生一定的径向畸变和切向畸变,以需要通过相机标定得到的畸变参数对图像进行矫正，使之完全符合相机成像几何模型。

由于摄像机镜头在制造过程中的缺陷以及在装配过程中的定位误差等原因，使得线性摄像机模型不能准确地描述成像几何关系，因此，需在图像采集之后对其进行畸变矫正,本发明主要针对径向畸变进行矫正，其矫正公式可用下式表达：

其中(X_d,Y_d)为受镜头畸变影响而偏移的实际像平面图像坐标，k₁,k₂,k₃为镜头畸变系数，畸变系数可在相机标定时求出。

S22：立体矫正；根据视差恢复辊面三维点云的前提是双目相机两个成像平面完全的行对准，由于硬件安装过程存在的误差，以需要通过立体矫正算法来实现两相机平面绝对的行对准。

本发明采用Bouguet方法进行极线矫正，矫正过程如图4所示，根据对极几何关系，空间一点与左右两相机光心构成一个平面，称为极平面，该平面与像平面的交线称为极线，实际情况中的像平面如π_R,π_T所示，存在一定的夹角，经过立体矫正之后，两像平面完全平行，且对应极线之间行对准。

S23：激光中心线提取；激光条纹在左右图像中有一定的宽度，为了提高测量系统的精度，需要准确的提取线激光条纹的中心线像素坐标(亚像素级)。

首先对光条图像进行去噪滤波，去除图像中目标和背景中的孤立噪声的同时又能很好的保持激光条纹的细节信息,本发明中采用值滤波来对激光条纹图像进行处理，将邻域中的像素按灰度级进行排序，然后选择该组中间值作为输出像素值，如下式：

g(m,n)＝Median_A{f_A(m+k,n+l),(k,l)∈R} (3)

式中Median_A为窗口A的中间值，该算法可以消除孤立的噪声点，减小工作环境中的烟尘对图像的影响,然后对图像进行自适应阈值分割，提取出图像中的激光条纹和标记点的轮廓位置,最后提取标记点中心坐标并对光条进行细化，把具有一定宽度的轮廓逐次去掉边缘像素点，在不影响光条连通性的情况下，获得光条单像素的中心骨架(如图4所示)。

S24：立体匹配；根据极线矫正可以实现左右图像的行对准，线激光是竖直的，通过查找每一行两幅图像激光中心线在的位置即可实现两幅图像对应位置的匹配。

步S25：三维坐标计算；立体匹配完成后即可计算两幅图像激光中心对应的视差，然后根据三角测量原理计算出线激光照射区域的空间点的坐标。

双目立体视觉的示意图如7所示，根据三角形相似，可得空间点坐标为：

其中B为基线距离，指两个摄像机光心之间的距离,D＝x_T-x_R，为对应的匹配特征点之间的视差。

S3中，点云拼接部分的实现需要在场景视角内固定四个标志点，每对图像都可以计算这四个标志点的空间坐标，根据这四个已知的空间坐标，将点云转换到一个统一的世界坐标系下，实现线点云的拼接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。