阅读说明：本技术 一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法 (High-precision three-dimensional workpiece size detection system and method ) 是由 尹勇 夏雨 洪梓铭 史征宇 刘宇峰 齐雨航 曾成 曾鹏程 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法,该系统包括：线激光发射器,用于向待检测的物体发射激光线形成激光光条,激光光条对应物体的表面形状；图像采集装置,用于采集表面附有激光光条的物体表面图像；设备主控制器,用于将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；服务器端,用于接收设备主控制器发送的图像数据,通过标定板投影映射方法提取物体表面图像中的光条中心线,获取物体表面形状,进而计算待检测物体的具体尺寸。本发明使用标定板投影映射的方法测量,解决了现有三维工件尺寸检测系耗时较长而且精度不高的问题,设计了校正旋转轴方程的算法,提高了运行效率和测量精度,具有时间复杂度低,精度高的优点。(The invention discloses a high-precision three-dimensional workpiece dimension detection system and a method, wherein the system comprises: the line laser transmitter is used for transmitting a laser line to an object to be detected to form a laser light bar, and the laser light bar corresponds to the surface shape of the object; the image acquisition device is used for acquiring an object surface image with laser light bars attached to the surface; the equipment main controller is used for sending the object surface image data acquired by the image acquisition device to the server side; and the server side is used for receiving the image data sent by the equipment main controller, extracting the central line of the light strip in the surface image of the object by a calibration plate projection mapping method, acquiring the surface shape of the object, and further calculating the specific size of the object to be detected. The invention uses the calibration plate projection mapping method for measurement, solves the problems of long time consumption and low precision of the existing three-dimensional workpiece dimension detection, designs the algorithm for correcting the rotating axis equation, improves the operation efficiency and the measurement precision, and has the advantages of low time complexity and high precision.)

一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法。

背景技术

在实际的工业生产中，物体的表面质量的情况会影响正常的工业生产。随着科技的飞速发展，现代工业自动化对工件几何尺寸的测量技术提出越来越高的要求。尤其是对于高精度的设备，对于工件的尺寸等表面信息的检测是必不可少的。传统的接触式测量存在的测量时间长、需进行侧头半径的补偿、无法测量弹性或脆性材料等局限性。在几何测量中，通过机器视觉的测量方法由于其非接触式，测量速度快，检测精度高等优点在机械、汽车、航空航天等制造工业中得到广泛的应用。

国外在这方面的研究较早，技术相对先进，如R Marani等人采用基于三角测量原理的三维线激光扫描仪设计了高精度的视觉测量系统，测量的分辨率可达0.015mm。现在的市场上也有一些较为成熟的产品。生产三维激光扫描仪的厂商主要有奥地利的Riegl公司、瑞士的Leica公司、加拿大的Optech公司、美国的Trimble、Faro和Metris公司以及日本的Topcon公司等。一些进口的三维激光扫描仪虽然性能十分优良，目前精度可达0.01mm乃至更低，但是这些往往指的是重复精度。并且它们的价格都十分昂贵，动辄数十万至上百万，限制了它们在实际工业生产中的应用。

国内近些年也有不少高校和研究所等对视觉检测技术进行学术方面和实际应用方面的研究。如北京科技大学的徐科等人通过CCD面阵进行激光线光源照射到钢轨表面的光带图像采集，来检测钢轨表面的深度信息，再结合二维图形进行缺陷检测，实现了最小深度达到0.2mm的钢轨表面缺陷自动检测。威布公司的三维扫描仪精度达到了0.03mm，杭州思看科技有限公司的PRINCE激光扫描仪实现了最小分辨率达到0.01mm的三维扫描。不过这些激光三维扫描仪的价格同样十分昂贵。而现有的一些民用低成本的激光三维扫描仪往往精度无法满足高精度工业检测的要求。

现有的三维扫描仪中，民用的大多精度很低，无法满足测量需求，而一些国外进口的或者国内生产的高精度三维扫描仪价格十分昂贵。超出国内一般中小型企业的经济承受范围，并且有些时候过于超高精度往往属于性能冗余，性价比很低。针对这一现状，本作品作为一个高精度三维工件尺寸检测系统，具有低成本，高精度，易于操作等特点。它能够通过非接触式的方法快速准确地获取物体表面的各种尺寸信息，适用于自动化的工业生产，能够以较低的成本来满足工业上对产品三维尺寸信息的高精度检测需求，既可以避免普通民用扫描仪精度过低的问题，也可以满足工业生产低成本的要求，为中国制造2025贡献出自己的一份力量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种高精度三维工件尺寸检测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种高精度三维工件尺寸检测系统，该系统包括：

线激光发射器，用于向待检测的物体发射激光线形成激光光条，激光光条对应物体的表面形状；

图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的物体表面图像，并将采集到的物体表面图像发送给设备主控制器；

设备主控制器，用于将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；

服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，通过标定板投影映射方法提取物体表面图像中的光条中心线，获取物体表面形状，进而计算待检测物体的具体尺寸。

进一步地，本发明的服务器端包括以下模块：

预处理模块，用于建立标定版坐标以及进行旋转轴的计算，将照射于待检测物体表面的激光线映射至标定板平面，进而得到被测物体的尺寸；

光条中心线提取模块，用于从所拍摄的物体表面图像中提取出激光光条的中心线，计算出激光线的图像坐标；

坐标变换模块，用于根据激光中心线的坐标信息来计算出三维空间中被测物体表面的点云数据；

表面重建模块，用于将物体表面的点云数据重建成表面。

进一步地，本发明的图像采集装置包括摄像头和树莓派；待检测物体下方放置在旋转平台上，旋转平台底部设置有舵机，通过舵机带动旋转平台进行旋转运动。

本发明提供一种高精度三维工件尺寸检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、通过线性光发射器向待检测的物体发射激光线形成激光光条，激光光条对应物体的表面形状；

步骤2、通过摄像头采集表面附有激光光条的物体表面图像；

步骤3、将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；

步骤4、在服务器端采用标定板投影映射方法对物体表面图像进行处理，首先进行预处理，建立标定版坐标以及进行旋转轴的计算，从而能够将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面，进而精确地得到被测物体的尺寸；

步骤5、中心线提取，从所拍摄的物体表面图像中提取出激光光条的中心线，计算出激光线的图像坐标；

步骤6、坐标变换，根据激光中心线的坐标信息来计算出三维空间中待测物体表面的点云数据；

步骤7、表面重建，将待检测物体表面的点云数据重建成表面。

进一步地，本发明的该方法中采用的标定板投影映射方法具体包括以下步骤：

(1)建立标定板坐标，标定板上的黑白网格提供了标定板平面的实际尺寸信息，通过将标定板与线激光平面共面放置，并用相机获取标定板图像，即可在三维测量中将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面；

(2)计算旋转轴在标定板平面的方程；

(3)光条中心线提取，线激光照射至被测物体表面的激光线表征了当前角度下物体的轮廓及尺寸信息，通过计算出激光线的图像坐标，进而从相机拍摄的图像上提取激光线。

进一步地，本发明的该方法中建立标定板坐标的具体方法为：

对相机拍摄到的标定板图像进行处理，建立标定板平面的坐标系；首先搜索标定板的角点，在光照环境良好的拍摄条件下，通过模板匹配方法对标定板图像进行处理，即可确定各角点的图像坐标；获取到角点坐标后，选定标定板任一角点作为标定板平面的原点，将标定板间距固定为1，依次计算各角点在标定板平面的坐标，即可完成标定板平面上坐标系统的建立。

进一步地，本发明的该方法中计算旋转轴在标定板平面的方程的具体方法为：

通过多边形面积逼近圆面积的方法求解旋转轴在标定板平面的直线方程；对于一个圆柱横截面，O为旋转轴心，θ为单次旋转角度，A与B分别为第i次与第i+1次成像时激光线在圆柱横截面的位置，d_i表示第i张图像中圆柱表面激光线与旋转轴的距离；ΔAOB的面积可通过三角形面积公式求解；将所有三角形面积求和，并令求和结果与标准圆柱横截面面积之差最小，即可得到旋转轴在标定板平面的纵截距；根据上述原理，旋转轴在标定板平面的方程y＝kx+b通过求解如下所示的优化问题得到：

s.t. b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

k＝k_i i＝0,1,…,N-1

目标函数中，S为圆柱体截面的面积，N为拍摄图像的数量，θ为单次旋转角度，d_i表示第i张图像中提取出的圆柱表面的激光线与旋转轴的距离，d_i为k、b以及b_i的隐函数；约束项中，k_i与b_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线在标定板平面的斜率以及纵截距；

对目标函数进行简化，简化后的优化问题为带有约束项的单变量非凸优化问题，其中目标函数为优化变量的四次多项式；将等式约束带入目标函数中，对优化变量b求一阶偏导，并令其等于0，再选择满足不等式约束的解，即可完成求解，得到旋转轴在标定板平面的方程：

s.t. b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

其中，等式约束中的x_i与y_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线段的中点在标定板平面的横纵坐标。

进一步地，本发明的该方法中光条中心线提取的具体方法为：

计算激光线的图像坐标，包括四个步骤进行处理：均值滤波、计算凸性强度、计算梯度方向以及灰度重心法；其中：

相机直接成像结果包含较多噪声，为平滑图像，对图像进行均值滤波。均值滤波器的系统函数如下所示：

其中M与N分别表示滤波器列与行方向的大小，i与j分别表示滤波器列与行方向的索引；

由于光条区域的像素值大小高于背景区域，且呈线条状，为了增强光条区域并且滤除反光，计算图像的凸性强度，凸性强度滤波器的系统函数如下所示：

其中M与N分别表示滤波器列与行方向的大小，i与j分别表示滤波器列与行方向的索引；

完成滤波后，选择光条中心上的候选点，将图像的行像素及列像素的最大值点作为候选点，为了将候选点更新至光条中心，依次计算候选点的梯度，如下所示：

在梯度方向所在直线上基于灰度重心法分别更新行列坐标，如下所示：

更新结果即为激光线的图像坐标。

本发明产生的有益效果是：本发明的高精度三维工件尺寸检测系统及方法，1.本发明采用树莓派作为主控制器操控舵机选择和摄像头拍摄，基于无线网络进行图片信息传输，控制速度快，图片分辨率高；2.本发明采用标定板投影映射的方法来计算物体表面的坐标信息，相对于常用的三角测量和TOF方法而言，更适合这种中小型工件的高精度测量需求，使用二维快速傅里叶变换的方法处理图像，并且设计了校正旋转轴方程的算法，提高了运行效率和测量精度，具有时间复杂度低，精度高的优点。测量精度达到了0.05mm，并且在硬件设备上实现了低成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的工作流程示意图；

图2是本发明实施例的光条中心线提取算法流程图；

图3是本发明实施例的激光光条图像采集示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的高精度三维工件尺寸检测系统，包括：

线激光发射器，用于向待检测的物体发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应物体的表面形状；

图像采集装置，用于通过摄像头采集表面附有激光光条的物体表面图像；

设备主控制器，用于将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；

服务器端，用于接收设备主控制器发送的图像数据，提取图像中的光条中心线，获取物体表面形状，计算具体的尺寸。

服务器端包括：

预处理模块，用于建立标定版坐标以及进行旋转轴的计算，从而能够将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面，进而精确地得到被测物体的尺寸；

光条中心线提取模块，用于从所拍摄的物体表面图像中提取出激光光条的中心线，计算出激光线的图像坐标；

坐标变换模块，用于根据激光中心线的坐标信息来计算出三维空间中被测物体表面的点云数据；

表面重建模块，用于将物体表面的点云数据重建成表面。

如图1所示，本发明实施例的高精度三维工件尺寸检测方法，该方法采用，基于标定板投影映射方法的三维坐标重建算法，包括以下步骤：

1)向待检测的物体发射激光线形成激光光条，所述激光光条对应物体的表面形状；

2)通过摄像头采集表面附有激光光条的物体表面图像；

3)将图像采集装置采集的物体表面图像数据发送至服务器端；

4)在服务器端进行预处理，用于建立标定版坐标以及进行旋转轴的计算，从而能够将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面，进而精确地得到被测物体的尺寸，具体如下：

建立标定板坐标，标定板上的黑白网格提供了标定板平面的实际尺寸信息，通过将标定板与线激光平面共面放置，并用相机获取标定板图像，即可在三维测量中将照射于物体表面的激光线映射至标定板平面，因此能够精确地得到被测物体的尺寸，从而进行三维重建以及测量。

为此，需对相机拍摄到的标定板图像进行处理，建立标定板平面的坐标系。首先搜索标定板的角点，在光照环境良好的拍摄条件下，仅需通过模板匹配方法对标定板图像进行处理，即可确定各角点的图像坐标。获取到角点坐标后，选定标定板任一角点作为标定板平面的原点，将标定板间距固定为1，依次计算各角点在标定板平面的坐标，即可完成标定板平面上坐标系统的建立。

由于仅当照射至被测物体上的激光线位于标定板图像上有效的标定板区域时，才能得到被测物体的有效尺寸信息。在计算中为了加快速度且防止无效数据干扰，通常根据获取到的标定板角点图像坐标生成Mask。

理想情况下，旋转轴与线激光所在的平面共面，载物平台与旋转轴垂直，标准圆柱与旋转平台垂直放置。显然，旋转过程中任意角度，标准圆柱表面的激光线与旋转轴平行，也即旋转轴在标定板平面的斜率与圆柱表面的激光线在标定板平面的斜率相同。因此，可以通过多边形面积逼近圆面积的方法求解旋转轴在标定板平面的直线方程。

对于一个圆柱横截面，O为旋转轴心，θ为单次旋转角度，A与B分别为第i次与第i+1次成像时激光线在圆柱横截面的位置，d_i表示第i张图像中圆柱表面激光线与旋转轴的距离。ΔAOB的面积可通过三角形面积公式求解。将所有三角形面积求和，并令求和结果与标准圆柱横截面面积之差最小，即可得到旋转轴在标定板平面的纵截距。

根据上述原理，旋转轴在标定板平面的方程y＝kx+b可通过求解如式(1)所示的优化问题得到：

s.t. b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

k＝k_i i＝0,1,…,N-1 (1)

目标函数中，S为圆柱体截面的面积，N为拍摄图像的数量，θ为单次旋转角度，d_i表示第i张图像中提取出的圆柱表面的激光线与旋转轴的距离，d_i为k、b以及b_i的隐函数。约束项中，k_i与b_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线在标定板平面的斜率以及纵截距。

实际求解中，由于实物模型建设过程中难免引入误差，并且光条中心线提取过程中也会受到噪声的影响，因此旋转轴以及不同角度下标准圆柱表面的激光线将会互相不平行。为解决这些影响以及方便求解，将式(1)所示的优化问题简化为如式(2)所示的优化问题，其中等式约束中的x_i与y_i分别为第i张图像中圆柱表面的激光线段的中点在标定板平面的横纵坐标。

简化后的优化问题为带有约束项的单变量非凸优化问题，其中目标函数为优化变量的四次多项式。将等式约束带入目标函数中，对优化变量b求一阶偏导，并令其等于0，再选择满足不等式约束的解，即可方便地完成求解，得到旋转轴在标定板平面的方程。

s.t. b≥max{b_i}i＝0,1,…,N-1

5)中心线提取，用于从所拍摄的物体表面图像中提取出激光光条的中心线，计算出激光线的图像坐标，具体如下：

线激光照射至被测物体表面的激光线表征了当前角度下物体的轮廓及尺寸信息，为了精确地从相机拍摄的图像上提取激光线，即计算出激光线的图像坐标，以下分为四个步骤进行处理：均值滤波、计算凸性强度、计算梯度方向以及灰度重心法。

相机直接成像结果包含较多噪声，为平滑图像，对图像进行均值滤波。均值滤波器的系统函数如式(3)所示，其中M与N分别表示滤波器列与行方向的大小，i与j分别表示滤波器列与行方向的索引。

由于光条区域的像素值大小高于背景区域，且呈线条状，为了增强光条区域并且滤除反光，计算图像的凸性强度，凸性强度滤波器的系统函数如式所示，其中M与N分别表示滤波器列与行方向的大小，i与j分别表示滤波器列与行方向的索引。

上述两步在实际计算中通过二维快速傅里叶变换实现。

完成滤波后，需选择光条中心上的候选点，这里将图像的行像素及列像素的最大值点作为候选点，候选点并非精确地位于光条中心处，且两个方向搜寻的候选点并不一致。为了将候选点更新至光条中心，依次计算候选点的梯度，如式(5)所示：

在梯度方向所在直线上基于灰度重心法分别更新行列坐标，如式(6)所示。更新结果即为激光线的图像坐标。

6)坐标变换，用于根据激光中心线的坐标信息来计算出三维空间中被测物体表面的点云数据；

7)表面重建，用于将物体表面的点云数据重建成表面；

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。