阅读说明：本技术 基于结构光的辊压机辊面重建装置和方法 (Roller press roller surface reconstruction device and method based on structured light ) 是由 辛斌杰 王益亮 兰宁 邓娜 严庆帅 于佳 周曦 江燕婷 李安琪 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于结构光的辊压机辊面重建装置,包括控制辊压机运动的运动控制系统、用于投射光栅条纹的光栅投影装置和用于采集图像的图像采集模块,所述图像采集模块电连接有用于处理图像的计算机系统,本发明还公开了一种基于结构光的辊压机辊面重建方法,包括：通过运动控制系统控制辊压机在光封闭空间内运动；对辊压机表面投射编码光栅条纹,并通过图像采集装置获取投射光栅条纹之后的辊压机表面的形变条纹图；计算机系统根据所述形变条纹图获得被测辊压机表面的相位分布信息并计算得到高度信息,可快速且准确地重建辊压机辊面的的三维形态,对辊面破损情况进行实时监测,极大的提高了工作的效率,有效解决背景技术中的技术问题。(The invention discloses a roller press roller surface reconstruction device based on structured light, which comprises a motion control system for controlling the movement of a roller press, a grating projection device for projecting grating stripes and an image acquisition module for acquiring images, wherein the image acquisition module is electrically connected with a computer system for processing the images, and the invention also discloses a roller press roller surface reconstruction method based on the structured light, which comprises the following steps: controlling the roller press to move in the light closed space through a motion control system; projecting the encoded grating stripes on the surface of the roller press, and acquiring a deformation stripe image of the surface of the roller press after the grating stripes are projected through an image acquisition device; the computer system obtains the phase distribution information of the surface of the measured roller press according to the deformation stripe diagram and calculates to obtain height information, so that the three-dimensional form of the roller surface of the roller press can be quickly and accurately reconstructed, the damage condition of the roller surface is monitored in real time, the working efficiency is greatly improved, and the technical problem in the background technology is effectively solved.)

基于结构光的辊压机辊面重建装置和方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉三维重建技术领域，具体而言，本发明涉及基于结构光的辊压机辊面重建装置和方法。

背景技术

辊压机，是国际80年代中期发展起来的新型水泥节能粉磨设备，具有替代能耗高、效率低球磨机预粉磨系统，并且降低钢材消耗及噪声的功能。辊压机由料床粉磨原理设计而成，其主要特征是：高压、满速、满料、料床粉碎。在生产实践中，经过长期使用，辊压机辊面会产生一定程度的损坏，包括：辊面产生裂纹，辊面凹坑或辊面硬质耐磨层剥落。辊压机辊面损坏之后，其表面凹凸不平，无法对物料进行有效挤压，造成称重仓频繁“冲料”，回料皮带及入称重仓斗提压死，系统跳停等一系列问题。因此，研究辊压机辊面重建以检测其辊面破损程度对于辊压机高效工作具有重要意义。

随着计算机技术和图像分析技术的发展，研究人员开始运用光学CCD技术(数字图像传感技术)精密检测辊压机外观，采用计算机数字图像处理技术检测出辊压机辊面凹凸的外观信息，对辊压机辊面的外观等级进行评估，利用对辊面的评估结果评定辊压机辊面的破损情况，以便及时修复辊压机，保证辊压机安全稳定运行，提高辊压机工作效率。如专利号为CN104923576B的“热轧生产线精轧工作辊辊面自动检测装置”，采用工作辊辊面拍摄和工作辊辊面评级组成的系统，通过图像管理系统及管理程序对由辊面拍摄系统传递的摄取辊面图像进行表征和数据化处理；由图像处理系统处理后的下机辊面图像与工作辊辊面标准做对比训练和学习，自动给出需要评级的辊面等级，并将工作辊的判定等级信息传递给工作辊管理系统进行记录。

与传统的人为评级方法相比，该装置对整个工作辊的使用历程做客观的评价和完整的记录，为工作辊的重复上机使用提供客观依据，并能根据轧制品种选择性的使用相应辊面等级的工作辊，有效的避免了因上机工作辊因辊面等级不符合要求而导致的一系列质量损失。但该装置不能对工作中的辊压机辊面的破损情况进行实时成像与监测。

发明内容

为了寻找更为有效的实现方案，本发明提供了基于结构光的辊压机辊面重建装置和方法，可快速且准确地重建辊压机辊面的三维形态，实现辊面破损情况的实时监测，极大的提高了工作的效率，并能够有效地满足现代化工业中对自动化生产的需求，有效解决背景技术中的技术问题。

为实现上述目的，本发明公开了基于结构光的辊压机辊面重建装置，包括控制辊压机运动的运动控制系统、用于投射光栅条纹的光栅投影装置和用于采集图像的图像采集模块，所述图像采集模块电连接有用于处理图像的计算机系统，所述计算机系统包括用于采集图像的图像采集卡和用于对图像进行处理的图像处理分析模块，所述运动控制系统、光栅投影装置和计算机系统和辊压机均设置在光封闭空间内部。

优选地，所述光栅投影装置包括投影仪和相机，所述投影仪用于对辊压机投射光栅条纹，所述相机用于拍摄投影在辊压机表面的图像，且所述相机通过和图像采集模块电连接传输拍摄的图像。

优选地，所述计算机系统包括CPU、存储硬盘、图像采集卡和图形处理分析模块，所述图形处理分析模块包括相位提取模块和高度恢复模块。

本发明还公开了基于结构光的辊压机辊面重建方法，包括：

通过运动控制系统控制辊压机在光封闭空间内运动；

对辊压机表面投射编码光栅条纹，并通过图像采集装置获取投射光栅条纹之后的辊压机表面的形变条纹图；

计算机系统根据所述形变条纹图获得被测辊压机表面的相位分布信息并计算得到高度信息；

将高度信息转化为点云数据，然后将多张条纹图计算得到的点云进行拼接，得到辊压机辊面完整的三维形状，完成对辊压机表面的重建。

优选地，所述编码光栅条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹。

优选地，所述计算机系统通过主动式光学测量的三维测量方法从形变条纹图中获得被测辊压机表面的连续相位分布信息，所述三维测量方法具体为相移法。

优选地，所述相移法具体包括获取形变条纹图的折叠相位信息，通过相位展开算法将折叠相位展开为连续相位分布，所述相移法为四步相移法。

优选地，所述高度信息的计算过程为：

根据光栅投影装置的数学模型，建立相位和高度的映射关系，根据连续相位信息对应还原出被测物体表面的高度信息。

还包括对相机、投影仪进行标定，具体通过一个特定标定物对相机及投影仪进行标定，求解出相机及投影仪的内参和外参。

与现有技术相比，本发明的基于结构光的辊压机辊面重建装置和方法具有如下有益效果：

针对辊压机辊面损坏后其表面凹凸不平的特点，利用结构光的方法对辊压机辊面三维重建，从而及时检测到辊面损坏情况。利用计算机编程生成质量高且噪声少的正弦条纹图案，使用投影仪向被测物体辊压机表面投射编码光栅条纹，使用相机接收经被测物体表面调制的形变光栅图像，采用四步相移法获得测量表面的相位分布，根据相位与高度的映射关系计算出测量表面的高度信息，将其高度信息转化为点云数据，然后将多张条纹图像计算得到的点云进行拼接，实现辊压机辊面的三维重建，从而检测出辊压机辊面的破损情况。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明用于辊压机辊面的三维重建系统的结构示意图；

图2是本发明中使用的三维测量方法的流程图；

图3是本发明中投影的光栅图像；

图4是本发明中计算机的构成图；

图5是本发明中光栅投影系统标定的示意图；

图6为本发明的重建方法工作流程示意图。

1-投影仪；2-辊压机；3-计算机系统；4-相机；5-运动控制系统；6-开关；7-图像采集模块；

31-图像采集卡；32-图像处理分析模块；

321-相位提取模块；322-高度恢复模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

请参阅图1至图6，本发明公开了基于结构光的辊压机辊面重建装置，包括控制辊压机2运动的运动控制系统5、用于投射光栅条纹的光栅投影装置和用于采集图像的图像采集模块7，所述运动控制系统之间连接有控制导通的开关6，所述图像采集模块7电连接有用于处理图像的计算机系统3，所述计算机系统3包括用于采集图像的图像采集卡31和用于对图像进行处理的图像处理分析模块32，所述运动控制系统5、光栅投影装置和计算机系统3和辊压机2均设置在光封闭空间8内部。

在上述装置中，通过采用四步相移法及相位展开方法从形变光栅条纹图案中提取出由被测物体表面形貌引起的相位偏移信息，根据投影系统的数学模型，建立相位到高度的映射关系，还原出被测物体表面的高度信息，将高度信息转化为点云数据，然后将多张条纹图计算得到的点云进行拼接，得到辊压机辊面完整的三维形状，完成对辊压机表面的重建。

所述光栅投影装置包括投影仪1和相机4，所述投影仪1用于对辊压机2投射光栅条纹，所述相机4用于拍摄投影在辊压机2表面的图像，且所述相机4通过和图像采集模块7电连接传输拍摄的图像。

所述计算机系统包括CPU、存储硬盘、图像采集卡31和图形处理分析模块32，所述图形处理分析模块32包括相位提取模块321和高度恢复模块322。

其中用于接收经被测物体表面形貌调制的形变光栅图像的图像采集装置为一个科学级数字摄像机。

采用四步相移法和二值时空编码相位展开方法获取被测物体表面的连续相位分布信息。

根据投影系统的数学模型，根据相位信息和高度信息的映射关系，恢复出被测物体表面的高度信息。

实施例1

参照附图1所示，本发明的辊压机辊面重建装置包括：投影仪1、相机4、运动控制装置5、开关6、数据处理计算机3，被测辊压机2，图像采集模块7，光密闭空间8。

辊压机辊面成像模块是装置的核心组件，其中相机4是图像的成像元件，可实时动态采集通过测试区域的辊压机辊面图像，并将采集到的图像通过图像采集模块7传送到数据处理计算机3，进行图像信号分析和处理。

附图2所示为三维测量方法流程图，采用主动式光学测量四步相移法。计算机3编程生成正弦条纹光栅图像，由光栅投影装置投影仪1将生成的条纹光栅投影到被测辊压机辊面2，由相机4采集经辊压机辊面调制后的形变条纹图像。将采集到的图像通过图像采集模块8传输到数据处理计算机3，通过附图4中计算机的相位提取模块提取出所获得的形变条纹图案的连续相位值，经过附图4中计算机的高度恢复模块将获得的连续相位信息转化为被测辊压机辊面的高度信息。

附图3所示为计算机3生成的正弦条纹光栅图案，由计算机编程生成的光栅条纹质量高，噪声少，可任意调整条纹周期及强度，利于实现多步相移。

为了实现最佳的图像采集效果，最好可以提供一个可以隔绝自然光或周围物体表面互反射光的密闭空间8，至少将辊压机2、投影仪1、相机4及图像采集模块7设置在该密闭空间8中，从而可以得到更加清晰的投影图像。密闭空间8的实现方式可以是规则的几何体，也可以是不规则的几何体。

被测辊压机以及控制辊压机运动的运动控制装置5，共同构成辊压机的运动控制系统。辊压机在某一段时间Δt内转动角度Δφ，Δφ小于测试区域的有效测试角度，当转动的角度等于或者大于有效测试角度时，因此触发相机4拍摄新一帧图像，图像采集模块7实时将图像传输到数据处理计算机3进行相位提取分析及高度恢复。辊压机连续运动，可拍摄连续的光栅条纹图像，从而获得转动区域的辊压机辊面高度信息。所述数据处理计算机3包括相位提取模块和高度恢复模块。通过相位提取模块计算出所获取的正常条纹图像与形变条纹图像的相位差，通过数据处理计算机3的高度恢复模块计算得到的辊压机辊面的高度信息，从而实现辊压机辊面三维重建，检测出辊压机辊面的破损情况。

本发明应用的测量装置能够精确解算出被测辊压机表面各点的空间坐标位置，实现对辊压机辊面微米级精度的快速、非接触测量

如图6所示，本发明还公开了基于结构光的辊压机辊面重建方法，包括：

通过运动控制系统控制辊压机在光封闭空间内运动；

对辊压机表面投射编码光栅条纹，并通过图像采集装置获取投射光栅条纹之后的辊压机表面的形变条纹图；

计算机系统根据所述形变条纹图获得被测辊压机表面的相位分布信息并计算得到高度信息；

将高度信息转化为点云数据，然后将多张条纹图计算得到的点云进行拼接，得到辊压机辊面完整的三维形状，完成对辊压机表面的重建。

所述编码光栅条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹，所述编码光栅条纹通过计算机编程生成。

所述计算机系统通过主动式光学测量的三维测量方法从形变条纹图中获得被测辊压机表面的连续相位分布信息，所述三维测量方法具体为相移法。

所述相移法具体包括获取形变条纹图的折叠相位信息，通过相位展开算法将折叠相位展开为连续相位分布，所述相移法为四步相移法。

相位测量轮廓术通过投影正弦光栅、待测表面和摄像机像面上的对应点之间的三角关系来测量物体的三维形貌。当光栅投影到待测物体表面时，所探测到的正弦光栅的相位会受到物体表面高度的调制，它们之间满足一种映射关系。采用4步相移法来获取被测物体的相位信息，采集的变形条纹为：

其中A(x,y)表示背景灰度，B(x,y)表示经过反射后的灰度调制强度值，φ(x,y)是相位主值。得出相位主值：

其中相位展开的过程为：

在相位展开之前通过预处理对图像进行优化，使用图像滤波对相机采集的图像进行降噪处理，减弱甚至消除噪声对测量系统的影响。本发明采用高斯滤波法对测量系统所采集的光栅条纹图像进行降噪处理。基本思想是先选取一个窗口，然后在窗口内对图像像素点灰度值进行计算，计算方法是求加权平均值，用该值来表示窗口中心位置的像素点灰度。公式如下：

其中，x,y表示窗口内中心点与其他像素点的距离位置，标准差用σ表示。

滤波后采用二值时空编码法进行相位展开，通过投影3幅二值编码条纹图，利用条纹边界左右两侧的编码值对截断相位图中的截断线进行编码。测量时，根据截断线提供的初始位置，在3幅编码图中读取其左右两侧的黑白编码值，从而每根截断线可以得到一个二进制码，解码后可以计算出该截断线的级次，从而确定其对应正弦条纹的级次。根据该级次对截断相位图进行展开得到绝对相位图。

本发明还包括对相机、投影仪进行标定，具体通过一个特定标定物对相机及投影仪进行标定，求解出相机及投影仪的内参和外参。

利用三角测量原理计算三维深度信息，需要计算出相机、投影仪的内外参数等，计算这些参数的过程就是编码结构光的系统标定。

本发明采用张正友标定法，采用一个特定标定物(如棋盘格)对相机进行标定，计算出相机的内参、外参以及畸变系数；通过向空间投射图案(如棋盘格)，根据投射图案上特征点、该特征点的空间对应点以及摄像机成像平面上的对应像点三者之间的关系间接获取投影仪参数。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。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，由旋转矩阵R与平移向量T组成。空间一点P(X_w,Y_w,Z_w)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。

投影仪内部参数指投影图像在水平方向和竖直方向上由物理尺度向像素尺度转换的比例关系f_pu、f_pv，投影图像横轴纵轴的倾斜角α以及投影仪主光轴与投影图像交点(u_p0,v_p0)，与投影仪自身构造有关，投影仪外部参数包括R_p和T_p，决定投影的空间位置。根据某一空间点在投影图像坐标下的坐标与其在投影仪坐标系下的坐标之间的比例关系，即可计算出投影仪的内外参数。利用旋转矩阵R_p和平移向量T_p可以实现摄像机坐标系到投影仪坐标系的转换，变换关系如下式所示：

其中，f_x ^p,f_y ^p分别为x_p ^’轴与y_p ^’轴方向上的等效焦距，K_p为投影仪内参数矩阵，[R_p,T_p]为外参数矩阵。

进一步的，所述高度信息的具体计算过程为：

根据光栅投影装置的数学模型，建立相位和高度的映射关系，根据连续相位信息对应还原出被测物体表面的高度信息。

辊压机辊面高度恢复：无论采用何种测量系统结构进行测量，根据结构模型总会推导出被测物体相位与高度之间的数学关系。数学关系表达式如下：

在相位差已知的情况下，要想求得高度h只需求出a(x,y)和b(x,y)即可，可以根据光栅投影系统标定可确定a(x,y)和b(x,y)的值，如图5标定示意图。

其中光栅投影系统的具体过程为：

首先将正弦光栅条纹投影到参考平面上，利用四步相移法提取参考平面的相位主值，即截断相位，对截断相位进行展开处理，得到连续的相位；然后移动标定板至标定平面1，移动距离为h1，利用四步相移法求出此时的截断相位并将其展开成连续相位，之后与参考平面的相位相减得到相位差Δφ₁；再次移动标定板至标定平面2，移动距离为h2，得到移动距离h2时与参考平面间的相位差Δφ₂。将两次移动标定板所得相位差以及移动距离代入式(5)即可求出a(x,y)和b(x,y)的值。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。