基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，屬于結構光測量【技術領域】。能夠實時檢測軸盤類零件加工時其直徑尺寸的變化。首先，建立用于凸輪軸直徑測量的結構光視覺成像系統模型；然后，基于經典的CCD攝像機平面表面標定法，對攝像機內參及畸變系數、結構光平面參數進行標定；接著，通過標定模型，對結構光光條與零件表面的交點進行三坐標重構，將并將重構得到的交點的三維坐標轉化成結構光平面上的二維坐標；最后，通過擬合的方法得到凸輪軸的直徑參數。本發明采取了視覺測量技術，因此能實現在線非接觸檢測，同時采用了精確的結構光技術，能保證較高的測量精度。簡化了擬合過程，提高了測量精度，且更利于實際應用。
【專利說明】基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及結構光測量領域，特別涉及一種基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法。
【背景技術】
[0003]凸輪軸是汽車發動機的關鍵零件之一，具有用量大、制造技術復雜和附加值高的特點。凸輪軸的制造質量直接影響發動機的動力特性。2009年我國共生產了各類凸輪軸
2.3億根，其中近一半是轎車用凸輪軸，產值近千億。因此，從汽車產業對凸輪軸的需求看，研究并掌握凸輪軸制造的關鍵技術具有巨大的市場需求。
[0004]凸輪軸在制造過程中，要對凸輪表層材料進行熱處理，導致凸輪軸各截面的直徑尺寸發生變化，這種變化會引起凸輪軸的彎曲，從而影響軸頸和凸輪的磨削加工，甚至造成零件報廢。因此，在制造過程中，必須對凸輪軸的直徑進行實時的測量。近年來，轎車發動機多采用雙頂置凸輪軸，這對凸輪軸的校直技術提出了更高的要求。不但要求凸輪軸的檢測精度更高、檢測速度更快，而且要求凸輪軸的檢測與校直集成在一起。
[0005]目前，工業上應用的主要測量方法按照測量裝置是否與被測零件相接處，通常分為接觸測量和非接觸測量。接觸測量方法包括:卡尺測量法、螺旋測微器測量法和三坐標測量機測量法等方法，這種測量方法的工作強度大、效率低、很難實現在線測量。非接觸測量方法主要是指基于光學原理的測量方法，包括機器視覺測量方法和結構光測量方法。與傳統的接觸式測量方法相比，非接觸測量方法具有以下優點:
(1)易于信息集成和管理，可實現智能檢測；
(2)可用于長時間的惡劣條件，或者無法進行接觸測量的情況；
(3)檢測對象范圍廣，可承擔人眼無法完成的檢測任務
目前，機器視覺測量方法的測量對象大多限于二維尺寸，被測尺寸所在的物體表面就是成像平面，可以利用機器視覺中的邊緣檢測實現測量，或者用邊緣檢測和攝像機標定相結合完成高精度測量。然而，齒輪軸是三維實體，測量尺寸所在的物體表面不再是成像平面，對于二維尺寸的測量方法就不再適用。并且，由于被測零件的基準尺寸往往在幾十到上百毫米，遠大于攝像機鏡頭的尺寸，此時，機器視覺測量方法就不再適用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，克服了現有非接觸檢測方法的不足，保證了較低的硬件成本、較高的檢測效率和較好的測量精度。是一種更有效的凸輪軸直徑尺寸的在線非接觸檢測方法，是采用結構光視覺成像的方法，考慮到CCD攝像機、結構光和被測凸輪軸之間的位置關系，綜合使用攝像機標定、光條中心線檢測和角點檢測等方法實現測量。這種方法利用CCD攝像機檢測一字線激光器照射到物體上的光點位置變化，按照系統的標定模型計算凸輪軸直徑。在標定過程中，本方法考慮了光條圖像的畸變，可有效的提高標定精度。測量過程中，不要求被測凸輪軸與測量系統有特定的位置關系，放松了對測量系統的擺放要求，更有利于實際應用。
[0007]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，基于一字線結構光視覺成像系統，建立凸輪直徑尺寸的測量模型，結合光條中心線檢測技術、角點檢測技術和攝像機標定技術等實現被測凸輪軸直徑的測量，其包括以下步驟:
1、標定CCD攝像機的內參及崎變系數；
2、標定一字線結構光平面參數；
3、計算凸輪軸表面被測點三維坐標；
4、計算凸輪軸直徑尺寸。
[0008]上述步驟I中所述的標定CCD攝像機的內參及畸變系數，是基于張正友提出的攝像機平面標定算法，使用高精度標定板在不同姿態下圖像的角點坐標，標定出攝像機內部參數和鏡頭的畸變系數，具體過程包括下列步驟:
1.1)利用CCD攝像機采集9幅標定板在不同姿態下的圖像；
1.2)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標；
1.3)基于張正友提出的攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變系數和外參的初值；
1.4)利用所有不同姿態的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣、畸變系數、標定板外參進行優化求解，此優化問題可采用Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0009]上述步驟2中所述的標定一字線結構光平面參數，是利用結構光平面上的若干點，計算結構光平面在攝像機坐標系下的方程，具體過程包括以下步驟:
2.1)將一貼有黑色打印紙的平面靶標與平面標定板同時固定在同一玻璃框平面上，使結構光光線照射到黑色打印紙平面上，用CXD攝像機采集該裝置在不同姿態下的5幅圖像；
2.2)基于張正友的平面標定法，利用每個姿態下圖像中的角點坐標(像素坐標和世界坐標)計算標定板所在平面在該位置下的外參，建立該位置姿態下平面上被測點的世界坐標與其像素坐標的對應關系；
2.3)通過光條中心線檢測的方法得到光條中心點的亞像素坐標，通過步驟2.2)建立的關系，計算得到其對應的靶標平面上的目標點在攝像機坐標系下的坐標；
2.4)使用通過步驟2.3)計算得到的5幅圖像中的光條中心點對應的目標點，在攝像機坐標系下利用最小二乘擬合法計算結構光平面的平面方程。
[0010]上述步驟3中所述的計算凸輪軸表面被測點三維坐標，具體過程包括以下步驟:
3.1)保持CCD攝像機和激光器的相對位置不變，將被測凸輪軸安裝好，用CCD攝像機采集被測凸輪軸的圖像；
3.2)將采集到的圖像送到計算機系統里進行處理，提取光條中心線的亞像素坐標，計算該坐標對應的光線在攝像機坐標系下的方程；
3.3)聯立光線方程與光平面方程即可得到被測點在攝像機坐標系下的坐標。[0011]上述步驟4中所述的計算凸輪軸直徑尺寸，具體過程包括以下步驟:
4.1)在光平面上建立局部世界坐標系，根據光平面在攝像機坐標系下的方程，計算該局部坐標系與攝像機坐標系之間的變換關系，即兩坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量；
4.2)將被測點在攝像機坐標系下的三維坐標轉換為局部世界坐標系下的二維坐標；
4.3)在光平面上，用橢圓方程對被測點坐標進行擬合，橢圓的短軸長度即為被測軸直徑。
[0012]本發明的積極效果在于:基于經典的平面標定法對結構光參數進行標定，標定過程中，有效地修正了圖像中光條中心線的畸變失真；在結構光平面上建立局部世界坐標系，將被測點在攝像機坐標系下的三維坐標轉化成二維坐標，簡化了擬合過程，提高了測量精度；在對結構光視覺成像系統完成標定之后，測量時，只需要保證CCD攝像機和激光器的相對位置關系不變即可，放松了測量系統與被測零件之間擺放位置的要求，更利于實際應用；本發明采取了視覺測量技術，因此能實現在線非接觸檢測，同時采用了精確的結構光技術，能保證較高的測量精度，對于直徑小于IOOmm的凸輪軸零件，其測量精度小于等于±0.015mm。
[0013]【專利附圖】
【附圖說明】
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
[0014]圖1為本發明的凸輪軸直徑尺寸結構光視覺檢測方法的CCD攝像機標定硬件示意圖；
圖2為本發明的凸輪軸直徑尺寸結構光視覺檢測方法的一字線結構光平面標定硬件示意圖；
圖3為本發明的凸輪軸直徑尺寸結構光視覺檢測硬件示意圖；
圖4為本發明的攝像機內參標定時所用的標定板圖像；
圖5為本發明的凸輪軸測量系統模型；
圖6為本發明的共面裝置示意圖；
圖7為本發明的坐標系變換步驟示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0016]本發明的基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，基于結構光視覺成像系統，建立凸輪直徑尺寸的測量模型，結合光條中心線檢測技術、角點檢測技術和攝像機標定技術等實現被測凸輪軸直徑的測量，其包括以下步驟:
1、標定CCD攝像機的內參及畸變系數。基于張正友提出的攝像機平面標定算法，使用高精度標定板在不同姿態下圖像的角點坐標，標定出攝像機內部參數和鏡頭的畸變系數，具體過程包括下列步驟:
1.1)利用C⑶攝像機采集9幅標定板在不同姿態下的圖像。采集圖像時，如圖1所示，標定板2置于背景光源I和CXD攝像機7之間，鏡頭6和計算機8分別與CXD攝像機7相連；采集得到的9幅標定板圖像如圖4所示。
[0017]1.2)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標；1.3)基于張正友提出的攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變系數和外參的初值；
1.4)利用所有不同姿態的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣和畸變系數進行優化求解，此優化問題可采用Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0018]在標定攝像機內參及畸變系數的過程中，涉及的坐標系如下:
OllXirY世界坐標系； OcXc^^c 攝像機坐標系；
Oxy-圖像坐標系，Opv-像素為坐標系。
[0019]攝像機的成像過程即是空間物點在這四個坐標系中的一系列變換過程，如圖5所示，本發明采用的標定模型如下:
【權利要求】
1.一種基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，其特征在于:基于結構光視覺成像系統，建立凸輪直徑尺寸的測量模型，結合光條中心線檢測技術、角點檢測技術和攝像機標定技術實現被測凸輪軸直徑的測量，其包括以下步驟: 1)標定CCD攝像機的內參及崎變系數； 2)標定一字線結構光平面參數； 3)計算凸輪軸表面被測點三維坐標； 4)計算凸輪軸直徑尺寸。
2.根據權利要求1所述的基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，其特征在于:步驟I)中所述的標定CCD攝像機的內參及畸變系數，是基于攝像機平面標定算法，使用高精度標定板在不同姿態下圖像的角點坐標，標定出攝像機內部參數和鏡頭的畸變系數，具體過程包括下列步驟: 1.1)利用CCD攝像機采集9幅標定板在不同姿態下的圖像； 1.2)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標； 1.3)基于攝像機平面標定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標和世界坐標求解攝像機內參、畸變系數和外參的 初值； 1.4)利用所有不同姿態的標定板圖像中提取到的角點的像素坐標和世界坐標，對攝像機內部參數矩陣、畸變系數、標定板外參進行優化求解，此優化問題可采用Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
3.根據權利要求1所述的基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，其特征在于:步驟2)中所述的標定一字線結構光平面參數，是利用結構光平面上的若干點，計算結構光平面在攝像機坐標系下的方程，具體過程包括以下步驟: 2.1)將一貼有黑色打印紙的平面靶標與平面標定板同時固定在同一玻璃框平面上，使結構光光線照射到黑色打印紙平面上，用CXD攝像機采集該裝置在不同姿態下的5幅圖像； 2.2)基于張正友的平面標定法，利用每個姿態下圖像中的角點坐標，像素坐標和世界坐標，計算標定板所在平面在該位置下的外參，建立該位置姿態下平面上被測點的世界坐標與其像素坐標的對應關系； 2.3)通過光條中心線檢測的方法得到光條中心點的亞像素坐標，利用步驟2.2)建立的關系，計算得到其對應的靶標平面上的目標點在攝像機坐標系下的坐標； 4)使用通過步驟2.3)計算得到的5幅圖像中的光條中心點對應的目標點，在攝像機坐標系下利用最小二乘擬合法計算結構光平面的平面方程。
4.根據權利要求1所述的基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，其特征在于:步驟3)中所述的計算凸輪軸表面被測點三維坐標，具體過程包括以下步驟: 3.1)保持CCD攝像機和激光器的位置不變，將被測凸輪軸安裝好，用CCD攝像機采集被測凸輪軸的圖像； 3.2)將采集到的圖像送到計算機系統里進行處理，提取光條中心線的亞像素坐標，計算該坐標對應的光線在攝像機坐標系下的方程； 3.3)聯立光線方程與光平面方程即可得到被測點在攝像機坐標系下的坐標。
5.根據權利要求1所述的基于結構光視覺成像系統的凸輪軸直徑尺寸在線測量方法，其特征在于:步驟4)中所述的計算凸輪軸直徑尺寸，具體過程包括以下步驟: ，4.1)在光平面上建立局部世界坐標系，根據光平面在攝像機坐標系下的方程，計算該局部坐標系與攝像機坐標系之間的變換關系，即兩坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量；，4.2)將被測點在攝像機坐標系下的三維坐標轉換為局部世界坐標系下的二維坐標；，4.3)在光平面上，用橢圓方程 對被測點坐標進行擬合，橢圓的短軸長度即為被測軸直徑。
【文檔編號】G01B11/08GK103499302SQ201310447251
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】譚慶昌, 李冠楠, 周曉東, 王聰慧, 寇瑩 申請人:吉林大學