一種管路端面中心點的測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種管路端面中心點的測量方法及裝置，該方法包括：采集裝配有靶標的管路的圖像；從采集的圖像中獲得多個標志點幾何中心的圖像坐標；根據靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取多個標志點在靶標坐標系中的坐標；根據多個標志點的幾何中心圖像坐標和多個標志點在靶標坐標系中的坐標，獲取靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系；根據靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取管路的各個接頭端面中心點在相機坐標系中的坐標；根據管路的各個接頭端面中心點在相機坐標系中的坐標，獲取管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。本發明的方案在測量管路接頭端面中心點的相對位置時，速度快、精度高。
【專利說明】一種管路端面中心點的測量方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學測量【技術領域】，尤其涉及一種管路端面中心點的測量方法及裝置。
【背景技術】
[0002]管路在航空、航天、特種車輛等工業領域的復雜機電產品中廣泛應用，其是否能夠可靠安裝直接影響產品質量。目前工程中保證管路加工質量和實現無應力裝配的最直接有效的手段之一，仍然是通過焊裝后的管路實物檢測來獲得管路中的中間導管走向及其管路端點的相對位置坐標，在此基礎上進行準確校正。
[0003]現有技術中，針對管路接頭端面中心點位置的測量，包括:傳統方法，如:靠模和激光矢量等方法；另外，還有利用三坐標測量機、激光跟蹤儀測量管路接頭端面中心點位置。這些方法過于依賴人的操作，如果導管形狀復雜，操作繁瑣，嚴重影響測量效率。
[0004]此外，基于機器視覺的三維測量技術近年來獲得了快速發展。然而，利用機器視覺技術檢測管路兩端幾何中心的相對位置，在不對管路做任何處理的情況下，一般采用擬合管路輪廓兩端圓弧的方法來確定幾何中心。但是，由于利用機器視覺的方法要求對管路兩端圓弧精確提取，否則影響擬合圓弧的幾何中心，從而導致測量精度降低，因此，受到采集到的圖像質量的影響，工程中的測量精度難以得到保障。但是，工程中由于管路端點的相對位置精度是確保管路準確安裝的關鍵，所以其測量精度在管路測量中是需要嚴格控制的。
[0005]綜上所述，無論是傳統方法，還是目前普遍采用的利用三坐標測量機、激光跟蹤儀等進行管路端點的測量，其共同缺點是過多的依賴人的操作導致測量效率低，因為管路端點位置不能直接測量得到，工程中通常采用先測量管路端面的外圓，然后計算得到幾何中心位置坐標，而外圓的測量，受到圖像質量的影響，造成測量精度難以保證，從而影響計算得到的幾何中心的精度。
[0006]所以，有必要提供一種管路端面中心點的測量方法及裝置，能夠快速而精確地測量管路接頭端面中心點的相對位置。
【發明內容】
[0007]為了克服現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種管路端面中心點的測量方法及裝置，能夠快速而準確地測量管路端面中心點的相對位置。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案:
[0009]依據本發明的一個方面，提供了一種管路端面中心點的測量方法，該方法包括:
[0010]采集裝配有靶標的管路的圖像，所述靶標的靶標平面上設有多個標志點；
[0011]從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標；
[0012]根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標；
[0013]根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系；
[0014]根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標；
[0015]根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
[0016]其中，在根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標的步驟之后，所述方法還包括:
[0017]獲取多個相機之間的外參數；
[0018]根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
[0019]其中，所述靶標還包括:
[0020]靶標本體；
[0021]定位基準點，用于在所述靶標和管路接頭裝配時進行定位；
[0022]銷，用于所述靶標和管路接頭的徑向定位；
[0023]端面，用于所述靶標和所述管路接頭的軸向定位；以及
[0024]緊固部件，用于緊固所述靶標和管路接頭；
[0025]其中，所述靶標平面通過固定部固定在所述靶標本體上，所述銷固定連接在所述靶標本體上；且所述定位基準點位于所述靶標平面的一個角點，所述端面位于所述靶標本體與管路端面的接觸面處，所述緊固部件套于靶標本體外側，通過緊固螺釘將靶標本體與管路緊固。
[0026]其中，所述多個標志點包括一個大標志點及多個小標志點,所述大標志點用于確定所述靶標坐標系的原點，所述多個小標志點用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
[0027]其中，從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標的步驟包括:
[0028]對采集的所述圖像進行預處理；
[0029]對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域；
[0030]在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣；
[0031]根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
[0032]其中，根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系的步驟包括:
[0033]獲取相機的內參數；
[0034]設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系；
[0035]根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數，將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標；
[0036]通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化；
[0037]當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0038]依據本發明的另一個方面，還提供了一種管路端面中心點的測量裝置，包括:
[0039]圖像采集模塊，用于采集裝配有靶標的管路的圖像，所述靶標的靶標平面上設有多個標志點；
[0040]圖像坐標獲取模塊，用于從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標；
[0041]靶標坐標系建立模塊，用于根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標；
[0042]轉換關系獲取模塊，用于根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系；
[0043]相機坐標系坐標獲取模塊，用于根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標；
[0044]相對位置獲取模塊，用于根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
[0045]其中，所述裝置還包括:
[0046]坐標系統一模塊，用于獲取多個相機之間的外參數，并根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
[0047]其中，所述靶標還包括:
[0048]靶標本體；
[0049]定位基準點，用于在所述靶標和管路接頭裝配時進行定位；
[0050]銷，用于所述靶標和管路接頭的徑向定位；
[0051]端面，用于所述靶標和所述管路接頭的軸向定位；以及
[0052]緊固部件，用于緊固所述靶標和管路接頭；
[0053]其中，所述靶標平面通過固定部固定在所述靶標本體上，所述銷固定連接在所述靶標本體上；且所述定位基準點位于所述靶標平面的一個角點，所述端面位于所述靶標本體與管路端面的接觸面處，所述緊固部件套于靶標本體外側，通過緊固螺釘將靶標本體與管路緊固。
[0054]其中，所述多個標志點包括一個大標志點及多個小標志點,所述大標志點用于確定所述靶標坐標系的原點，所述多個小標志點用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
[0055]其中，所述圖像坐標獲取模塊進一步用于:
[0056]對采集的所述圖像進行預處理；
[0057]對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域；
[0058]在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣；
[0059]根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
[0060]其中，所述轉換關系獲取模塊包括:
[0061]參數獲取單元，用于獲取相機的內參數；
[0062]初始化單元，用于設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系；
[0063]投影單元，用于根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標；
[0064]優化單元，通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化；
[0065]確定單元，用于當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0066]本發明的有益效果是:
[0067]本發明的管路端面中心點的測量方法，主要是通過靶標平面上的多個標志點獲取靶標坐標系與相機坐標系的轉換關系，進而將管路端面中心點在靶標坐標系中的坐標轉換為相機坐標系中的坐標，進而得出管路端面中心點間的相對位置。本發明的方案中，同樣采用了視覺技術，但只需將靶標裝配在管路接頭上，而不需對管路做任何表面處理。此外，利用靶標平面上標志點與背景對比度強、標志點邊緣更加清晰的特點，通過對標志點進行圖像處理間接得到管路接頭端面中心點的相對位置，避免了由于圖像中管路邊緣不清晰，造成的管路接頭端面中心點相對位置求解精度低，而且保證了利用機器視覺技術進行管路測量時測量速度快的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0068]圖1表示本發明實施例的管路端面中心點的測量方法的流程示意圖；
[0069]圖2表示靶標安裝到管路接頭上的剖面圖；
[0070]圖3表示本發明實施例的測量框架示意圖；
[0071]圖4表示本發明實施例的管路端面中心點的測量裝置的結構框圖；
[0072]圖5表示轉換關系獲取模塊的結構框圖。
[0073]其中圖中:1、定位基準點；2、管路接頭端面中心點；3、大標志點；4、銷；5、端面；6、管路；7、靶標平面；8、固定部；9、緊固部件；10、小標志點；11、靶標本體；12、螺孔。
【具體實施方式】
[0074]下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
[0075]實施例一
[0076]依據本發明實施例的一個方面，提供了一種管路端面中心點的測量方法，如圖1所示，該方法包括:
[0077]步驟S101、采集裝配有靶標的管路的圖像。
[0078]在對管路的端面中心點進行測量之前，需要將靶標裝配到管路接頭上。如圖2所示，其中，靶標的靶標平面7上設有多個標志點，且該靶標平面可為有機玻璃，并通過固定部8固定在靶標上。本發明實施例中的靶標平面7上設有七個標志點。其中，多個標志點包括一個大標志點3及多個小標志點10,所述大標志點3用于確定所述祀標坐標系的原點，所述多個小標志10點用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
[0079]而在實際應用中，還可以根據靶標平面的大小等實際情況，確定標志點的數量、大小和分布方式。標志點可以設計成不同的形狀，例如圓形、正方形等任意可被識別的圖形。還可以利用編碼點充當標志點，或者具有其它特征的點，根據這些特征區分這些標志點。此夕卜，靶標平面和管路也可以采用不同的定位和連接方法確定標志點間的相對位置。
[0080]可選地，靶標還包括:
[0081]靶標本體11;
[0082]定位基準點I，用于在所述靶標和管路6的接頭裝配時進行定位；
[0083]銷4，用于所述靶標和管路6的接頭的徑向定位；
[0084]端面5，用于所述靶標和所述管路6的接頭的軸向定位；以及
[0085]緊固部件9，用于緊固所述靶標和管路6的接頭；
[0086]其中，所述靶標平面7通過固定部8固定在所述靶標本體11上,所述銷4固定連接在所述靶標本體11上，所述緊固部件9套在靶標本體外側，通過在螺孔12處安裝緊固螺釘將靶標本體11和管路6緊固連接；所述定位基準點I位于所述靶標平面7的一個角點，所述端面5位于所述管路6與所述靶標本體11的接觸面處。
[0087]如圖2所示，在將靶標裝配到管路6的接頭上時，以定位基準點I為定位基準，銷4插入到管路6內部，端面5與管路6接頭的端面相抵接，從而使得通過銷4和端面5完成軸向和徑向定位，最后通過緊固部件9將靶標穩固地裝配到管路6上。其中，對于銷4和端面5還可根據管路6的接頭加工精度等級進行加工，從而使得靶標與管路6更好地裝配在一起。
[0088]步驟S103、從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標。
[0089]可選地，從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標的步驟包括:
[0090]對采集的所述圖像進行預處理；
[0091]對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域；
[0092]在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣；
[0093]根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
[0094]本發明實施例的管路端面中心點的測量方法中，在采集裝配有靶標的管路的圖像時，可能會受到噪聲等外界環境因素的影響，圖像質量會下降，所以，需要對采集到的圖像進行預處理，消除圖像中的噪聲，增強對比度，使管路和靶標的邊界更加清晰。
[0095]步驟S105、根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標。
[0096]可選地,如圖2所示,所述多個標志點包括一個大標志點3及多個小標志點10,所述大標志點3用于確定所述靶標坐標系的原點，所述多個小標志點10用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。所以，可以大標志點3為靶標坐標系的原點，接著通過其他多個小標志點10的相對位置確定直角坐標系的X軸和Y軸，而垂直于靶標平面的軸為Z軸，進而確定靶標坐標系，從而獲取多個標志點在靶標坐標系中的坐標。
[0097]步驟S107、根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0098]可選地，根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系的步驟包括:
[0099]獲取相機的內參數；
[0100]設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系；
[0101]根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標；
[0102]通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化；
[0103]當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0104]其中，相機的內參數包括焦距，相機相鄰像元的水平和垂直距離，相機拍攝主點坐標及表示圖像分辨率的寬和高。
[0105]本發明實施例的管路端面中心點的測量方法，主要是通過靶標平面上的多個標志點獲取靶標坐標系與相機坐標系的轉換關系，進而使得最終獲得管路端面中心點間的相對位置。而對于靶標坐標系與相機坐標系的轉換關系的計算方法，在本發明實施例的方法中，首先設定一個所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系；接著，通過該初始轉換關系及相機的內參數，將多個標志點投影到步驟SlOl中采集的裝配有靶標的管路的圖像中，獲得多個標志點的投影坐標；再次，不斷改變初始轉換關系，通過最小二乘法不斷優化該投影坐標；最后，當優化后的標志點的投影坐標與對應的圖像坐標間的距離之和最小時，對應的改變后的初始轉換關系即為所需的祀標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0106]步驟S109、根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標。
[0107]步驟S115、根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
[0108]可選地，在步驟S109和步驟Slll之間，該方法還可包括:
[0109]步驟S111、獲取多個相機之間的外參數。
[0110]步驟S113、根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
[0111]在采集裝配有靶標的管路的圖像時，由于管路接頭端面朝向的方向各異，所以靶標平面與相機的角度也會不同。所以，為了使得最終測量結果更加準確，可以通過多個相機同時采集裝配有靶標的管路的圖像，進而得出多個相機坐標系下的管路端面中心點的相對位置。最后，通過相機的外參數，將得出的多個相機坐標系下的管路端面中心點的相對位置統一到同一坐標系下，從而求得更加精確的管路端面中心點的相對位置。
[0112]其中，在獲取多個相機的外參數時，可以對相機兩兩標定，獲得相機的外參，相機外參包括兩相機的相對位姿，相對位姿指兩相機坐標系的相對位置關系，包括沿其中一個相機坐標系X、Y、Z軸的移動[X，y, z]和轉動[α，β，Y ]共六個未知變量。
[0113]實施例二
[0114]依據本發明的另一個方面，還提供了一種管路端面中心點的測量裝置400，如圖4所示，該裝置包括:
[0115]圖像采集模塊401，用于采集裝配有靶標的管路的圖像，所述靶標的靶標平面上設有多個標志點；
[0116]圖像坐標獲取模塊403，用于從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標；
[0117]靶標坐標系建立模塊405，用于根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標；
[0118]轉換關系獲取模塊407，用于根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系；
[0119]相機坐標系坐標獲取模塊409，用于根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標；
[0120]相對位置獲取模塊413，用于根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
[0121]可選地，所述裝置還包括:
[0122]坐標系統一模塊411，用于獲取多個相機之間的外參數，并根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
[0123]可選地，如圖2所示，所述靶標還包括:
[0124]靶標本體11;
[0125]定位基準點I，用于在所述靶標和管路6的接頭裝配時進行定位；
[0126]銷4，用于所述靶標和管路6的接頭的徑向定位；
[0127]端面5，用于所述靶標和所述管路6的接頭的軸向定位；以及
[0128]緊固部件9，用于緊固所述靶標和管路6的接頭；
[0129]其中，所述靶標平面7通過固定部8固定在所述靶標本體11上,所述銷4固定連接在所述靶標本體11上，所述緊固部件9套在靶標本體外側，通過在螺孔12處安裝緊固螺釘將靶標本體11和管路6緊固連接；所述定位基準點I位于所述靶標平面7的一個角點，所述端面5位于所述管路6與所述靶標本體11的接觸面處。
[0130]可選地,如圖2所示,所述多個標志點包括一個大標志3點及多個小標志點10,所述大標志點3用于確定所述靶標坐標系的原點，所述多個小標志點10用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
[0131]可選地，所述圖像坐標獲取模塊403進一步用于:
[0132]對采集的所述圖像進行預處理；
[0133]對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域；
[0134]在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣；
[0135]根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
[0136]可選地，如圖5所示，所述轉換關系獲取模塊407包括:
[0137]參數獲取單元4071，用于獲取相機的內參數；
[0138]初始化單元4072，用于設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系；
[0139]投影單元4073，用于根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標；
[0140]優化單元4074，通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化；
[0141 ] 確定單元4075，用于當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
[0142]具體地，利用本發明實施例的管路端面中心點的測量方法及裝置獲取管路端面中心點間的相對位置時，如圖2所示，需要將靶標裝配到待測管路的接頭上，將該裝配有靶標的管路置于如圖3所示的測量框架中，再通過本發明實施例的裝置即可進行測量。
[0143]如圖3所示，圖中給出了八個相機的安裝位置，在實際測量中，可以根據被測管路的大小，調整測量框架的大小，還可以將框架改為絲杠，使得相機可以在絲杠上自由調整高度，高度調整完畢后，對相機進行標定，即可進行測量。
[0144]當圖3中光源照射裝配有靶標的管路時，由于該光源為背光光源，利用LED燈對相機視場范圍均勻發出平行光，使視場亮度盡量均勻，且能夠使得物體與背景形成較強的明暗對比度。此外，由于管路形狀各異，所以，安裝后，靶標的有機玻璃板的朝向也會不同，當相機鏡頭的軸線垂直于有機玻璃板平面采集圖像時，標志點在圖像中所占區域最大，有利于圖像處理，所以，當相機鏡頭軸線與有機玻璃板垂直時，是最理想的拍攝角度。所以，可根據實際情況，在多個位置布置相機，使得在對安裝有靶標的管路進行圖像采集時，無論有機玻璃板平面朝哪個方向，都有一個相機鏡頭的軸線與有機玻璃板平面幾乎垂直或者呈一個比較理想的拍攝角度。當測量框架上布置多個相機時，相機經過標定后，相機間的相對位置關系便已知，當各個相機測得管路端面中心點在相機坐標系下的坐標后，可以將測量結果統一到同一坐標系中。
[0145]在對采集的圖像進行處理時，由于在采集過程中會受到噪聲等外界環境因素的影響，圖像質量會下降，所以，需要對采集到的圖像進行預處理，消除圖像中的噪聲，增強對比度，使管路和靶標的邊界更加清晰。進而利用靶標和背景的灰度值差異，將靶標所在區域分害拙來，提取靶標上標志點的邊緣。提取邊緣時，可以首先利用邊緣濾波器，對標志點剖面的灰度值進行平滑處理，進而有利于提取出亞像素精度的邊緣。雖然本發明實施例中標志點是圓形，但由于觀察角度的問題，圖像中看到的標志點形狀往往是橢圓形，所以，對提取出的標志點邊界進行橢圓擬合時，可采用基于直接最小二乘橢圓擬合方法，擬合提取出的標志點邊界。由于圖像中不可避免的存在噪聲，所以需要將初次擬合得到的邊緣上偏離擬合橢圓較大的點剔除，對剩余的點進行二次擬合，以此來降低噪聲對擬合結果的影響。
[0146]完成橢圓擬合后，便可獲得標志點圓心在圖像中的圖像坐標。在靶標坐標系中，大標志點為坐標系原點，各個小標志點分布在有機玻璃板平面(靶標坐標系的XY平面)上，且它們到大標志點的距離各不相等。所以，可以利用雙目視覺原理求解出各個小標志點到大標志點的距離，再根據小標志點到大標志點的距離上的差異，將它們區分開來。因為已知相機的內部參數，所以當設定一個靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系時，可利用這個初始的轉換關系將標志點圓心在祀標坐標系中的坐標轉換到相機坐標系中，再將標志點圓心投影到圖像中，得到投影坐標。至此，各個標志點可以被區分開來，且它們的圖像坐標和投影坐標均已知。利用最小二乘法，使每個標志點的投影坐標和圖像坐標的距離之和最小，進而可求得靶標坐標系與相機坐標系間實際的轉換關系。
[0147]如圖2所示，由于在靶標與管路裝配完成后，管路接頭端面中心點2與定位基準點1、大標志點3中心與定位基準點I的相對位置確定,所以管路接頭端面中心點2與大標志點3中心的相對位置便確定。大標志點3中心是靶標坐標系的坐標原點，所以管路接頭端面中心點2在靶標坐標系中的坐標便確定。由于通過本發明實施例的方法獲得了靶標坐標系與相機坐標系的轉換關系，所以可將管路接頭端面中心點2在靶標坐標系下的坐標轉換為相機坐標系下的坐標，進而可以獲得管路的各個接頭端面中心點間的位置關系。
[0148]本發明實施例的管路端面中心點的測量方法及裝置測量精度高、操作簡單且通用性強，而且其中所用靶標可以根據管路接頭的具體結構而自行設計，也可做成標準件，方便安裝。
[0149]以上所述的是本發明的優選實施方式，應當指出對于本【技術領域】的普通人員來說，在不脫離本發明所述的原理前提下還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種管路端面中心點的測量方法，其特征在于，包括: 采集裝配有靶標的管路的圖像，所述靶標的靶標平面上設有多個標志點； 從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標； 根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標； 根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系； 根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標； 根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標的步驟之后，所述方法還包括: 獲取多個相機之間的外參數； 根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶標還包括: 靶標本體； 定位基準點，用于在所述靶標和管路接頭裝配時進行定位； 銷，用于所述靶標和管路接頭的徑向定位； 端面，用于所述靶標和所述管路接頭的軸向定位；以及 緊固部件，用于緊固所述靶標和管路接頭； 其中，所述靶標平面通過固定部固定在所述靶標本體上，所述銷固定連接在所述靶標本體上；且所述定位基準點位于所述靶標平面的一個角點，所述端面位于所述靶標本體與管路端面的接觸面處，所述緊固部件套于靶標本體外側，通過緊固螺釘將靶標本體與管路緊固。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個標志點包括一個大標志點及多個小標志點，所述大標志點用于確定所述祀標坐標系的原點，所述多個小標志點用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標的步驟包括: 對采集的所述圖像進行預處理； 對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域； 在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣； 根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系的步驟包括: 獲取相機的內參數； 設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系； 根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數，將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標； 通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化； 當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
7.一種管路端面中心點的測量裝置，其特征在于，包括: 圖像采集模塊，用于采集裝配有靶標的管路的圖像，所述靶標的靶標平面上設有多個標志點； 圖像坐標獲取模塊，用于從采集的所述圖像中獲得所述多個標志點幾何中心的圖像坐標； 靶標坐標系建立模塊，用于根據所述靶標平面上的多個標志點的相對位置，建立靶標坐標系，并獲取所述多個標志點在靶標坐標系中的坐標； 轉換關系獲取模塊，用于根據所述多個標志點的幾何中心圖像坐標和所述多個標志點在所述靶標坐標系中的坐標，獲取所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系； 相機坐標系坐標獲取模塊，用于根據所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系，獲取所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標； 相對位置獲取模塊，用于根據所述管路的各個接頭端面中心點在所述相機坐標系中的坐標，獲取所述管路的各個接頭端面中心點間的相對位置。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 坐標系統一模塊，用于獲取多個相機之間的外參數，并根據所述多個相機之間的外參數，將多個相機坐標系下的所述管路的各個接頭端面中心點的坐標統一到同一相機坐標系下。
9.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述靶標還包括: 靶標本體； 定位基準點，用于在所述靶標和管路接頭裝配時進行定位； 銷，用于所述靶標和管路接頭的徑向定位； 端面，用于所述靶標和所述管路接頭的軸向定位；以及 緊固部件，用于緊固所述靶標和管路接頭； 其中，所述靶標平面通過固定部固定在所述靶標本體上，所述銷固定連接在所述靶標本體上；且所述定位基準點位于所述靶標平面的一個角點，所述端面位于所述靶標本體與管路端面的接觸面處，所述緊固部件套于靶標本體外側，通過緊固螺釘將靶標本體與管路緊固。
10.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述多個標志點包括一個大標志點及多個小標志點，所述大標志點用于確定所述祀標坐標系的原點，所述多個小標志點用于確定所述靶標坐標系的坐標軸方向。
11.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述圖像坐標獲取模塊進一步用于: 對采集的所述圖像進行預處理； 對經過預處理的所述圖像進行閾值分割，獲得所述多個標志點的區域； 在分割出的所述任一標志點的區域中，提取所述標志點的邊緣； 根據提取出的所述標志點的邊緣，獲取所述標志點幾何中心的圖像坐標。
12.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述轉換關系獲取模塊包括: 參數獲取單元，用于獲取相機的內參數； 初始化單元，用于設定所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系； 投影單元，用于根據所述靶標坐標系與相機坐標系的初始轉換關系及所述相機的內參數將所述多個標志點的幾何中心投影到采集的所述圖像上，并獲得所述多個標志點幾何中心的投影坐標； 優化單元，通過最小二乘法對所述多個標志點的投影坐標進行優化； 確定單元，用于當所述標志點的投影坐標和對應的圖像坐標間的距離之和最小時，獲得所述靶標坐標系和相機坐標系的轉換關系。
【文檔編號】G01B11/00GK104315978SQ201410643708
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】劉檢華, 金鵬, 劉少麗, 丁曉宇, 王驍, 孫鵬, 王愛民 申請人:北京理工大學