CN103398669A

CN103398669A - 一种用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法和设备

Info

Publication number: CN103398669A
Application number: CN2013103261013A
Authority: CN
Inventors: 王光能; 舒远; 闫静; 米野; 高云峰
Original assignee: Shenzhen Hans Electric Motor Co Ltd; Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Hans Electric Motor Co Ltd; Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd; Han s Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明属于机器视觉技术领域，用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法，包括对被测物体的正面进行图像采集，提取出被测物体的整体轮廓信息；根据该整体轮廓信息，规划出被测物体的运动轨迹；使被测物体按照运动轨迹运动，实时采集被测物体的边缘曲面图像。应用该检测方法的设备包括：移动被测物体的多轴联动控制***；对被测物体的正面整体轮廓进行图像采集的面阵图像采集***；根据采集到的整体轮廓信息规划出被测物体的运动轨迹，并控制多轴联动控制***按运动轨迹移动被测物体的规划控制***；在被测物体移动过程中实时对被测物体的边缘曲面进行图像采集的线扫描图像采集***。本发明实现了对产品中自由曲面的自动化检测。

Description

一种用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法和设备

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，尤其涉及用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法和设备。

背景技术

在检测过程中，形状和表面规则的物体可用机器视觉自动检测的方法实现自动检测，但是对于自由曲面物体的检测很难实现自动检测。目前，大多数生产厂家采用的外观检测和测量方式都是人工检验，而人工检验结果往往存在很多不确定性，没有进行量化。检验人员每天重复着高强度的作业工作，不可能对每个产品都能做出准确的判断，容易产生随机性误检，且人工检验效率很低，需要占用大量的人力和时间，不利于满足产品批量检测的需求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法和设备，能够对产品中的自由曲面进行检测。

本发明实施例是这样实现的：

一种用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法，包括以下步骤：

对被测物体的正面进行图像采集，提取出被测物体的整体轮廓信息；

根据所述整体轮廓信息，规划出被测物体的运动轨迹；使被测物体按照所述运动轨迹运动，实时采集所述被测物体的边缘曲面图像。

所述的方法，将整体轮廓信息的图像坐标系与被测物体整体轮廓的世界坐标系一一对应；规划所述整体轮廓在图像坐标系中的运动轨迹，并转换为世界坐标系中的运动轨迹；使被测物体按照世界坐标系中的运动轨迹运动。

所述的方法，采用面阵图像采集***对被测物体的正面进行图像采集。

所述的方法，提供照明光源照射在所述被测物体的正面，使面阵图像采集***采集到清晰的图像。

所述的方法，将被测物体的正面一次成像或分为几个区域成像最后拼接成一幅图像，对被测物体的正面进行图像采集。

所述的方法，采用线扫描图像采集***采集所述边缘曲面图像。

所述的方法，提供照明光源照射在所述被测物体的边缘，使线扫描图像采集***采集到清晰的边缘曲面图像。

所述的方法，在物体旋转或平移的运动过程中，物体曲面边缘旋转的角速度转为的线速度与物体平移时的速度相同；正被线扫描图像采集***线性扫描的物体曲面边缘上的点与线扫描图像采集***的距离恒定不变。

所述的方法，通过控制多轴联动控制***使被测物体按照运动轨迹运动。

实现所述的方法的视觉检测设备，包括：

用于移动被测物体的多轴联动控制***；

用于对被测物体的正面整体轮廓进行图像采集的面阵图像采集***；

用于根据采集到的整体轮廓信息规划出被测物体的运动轨迹，并控制所述多轴联动控制***按所述运动轨迹移动被测物体的规划控制***；

用于在被测物体移动过程中实时对被测物体的边缘曲面进行图像采集的线扫描图像采集***。

本发明实施例通过采集被测物体的正面整体轮廓，规划出相应的运动轨迹，使被测物体按照该轨迹运动，再实时采集被测物体的边缘曲面图像，从而实现对被测物体曲面图像的检测，实现了检测的自动化，提高了对自由曲面检测的效率，保证检测的准确度，满足产品批量检测的需求。

附图说明

图1是被检测自由曲面物体的立体图；

图2是本发明实施例的检测设备框架原理图；

图3是本发明实施例中坐标关系转换图；

图4是本发明实施例中CCD1采集物体轮廓信息原理图；

图5是本发明实施例中CCD2采集物体边缘信息原理图；

图6是本发明实施例的检测方法流程图；

图7是被测手机外壳示意图；

图8是被测手机外壳移动示意图（一）；

图9是被测手机外壳移动示意图（二）；

图10是被测手机外壳移动示意图（三）；

图11是被测手机外壳移动示意图（四）；

图12是被测手机外壳整体移动示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过采集被测物体的正面整体轮廓，规划出相应的运动轨迹，使被测物体按照该轨迹运动，再实时采集被测物体的边缘曲面图像，从而实现对被测物体曲面图像的检测，实现了检测的自动化，提高了工作效率。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

如图1所示，本发明实施例用于任意曲面物体的检测，该被测物体需要检测的区域包括区域11、区域12、区域13、区域14、区域15、区域16、区域17、区域18和区域19。由于CCD1图像采集***镜头的视野范围有限，如果被测物体尺寸超过了镜头的成像范围，可以把正面分为几个区域进行拍摄。

图2是本发明实施例的检测设备框架原理图，包括Y轴22、X轴23、θ轴24、夹具25、任意曲面物体26、用于移动被测物体的多轴联动控制***、第一光源27、用于对被测物体的正面整体轮廓进行图像采集的CCD1面阵图像采集***、第二光源28、用于在被测物体移动过程中实时对被测物体的边缘曲面进行图像采集的CCD2线扫描图像采集***、用于根据采集到的整体轮廓信息规划出被测物体的运动轨迹，并控制所述多轴联动控制***按所述运动轨迹移动被测物体的规划控制***和显示器。第一光源27为CCD1图像采集***提供照明，保证CCD1面阵图像采集***能够采集到清晰的图像；CCD1面阵图像采集***是对物体的正面进行图像采集，提取出物体的轮廓信息，并将物体的轮廓信息输出给规划控制***，规划出平台的运动轨迹，最后由多轴联动控制***控制被测物体按照运动轨迹进行运动，第二光源28为线光源，为CCD2线扫描图像采集***提供照明，保证CCD2线扫描图像采集***在被测物体运动过程中，能够采集到清晰的图像；CCD2线扫描图像采集***是对被测物体的曲面进行成像，从而对物体曲面边缘进行检测。

如图3所示，设CCD1采集到的图像是图像坐标系74，运动控制***的坐标系为世界坐标系75，由CCD1采集到的图像上面物体的坐标与运动控制*** 的坐标是一一对应的。CCD1面阵图像采集***与运动控制***之间的坐标转换过程为：

成像过程中涉及到的像素坐标系72、相机坐标系73、图像平面71及光轴76如图所示。

dx：在像素坐标系O₀-uv中，x轴上相邻像素点的距离；

dy：在像素坐标系O₀-uv中，y轴上相邻像素点的距离；

(u₀，v₀)：投影到像素平面上的坐标；

R：从世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w转换到相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c的旋转矩阵，

R = [\begin{matrix} r_{1} & r_{2} & r_{3} \\ r_{4} & r_{5} & r_{6} \\ r_{7} & r_{8} & r_{9} \end{matrix}];

T：从世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w，转换到相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c的平移矩阵，T=[t_x t_y t_z]^T；

f：相机的焦距；

k₁:相机成像过程中的一阶畸变系数。

（1）世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w：在空间中，根据自然环境而任意选定的一个坐标系。

（2）相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c：是以相机的焦点为原点，x-y平面平行于图像平面，以光轴为z轴所建立的坐标系。

（3）像素坐标系O₀-uv：坐标原点在图像平面的左上角，x轴、y轴分别平行于图像平面的两条垂直边，u-v是以像素为单位的。

（4）图像坐标系O₁-xy：以图像平面中心为原点，x轴、y轴分别平行于图像平面的两条垂直边。其中，O₁在像素坐标系中的坐标为(u₀，v₀)。

空间点P的齐次坐标(X_w，Y_w，Z_w，1)^T与其投影点p的齐次坐标(u，v，1)^T的关系，如下：

Z_{c} [\begin{matrix} u \\ v \\ 1 \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{1}{dx} & 0 & u_{0} \\ 0 & \frac{1}{dy} & v_{0} \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} f & 0 & 0 & 0 \\ 0 & f & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} R & T \\ O^{T} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{w} \\ Y_{w} \\ Z_{w} \\ 1 \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{1}{dx} & 0 & u_{0} \\ 0 & \frac{1}{dy} & v_{0} \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} R & T \\ O^{T} & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} X_{w} \\ Y_{w} \\ Z_{w} \\ 1 \end{matrix}]

（1）

其中，R为3*3正交矩阵

[\begin{matrix} r_{1} & r_{2} & r_{3} \\ r_{4} & r_{5} & r_{6} \\ r_{7} & r_{8} & r_{9} \end{matrix}],

T为三维平移向量

[\begin{matrix} t_{x} \\ t_{y} \\ t_{z} \end{matrix}]

，OT=（0,0,0）。

令

[\begin{matrix} \frac{1}{dx} & 0 & u_{0} \\ 0 & \frac{1}{dy} & v_{0} \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] = M_{1} [\begin{matrix} R & T \\ o^{T} & 1 \end{matrix}] = M_{2}

（2）

Z_{c} [\begin{matrix} u \\ v \\ 1 \end{matrix}] = M_{1} M_{2} [\begin{matrix} X_{w} \\ Y_{w} \\ Z_{w} \\ 1 \end{matrix}]

（3）

M1由

u₀，v₀这些相机内部参数决定，而M₂由相机相对于世界坐标系的方位，即外部参数决定。

由（2）可以知道，当已知M₁，M₂与空间点P的世界坐标(X_w，Y_w，Z_w)，便可算出P与图像平面上坐标间的关系。

因此，世界坐标系中被测物体的世界坐标与CCD1面阵图像采集***所采集到的图像坐标一一对应，可以根据采集到的物体整体轮廓信息对物体的运动轨迹进行规划，通过多轴联动控制***精确移动被测物体。

CCD1采集物体轮廓信息的过程及采集到的物体轮廓的图像如图4所示。

CCD2采集物体边缘曲面信息的过程及分区域采集到的图像如图5所示。

由CCD1得到物体的轮廓信息后，以θ轴的旋转中心为中心点，计算出θ轴的中心点O的运动轨迹，并保证物体上的点与O的运动轨迹中的点一一对应。物体在进行X轴、Y轴方向平移和θ轴转动的过程中，必须保证平移和旋转速度一致，即：物体曲面边缘旋转的角速度转为的线速度与物体平移时的速度相同，且要保证物体在运动过程中正被线扫描图像采集***线性扫描的物体曲面边缘上的点与CCD2线扫描图像采集***的距离恒定不变。

如图6所示，本发明实施例的检测方法具体如下：

步骤1：将被测任意曲面物体固定在多轴联动控制***上；

步骤2：开启多轴联动控制***并找到零位；

步骤3：打开第一光源27；

步骤4：由CCD1面阵图像采集***采集被测物体的整体轮廓图像，将被测物体的正面一次成像或分为几个区域成像最后拼接成一幅图像，如果被测物体的尺寸超出镜头的成像景深范围，可将被测物体的正面分为两个或两个以上的区域，逐个区域对被测物体的正面进行图像采集；

步骤5：对图像进行处理，提取出被测物体的整体轮廓信息，根据整体轮廓信息，规划出被测物体的运动轨迹，将整体轮廓信息的图像坐标系与被测物体整体轮廓的世界坐标系一一对应，规划所述整体轮廓在图像坐标系中的运动轨迹，并转换为世界坐标系中的运动轨迹；

步骤6：将检测结果1显示在显示器上，检测结果1是被测任意曲面物体的整体轮廓。

步骤7：打开第二光源28；

步骤8：使物体按照世界坐标系中的运动轨迹运动，同时由CCD2线扫描图像采集***实时采集边缘曲面轮廓图像；

步骤9：对提取到的边缘轮廓图像进行处理；

步骤10：将边缘轮廓图像检测结果2显示在显示器上。

对于不同的物体边缘，运动轨迹也是不同的。规划运动轨迹的目的是：（1）保证物体在移动或转动的过程中，物体的速度恒定不变；（2）在物体运动的过程中，保证物体与CCD2线扫描图像采集***的距离不变，使线扫描图像采集***一直能够采集到清晰的图像；

为了更形象地阐述本发明实施例中的规划运动轨迹，图7至图12示出了检测手机外壳的规划运动轨迹，

此轨迹为工件中心点O（即θ轴圆心点）的轨迹：

1、工件从1号位置走到2号位置的轨迹，采用平移的方式，如图8所示；

2、工件从2号位置走到3号位置的轨迹，采用旋转的方式，如图9所示；

3、工件从3号位置走到4号位置的轨迹，采用平移的方式，如图10所示；

4、工件从4号位置走到1号位置的轨迹，采用旋转的方式，如图11所示；

图12是整个运动轨迹的组合图，从而完成了对手机外壳的检测。

本发明的实施例中，首先通过对被测物体的正面整体轮廓进行采集，根据所采集到的整体轮廓，规划被测物体的运动轨迹，同时在被测物体的运动过程中，对被测物体的边缘曲面图像进行采集，从而完成了整个检测过程，实现自由曲面的自动化检测，提高了工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于测量自由曲面的多轴联动视觉检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

将整体轮廓信息的图像坐标系与被测物体整体轮廓的世界坐标系一一对应；

规划所述整体轮廓在图像坐标系中的运动轨迹，并转换为世界坐标系中的运动轨迹；

使被测物体按照世界坐标系中的运动轨迹运动。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用面阵图像采集***对被测物体的正面进行图像采集。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：提供照明光源照射在所述被测物体的正面，使面阵图像采集***采集到清晰的图像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将被测物体的正面一次成像或分为几个区域成像最后拼接成一幅图像，对被测物体的正面进行图像采集。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用线扫描图像采集***采集所述边缘曲面图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：提供照明光源照射在所述被测物体的边缘，使线扫描图像采集***采集到清晰的边缘曲面图像。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在物体旋转或平移的运动过程中，物体曲面边缘旋转的角速度转为的线速度与物体平移时的速度相同；正被线扫描图像采集***线性扫描的物体曲面边缘上的点与线扫描图像采集***的距离恒定不变。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过控制多轴联动控制***使被测物体按照运动轨迹运动。

10.实现权利要求1所述的方法的视觉检测设备，其特征在于，包括：

用于移动被测物体的多轴联动控制***；