CN103499302B - 基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，属于结构光测量技术领域。能够实时检测轴盘类零件加工时其直径尺寸的变化。首先，建立用于凸轮轴直径测量的结构光视觉成像***模型；然后，基于经典的CCD摄像机平面表面标定法，对摄像机内参及畸变系数、结构光平面参数进行标定；接着，通过标定模型，对结构光光条与零件表面的交点进行三坐标重构，将并将重构得到的交点的三维坐标转化成结构光平面上的二维坐标；最后，通过拟合的方法得到凸轮轴的直径参数。本发明采取了视觉测量技术，因此能实现在线非接触检测，同时采用了精确的结构光技术，能保证较高的测量精度。简化了拟合过程，提高了测量精度，且更利于实际应用。

Description

基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法

技术领域

本发明涉及结构光测量领域，特别涉及一种基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法。

背景技术

凸轮轴是汽车发动机的关键零件之一，具有用量大、制造技术复杂和附加值高的特点。凸轮轴的制造质量直接影响发动机的动力特性。2009年我国共生产了各类凸轮轴2.3亿根，其中近一半是轿车用凸轮轴，产值近千亿。因此，从汽车产业对凸轮轴的需求看，研究并掌握凸轮轴制造的关键技术具有巨大的市场需求。

凸轮轴在制造过程中，要对凸轮表层材料进行热处理，导致凸轮轴各截面的直径尺寸发生变化，这种变化会引起凸轮轴的弯曲，从而影响轴颈和凸轮的磨削加工，甚至造成零件报废。因此，在制造过程中，必须对凸轮轴的直径进行实时的测量。近年来，轿车发动机多采用双顶置凸轮轴，这对凸轮轴的校直技术提出了更高的要求。不但要求凸轮轴的检测精度更高、检测速度更快，而且要求凸轮轴的检测与校直集成在一起。

目前，工业上应用的主要测量方法按照测量装置是否与被测零件相接处，通常分为接触测量和非接触测量。接触测量方法包括：卡尺测量法、螺旋测微器测量法和三坐标测量机测量法等方法，这种测量方法的工作强度大、效率低、很难实现在线测量。非接触测量方法主要是指基于光学原理的测量方法，包括机器视觉测量方法和结构光测量方法。与传统的接触式测量方法相比，非接触测量方法具有以下优点：

(1)易于信息集成和管理，可实现智能检测；

(2)可用于长时间的恶劣条件，或者无法进行接触测量的情况；

(3)检测对象范围广，可承担人眼无法完成的检测任务

目前，机器视觉测量方法的测量对象大多限于二维尺寸，被测尺寸所在的物体表面就是成像平面，可以利用机器视觉中的边缘检测实现测量，或者用边缘检测和摄像机标定相结合完成高精度测量。然而，齿轮轴是三维实体，测量尺寸所在的物体表面不再是成像平面，对于二维尺寸的测量方法就不再适用。并且，由于被测零件的基准尺寸往往在几十到上百毫米，远大于摄像机镜头的尺寸，此时，机器视觉测量方法就不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，克服了现有非接触检测方法的不足，保证了较低的硬件成本、较高的检测效率和较好的测量精度。是一种更有效的凸轮轴直径尺寸的在线非接触检测方法，是采用结构光视觉成像的方法，考虑到CCD摄像机、结构光和被测凸轮轴之间的位置关系，综合使用摄像机标定、光条中心线检测和角点检测等方法实现测量。这种方法利用CCD摄像机检测一字线激光器照射到物体上的光点位置变化，按照***的标定模型计算凸轮轴直径。在标定过程中，本方法考虑了光条图像的畸变，可有效的提高标定精度。测量过程中，不要求被测凸轮轴与测量***有特定的位置关系，放松了对测量***的摆放要求，更有利于实际应用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，基于一字线结构光视觉成像***，建立凸轮直径尺寸的测量模型，结合光条中心线检测技术、角点检测技术和摄像机标定技术等实现被测凸轮轴直径的测量，其包括以下步骤：

1、标定CCD摄像机的内参及畸变系数；

2、标定一字线结构光平面参数；

3、计算凸轮轴表面被测点三维坐标；

4、计算凸轮轴直径尺寸。

上述步骤1中所述的标定CCD摄像机的内参及畸变系数，是基于张正友提出的摄像机平面标定算法，使用高精度标定板在不同姿态下图像的角点坐标，标定出摄像机内部参数和镜头的畸变系数，具体过程包括下列步骤：

1.1）利用CCD摄像机采集9幅标定板在不同姿态下的图像；

1.2）使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标；

1.3）基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和世界坐标求解摄像机内参、畸变系数和外参的初值；

1.4）利用所有不同姿态的标定板图像中提取到的角点的像素坐标和世界坐标，对摄像机内部参数矩阵、畸变系数、标定板外参进行优化求解，此优化问题可采用Levenberg-Marquardt(L-M)法求解。

上述步骤2中所述的标定一字线结构光平面参数，是利用结构光平面上的若干点，计算结构光平面在摄像机坐标系下的方程，具体过程包括以下步骤：

2.1）将一贴有黑色打印纸的平面靶标与平面标定板同时固定在同一玻璃框平面上，使结构光光线照射到黑色打印纸平面上，用CCD摄像机采集该装置在不同姿态下的5幅图像；

2.2）基于张正友的平面标定法，利用每个姿态下图像中的角点坐标（像素坐标和世界坐标）计算标定板所在平面在该位置下的外参，建立该位置姿态下平面上被测点的世界坐标与其像素坐标的对应关系；

2.3）通过光条中心线检测的方法得到光条中心点的亚像素坐标，通过步骤2.2）建立的关系，计算得到其对应的靶标平面上的目标点在摄像机坐标系下的坐标；

2.4）使用通过步骤2.3）计算得到的5幅图像中的光条中心点对应的目标点，在摄像机坐标系下利用最小二乘拟合法计算结构光平面的平面方程。

上述步骤3中所述的计算凸轮轴表面被测点三维坐标，具体过程包括以下步骤：

3.1）保持CCD摄像机和激光器的相对位置不变，将被测凸轮轴安装好，用CCD摄像机采集被测凸轮轴的图像；

3.2）将采集到的图像送到计算机***里进行处理，提取光条中心线的亚像素坐标，计算该坐标对应的光线在摄像机坐标系下的方程；

3.3）联立光线方程与光平面方程即可得到被测点在摄像机坐标系下的坐标。

上述步骤4中所述的计算凸轮轴直径尺寸，具体过程包括以下步骤：

4.1）在光平面上建立局部世界坐标系，根据光平面在摄像机坐标系下的方程，计算该局部坐标系与摄像机坐标系之间的变换关系，即两坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

4.2）将被测点在摄像机坐标系下的三维坐标转换为局部世界坐标系下的二维坐标；

4.3）在光平面上，用椭圆方程对被测点坐标进行拟合，椭圆的短轴长度即为被测轴直径。

本发明的积极效果在于：基于经典的平面标定法对结构光参数进行标定，标定过程中，有效地修正了图像中光条中心线的畸变失真；在结构光平面上建立局部世界坐标系，将被测点在摄像机坐标系下的三维坐标转化成二维坐标，简化了拟合过程，提高了测量精度；在对结构光视觉成像***完成标定之后，测量时，只需要保证CCD摄像机和激光器的相对位置关系不变即可，放松了测量***与被测零件之间摆放位置的要求，更利于实际应用；本发明采取了视觉测量技术，因此能实现在线非接触检测，同时采用了精确的结构光技术，能保证较高的测量精度，对于直径小于100mm的凸轮轴零件，其测量精度小于等于±0.015mm。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的凸轮轴直径尺寸结构光视觉检测方法的CCD摄像机标定硬件示意图；

图2为本发明的凸轮轴直径尺寸结构光视觉检测方法的一字线结构光平面标定硬件示意图；

图3为本发明的凸轮轴直径尺寸结构光视觉检测硬件示意图；

图4为本发明的摄像机内参标定时所用的标定板图像；

图5为本发明的凸轮轴测量***模型；

图6为本发明的共面装置示意图；

图7为本发明的坐标系变换步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

本发明的基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，基于结构光视觉成像***，建立凸轮直径尺寸的测量模型，结合光条中心线检测技术、角点检测技术和摄像机标定技术等实现被测凸轮轴直径的测量，其包括以下步骤：

1、标定CCD摄像机的内参及畸变系数。基于张正友提出的摄像机平面标定算法，使用高精度标定板在不同姿态下图像的角点坐标，标定出摄像机内部参数和镜头的畸变系数，具体过程包括下列步骤：

1.1）利用CCD摄像机采集9幅标定板在不同姿态下的图像。采集图像时，如图1所示，标定板2置于背景光源1和CCD摄像机7之间，镜头6和计算机8分别与CCD摄像机7相连；采集得到的9幅标定板图像如图4所示。

1.2）使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标；

1.3）基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和世界坐标求解摄像机内参、畸变系数和外参的初值；

1.4）利用所有不同姿态的标定板图像中提取到的角点的像素坐标和世界坐标，对摄像机内部参数矩阵和畸变系数进行优化求解，此优化问题可采用Levenberg-Marquardt(L-M)法求解。

在标定摄像机内参及畸变系数的过程中，涉及的坐标系如下：

O _W X _W Y _W Z _W ——世界坐标系；O _C X _C Y _C Z _C ——摄像机坐标系；

Oxy——图像坐标系，O ₀ uv——像素为坐标系。

摄像机的成像过程即是空间物点在这四个坐标系中的一系列变换过程，如图5所示，本发明采用的标定模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，，(X _w ,Y _w ,Z _w )为世界坐标，(X _c ,Y _c ,Z _c )为摄像机坐标，(x _u ,y _u )和(x _d ,y _d )分别为理想图像坐标和实际图像坐标，(x _p ,y _p )为像素坐标，k ₁ ，k ₂ 为镜头的径向畸变系数，r ₁ 、r ₁ 和t为外参，其中r ₁ 和r ₁ 是旋转矩阵R的前两列，t为平移向量，为摄像机内参矩阵。

2、标定一字线结构光平面参数。利用结构光平面上的若干点，计算结构光平面在摄像机坐标系下的方程，具体过程包括以下步骤：

2.1）将一贴有黑色打印纸的平面靶标与平面标定板同时固定在同一玻璃框平面上，制作成一个共面装置（实物样式如图6所示），使结构光光线照射到黑色打印纸平面上，用CCD摄像机7采集该装置在不同姿态下的5幅图像。采集图像时，如图2所示，CCD摄像机7与镜头6组合、一字线激光器5和共面装置3呈三角形分布摆放，沿CCD摄像机7的摄影方向，背光源1置于共面装置3的后侧，CCD摄像机7与计算机8相连。

2.2）基于张正友的平面标定法，利用每个姿态下图像中的角点坐标（像素坐标和世界坐标）计算标定板所在平面在该位置下的外参，建立该位置姿态下平面上被测点的世界坐标与其像素坐标的对应关系；

2.3）通过光条中心线检测的方法得到光条中心点的亚像素坐标，利用步骤2.2）建立的关系，计算得到其对应的靶标平面上的目标点在摄像机坐标系下的坐标。将光条中心点的亚像素坐标(x _p ,y _p )带入公式(4)，并通过公式(3)、(2)和(1)便可以确定该目标点在摄像机坐标系下的坐标。

2.4）使用通过步骤2.3）计算得到的5幅图像中的光条中心点对应的目标点，在摄像机坐标系下利用最小二乘拟合法计算结构光平面的平面方程。

其中，标定结构光平面参数的数学建模过程如下：

设待求光平面在O _C X _C Y _C Z _C 下的方程为：

(5)

在每次拍摄的共面装置图像中，在光条中心线上选取40个点，则一共可以获得200个光条中心点在O _C X _C Y _C Z _C 下的坐标(X _Cj ⁱ ,Y _Cj ⁱ ,Z _Cj ⁱ )，i=1,2,…,5，j=1,2,…,40，利用这些点可以建立如下目标函数：

(6)

根据最小二乘原理，解得光平面方程的系数为：

3、计算凸轮轴表面被测点三维坐标。具体过程包括以下步骤：

3.1）保持CCD摄像机7和一字线激光器5的相对位置不变，将被测凸轮轴4安装好，用CCD摄像机7采集被测凸轮轴4的图像，如图3所示，CCD摄像机7与镜头6的组合、一字线激光器5和被测凸轮轴4之间呈三角形分布摆放，计算机8与CCD摄像机7相连。

3.2）将采集到的图像送到计算机***里进行处理，提取光条中心线的亚像素坐标，计算该坐标对应的光线在摄像机坐标系下的方程。根据检测到的被测点的亚像素坐标(x _p ,y _p )，将其代入公式(3)和(4)，计算得到其在Oxy下的理想图像坐标(x _u ,y _u )，将该坐标代入公式(2)就可以确定光线O _C p在O _C X _C Y _C Z _C 下的方程。

3.3）联立光线方程与光平面方程即可得到被测点在摄像机坐标系下的坐标。

4、计算凸轮轴直径尺寸。具体过程包括以下步骤：

4.1）在光平面上建立局部世界坐标系，根据光平面在摄像机坐标系下的方程，计算该局部坐标系与摄像机坐标系之间的变换关系（即两坐标系之间的旋转矩阵和平移向量）；

4.2）将被测点在摄像机坐标系下的三维坐标转换为局部世界坐标系下的二维坐标；

4.3）在光平面上，用椭圆方程对被测点坐标进行拟合，椭圆的短轴长度即为被测轴直径

其中，局部坐标系的建立及其与摄像机坐标系之间的刚性变换关系的求解过程如下：

如图7(4)所示，本发明建立的局部世界坐标系O _e X _e Y _e Z _e 的O _e X _e Y _e 平面与平面重合，O _e Z _e 轴与平面垂直，在此坐标系下，平面上的点Z _e =0。设目标点在O _C X _C Y _C Z _C 下的坐标(X _C ,Y _C ,Z _C )^T与其在O _e X _e Y _e Z _e 下的坐标(X _e ,Y _e ,Z _e )^T之间的转换关系为：

(7)

其中,T=(T _X ,T _Y ,T _Z )^T表示坐标系O _e X _e Y _e Z _e 分别沿X _C 轴、Y _C 轴和Z _C 轴相对坐标系O _C X _C Y _C Z _C 的位移量，R=R()是一个3×3的单位正交旋转矩阵，三个旋转角度分别为绕Z _C 轴的，绕Y _C 轴的，绕X _C 轴的。

对于两个坐标系之间的位置关系，如图7所示，坐标系O _e X _e Y _e Z _e 可以看成是O _C X _C Y _C Z _C 经过三步变换得到的，即沿Z _C 轴移动T _Z ，绕Y _C 轴旋转，绕X _C 轴的，以下分别求解这三个方向上的位置变动分量。

1)沿Z _C 轴的移动量T _Z

坐标系O _C X _C Y _C Z _C 沿Z _C 轴移动前后的关系如下所示：

(8)

将公式(8)带入方程(5)，得到：

(9)

如图7(2)所示，将坐标系O _C X _C Y _C Z _C 沿Z _C 轴移动T _Z 后，平面过该坐标系下的原点，因此得到。

2)绕Y _C 轴的转动量

坐标系O _C1 X _C1 Y _C1 Z _C1 移动前后的关系为：

(10)

将公式(10)带入方程(9)，得到：

(11)

如图7(3)所示，在移动之后的坐标系中，平面通过X _C2 轴，因此，即。

3)绕X _C 轴的转动量

坐标系O _C2 X _C2 Y _C2 Z _C2 移动前后的关系为：

(12)

将公式(12)带入方程(11)，得到：

(13)

如图7(4)所示，在移动之后的坐标系中，平面通过Y _e 轴，因此，即。

通过求得的上述三个方向上的位置变动分量，得到坐标系O _e X _e Y _e Z _e 与O _C X _C Y _C Z _C 的变换关系如下：

(14)

应用公式(14)的坐标变换公式，将计算得到的齿廓表面被测点的投影点p'和平面与轴线MN的交点Q在O _C X _C Y _C Z _C 下的坐标转化为在O _e X _e Y _e Z _e 下的坐标。由于这些坐标都在O _e X _e Y _e 平面上，因此转化完的坐标Z _e =0。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，其特征在于：基于结构光视觉成像***，建立凸轮直径尺寸的测量模型，结合光条中心线检测技术、角点检测技术和摄像机标定技术实现被测凸轮轴直径的测量，其包括以下步骤：

1）标定CCD摄像机的内部参数及畸变系数；

2）标定一字线结构光平面参数；

3）计算凸轮轴表面被测点三维坐标；

4）计算凸轮轴直径尺寸；

步骤2）中所述的标定一字线结构光平面参数，是利用结构光平面上的若干点，计算结构光平面在摄像机坐标系下的方程，具体过程包括以下步骤：

2.1）将一贴有黑色打印纸的平面靶标与平面标定板同时固定在同一玻璃框平面上，使结构光光线照射到黑色打印纸平面上，用CCD摄像机采集该平面靶标与平面标定板在不同姿态下的5幅图像；

2.2）基于张正友的平面标定法，利用每个姿态下图像中的角点的像素坐标和世界坐标，计算标定板所在平面在每个姿态下的外参，建立每个姿态下平面上被测点的世界坐标与其像素坐标的对应关系；

2.3）通过光条中心线检测的方法得到光条中心点的亚像素坐标，利用步骤2.2）建立的关系，计算得到其对应的靶标平面上的目标点在摄像机坐标系下的坐标；

2.4）使用通过步骤2.3）计算得到的5幅图像中的光条中心点对应的目标点，在摄像机坐标系下利用最小二乘拟合法计算结构光平面的平面方程。

2.根据权利要求1所述的基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，其特征在于：步骤1）中所述的标定CCD摄像机的内部参数及畸变系数，是基于摄像机平面标定算法，使用高精度标定板在不同姿态下图像的角点坐标，标定出摄像机内部参数和镜头的畸变系数，具体过程包括下列步骤：

1.1）利用CCD摄像机采集9幅标定板在不同姿态下的图像；

1.2）使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标；

1.3）基于摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和世界坐标求解摄像机内部参数、畸变系数和外参的初值；

1.4）利用所有不同姿态的标定板图像中提取到的角点的像素坐标和世界坐标，对摄像机内部参数矩阵、畸变系数、标定板外参进行优化求解，此优化问题可采用Levenberg-Marquardt(L-M)法求解。

3.根据权利要求1所述的基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，其特征在于：步骤3）中所述的计算凸轮轴表面被测点三维坐标，具体过程包括以下步骤：

3.1）保持CCD摄像机和激光器的位置不变，将被测凸轮轴安装好，用CCD摄像机采集被测凸轮轴的图像；

3.2）将采集到的图像送到计算机***里进行处理，提取光条中心线的亚像素坐标，计算该坐标对应的光线在摄像机坐标系下的方程；

3.3）联立光线方程与光平面方程即可得到被测点在摄像机坐标系下的坐标。

4.根据权利要求1所述的基于结构光视觉成像***的凸轮轴直径尺寸在线测量方法，其特征在于：步骤4）中所述的计算凸轮轴直径尺寸，具体过程包括以下步骤：

4.1）在光平面上建立世界坐标系，根据光平面在摄像机坐标系下的方程，计算该世界坐标系与摄像机坐标系之间的变换关系，即两坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

4.2）将被测点在摄像机坐标系下的三维坐标转换为世界坐标系下的二维坐标；

4.3）在光平面上，用椭圆方程对被测点坐标进行拟合，椭圆的短轴长度即为被测轴直径。