CN104897142A - 一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，立体靶标为正立方体结构，四个侧面为测量面。测量时，测量探针固定安装在立体靶标下底面接口处，将立体靶标置于双目或多目视觉***中，探针测头接触被测点，获取立体靶标图像，通过图像处理确定用于计算的测量面，分离出测量面上的编码点信息，求取编码值及中心定位点的三维坐标，再根据定位点与测头的距离关系，计算出被测点的三维坐标。本发明的有益效果是只要立体靶标处于相机视场范围内，都能获取被测点信息，进而准确测量被测机械零件上深孔、沟槽、复杂曲面等隐蔽几何特征，适用于各类机械零件尺寸、小孔、沟槽及复杂曲面的手动或自动测量。

Description

一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，涉及一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标。

背景技术

工业产品外形尺寸检测的核心内容是测量点三维坐标的获取，获取方式主要是依靠三维测量***以及各种专用的仪器。高精度、便捷、低成本的三维测量***已成为当前的发展趋势。目前，三维测量***可以分为非接触式、接触式以及两者组合测量三大类。

第一类为非接触式三维测量***，包括激光跟踪测量***、三维扫描视觉坐标测量机、工业数字近景摄影测量***等。激光跟踪测量***是工业测量***中一种大尺寸测量仪器，它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，适合于大尺寸工件配装测量，但便携性不足、价格昂贵、效率一般。三维扫描视觉坐标测量机是将结构光传感器或物体安装在移动装置上，通过移动装置的运动来实现对物体表面的三维扫描，应用在曲面造型、模具设计、人体外貌描绘、工艺品复制等行业，但测量精度不高。工业数字摄影测量***是先把适当数量的光反射单元合理安装在被测物体上，通过在不同位置和方向上的相机获取同一物体的2幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到被测物体的三维图像，适合于静止状态下的工件测量，但存在人工粘贴和清除标记工作等问题，并且粘贴标记部位点云数据易缺失。

第二类为接触式三维测量***，包括三坐标测量机、关节臂式柔性三坐标测量机等。三坐标测量机是接触式三维测量的代表，测量的时候通过安装在测量机的红宝石探针接触实体表面，从而获取工件的三维坐标。一台三坐标测量机的重量往往几吨甚至几十吨，不适用于现场移动式测量。关节臂式柔性三坐标测量机是一种关节可旋转且手臂可移动的三坐标测量仪器，具有很好的便携性和现场检测能力，但无法测量曲面复杂的机械零件尺寸及自动测量。

第三类为接触式和非接触式组合测量***，主要是基于视觉的便携式平面式光笔测量***，它将传统的接触测量技术和CCD检测技术相结合，具有接触式测量和非接触式测量的优点，但便携式平面光笔必须手持测量，并且由于该光笔平面结构的特点，只能通过单一平面提供特征信息，在测量过程中往往容易出现标志点的遮挡问题，难以实现复杂空间转换及自动化测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，解决了机械零件复杂曲面的尺寸测量及配合机械手自动测量等问题。

本发明所采用的技术方案是测量探针固定安装在立体靶标下底面接口处，将立体靶标置于双目或多目视觉***中，摄像机获取立体靶标图像，通过图像处理确定用于计算的测量面，分离测量面上的编码点信息，求取编码值及中心定位点的三维坐标，再根据中心定位点与探针测头之间的距离关系，计算出测头在以左摄像机坐标系为世界坐标系下的三维坐标，从而得到被测点的三维坐标，进而获取被测机械零件的几何尺寸。

进一步，所述从立体靶标图像中确定用于计算的测量面方法是对立体靶标图像进行二值化处理，测量面在二值化图像中显示为方形区域，通过计算和比较测量面的面积，确定较大者为用于计算的测量面。

进一步，所述求取计算测量面上编码点定位区中心定位点三维坐标的方法是通过设定圆度阈值，提取计算测量面图像中编码点的定位区图像，采用灰度质心法求得中心定位点图像坐标，进而求取中心定位点的三维坐标。

进一步，所述立体靶标为正立方体结构，包括靶标测量面及上、下端面接口，测量面为正立方体的四个侧面，每个侧面粘贴有四个面积相等的正方形编码贴，每个编码贴上有一个编码点，立体靶标测量面、编码点上的中心定位点都与测量探针测头之间存在着固定几何位置关系，构成一个距离矩阵。

进一步，所述编码点由识别区和定位区构成；识别区为一个圆环，被均分成八个黑白相间的编码区域，对应一个唯一的二进制值；定位区为一个白色的圆，圆心为中心定位点。

进一步，所述编码贴是反光标志贴；编码贴上除编码点外的区域为黑色，编码点内识别区与定位区之间的间隔区为黑色圆环。

本发明的有益效果是能准确测量被测机械零件上深孔、沟槽、复杂曲面等隐蔽几何特征，适用于各类机械零件尺寸、小孔、沟槽及复杂曲面的手动或自动测量。

附图说明

图1所示为立体靶标的外形及结构示意图；

图2所示为编码点结构及编码贴；

图3所示为一个测量面上均匀分布的四个编码贴；

图4所示为基于本发明所述立体靶标构成的一个双目视觉测量***组成示意图；

图5所示为A测量面上四个编码贴的中心定位点与测头之间的距离关系模型；

图6所示为基于立体靶标的测量工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1所示为正立方体的立体靶标，包括A测量面1，D测量面2，C测量面3，上端面接口4，B测量面5，编码贴6，编码点7，下底面接口8。每个测量面上均设有4个编码贴，编码贴上设有编码点。立体靶标上端面接口4用于固定安装在机械手或手持器末端，下底面接口8用于安装和固定测量探针。图2所示为编码点结构a及编码贴b。编码点由识别区和定位区构成。图3所示为一个测量面上均匀分布的四个编码贴，定义为k1、k2、k3、k4，其中，k＝a,b,c,d。图4为基于本发明的双目视觉测量***，由立体靶标9、测量探针10、计算机11、CCD摄像机12和被测物体13组成，多目测量***依此类推可增加CCD摄像机。分别定义左、右两摄像机坐标系为OXYZ、OsXsYsZs，定义左摄像机坐标系OXYZ为世界坐标系，探针测头定义为点p，p点在摄像机坐标系OXYZ下的三维坐标值为(x,y,z)。将立体靶标四个相邻的侧面定义为A、B、C、D，定义A面4个编码点为a_i(i＝1,2,3,4)，编码点a_i的中心定位点为a_i0，B、C、D面依此类推。

如图5所示，因为立体靶标测量面、编码点上的中心定位点都与测量探针测头之间存在着固定几何位置关系，定义测量面上四个中心定位点与测头之间的距离矩阵分别为： $T_A=f_a(\stackrel{\‾}{a_{10}p},\stackrel{\‾}{a_{20}p},\stackrel{\‾}{a_{30}p},\stackrel{\‾}{a_{40}p}),T_B=f_b(\stackrel{\‾}{b_{10}p},\stackrel{\‾}{b_{20}p},\stackrel{\‾}{b_{30}p},\stackrel{\‾}{b_{40}p}),$ $T_C=f_c(\stackrel{\‾}{c_{10}p},\stackrel{\‾}{c_{20}p},\stackrel{\‾}{c_{30}p},\stackrel{\‾}{c_{40}p}),T_D=f_d(\stackrel{\‾}{d_{10}p},\stackrel{\‾}{d_{20}p},\stackrel{\‾}{d_{30}p},\stackrel{\‾}{d_{40}p}),$ 其中，为中心定位点a₁₀到点p的距离，f_a为距离函数，其它依此类推。

被测点三维坐标的获取，过程如图6所示。当测量探针的测头与被测物体上的被测点接触时，相机获取此姿态时立体靶标的图像。首先，确定立体靶标上用于计算的测量面，方法是：对获取的立体靶标图像进行二值化处理，得到靶标的二值化图像。测量面在二值化图像中显示为方形区域，通过计算和比较测量面的面积，确定较大者为立体靶标上用于计算的测量面。求取计算测量面上中心定位点的图像坐标，方法是：通过设定圆度阈值，提取计算测量面图像中四个编码点的定位区图像，采用灰度质心法求得中心定位点图像坐标分别为k₁₀(u_k1,v_k1)，k₂₀(u_k2,v_k2)，k₃₀(u_k3,v_k3)，k₄₀(u_k4,v_k4)(k＝a,b,c,d)。测量面上编码点识别区解码，方法是：通过求取的k₁₀、k₂₀、k₃₀、k₄₀，提取出编码点识别区图像，根据编码规则求解出识别区编码对应的数字，完成编码点图像的身份解码。其次，根据双目视觉的测量原理和已求取的四个中心定位点的图像坐标值，求得立体靶标测量面四个中心定位点在摄像机坐标系OXYZ下的三维坐标值，分别为：k₁₀(x_k1,y_k1,z_k1),k₂₀(x_k2,y_k2,z_k2),k₃₀(x_k3,y_k3,z_k3),k₄₀(x_k4,y_k4,z_k4)(k＝a,b,c,d)。

于是，测量面上四个中心定位点的摄像机坐标值矩阵为 $M_K=\left[\begin{array}{c}{k}_{10}\\ k_{20}\\ k_{30}\\ k_{40}\end{array}\right]$

最终，计算出p点的三维坐标：P^T＝|T_Ι|·M_K(I＝A,B,C,D；k＝a,b,c,d)。

由于测量时探针测头和被测机械零件的被测点直接接触，因此，在理论上，p点的三维坐标可理解成被测点在摄像机坐标系下的三维坐标。依此推出，可多点、多姿态测量，进行三维重构，计算被测机械零件的全面几何尺寸，完成测量工作。

本发明的有益效果是：

1、既可固定在手持器末端进行手持式测量，也可固定在机械手末端进行自动化测量，且不受移动机构精度的影响；

2、相较于一般的光学测量***，能准确测量被测零件上深孔、沟槽、复杂曲面等隐蔽几何特征；

3、结合多目相机测量，扩大测量范围，只要立体靶标处于相机视场范围内并与被测零件相接触，不管立体靶标处于何种位置，无需再调整其姿态，都能获取被测点三维坐标信息；

因此，该立体靶标适用于各类机械零件尺寸、小孔、沟槽及复杂曲面的手动或自动测量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：测量探针固定安装在立体靶标下底面接口处，将立体靶标置于双目或多目视觉***中，摄像机获取立体靶标图像，通过图像处理确定用于计算的测量面，分离测量面上的编码点信息，求取编码值及中心定位点的三维坐标，再根据中心定位点与探针测头之间的距离关系，计算出测头在以左摄像机坐标系为世界坐标系下的三维坐标，从而得到被测点的三维坐标，进而获取被测机械零件的几何尺寸。

2.按照权利要求1所述一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：所述从立体靶标图像中确定用于计算的测量面方法是对立体靶标图像进行二值化处理，测量面在二值化图像中显示为方形区域，通过计算和比较测量面的面积，确定较大者为用于计算的测量面。

3.按照权利要求1所述一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：所述求取计算测量面上编码点定位区中心定位点三维坐标的方法是通过设定圆度阈值，提取计算测量面图像中编码点的定位区图像，采用灰度质心法求得中心定位点图像坐标，进而求取中心定位点的三维坐标。

4.按照权利要求1所述一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：所述立体靶标为正立方体结构，包括靶标测量面及上、下端面接口，测量面为正立方体的四个侧面，每个侧面粘贴有四个面积相等的正方形编码贴，每个编码贴上有一个编码点，立体靶标测量面、编码点上的中心定位点都与测量探针测头之间存在着固定几何位置关系，构成一个距离矩阵。

5.按照权利要求4所述一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：所述编码点由识别区和定位区构成；识别区为一个圆环，被均分成八个黑白相间的编码区域，对应一个唯一的二进制值；定位区为一个白色的圆，圆心为中心定位点。

6.按照权利要求4所述一种适用于双目或多目视觉尺寸测量的立体靶标，其特征在于：所述编码贴是反光标志贴；编码贴上除编码点外的区域为黑色，编码点内识别区与定位区之间的间隔区为黑色圆环。