CN109373897A - 一种基于激光虚拟标尺的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光虚拟标尺的物体表面尺寸非接触式测量方法，所述方法由激光器射出一束准直光束，经特殊设计的分光棱镜后射出带有θ倾角，间距为S的两束平行光束，并投射到测量区域形成激光标尺，移动激光器或转动分光棱镜，使激光标尺在若干不同位置上出现并用相机拍摄到不同位置上覆盖标尺的高清照片，利用智能识别算法获得每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离，即可获得全场或局部待测区域的水平、竖直方向上的激光虚拟比例尺散点数据，利用移动最小二乘法对散点数据进行拟合，获得全场或局部待测区域的像素比例尺分布场，利用曲线或面积积分算法，完成对物体尺寸的亚像素级精度测量。

Description

一种基于激光虚拟标尺的测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种以激光为虚拟标尺的测量方法。

背景技术

非接触式测量是近年工业界和学术界的研究热点，其拥有数字化，智能化等优点。对于一些高危或者难以触及的目标物体，非接触式测量不需要再在其附近设置标准框一类的外加标尺就能测量其大小，比起传统的测量，有较大优点。近年来非接触测量主要包括：(1)双目或者多目测量，其利用两台或者多台位置已知的摄像机对特定点进行拍摄，然后根据光学规律计算出图像的距离和图像物体的尺寸；(2)激光三角法，其按一定角度发射红外光束，利用CCD检测器检测被物体反射的光束，获取光束偏移值，利用三角几何关系可测得激光器到物体的距离；(3)数字图像相关法，对在固定位置的相机进行标定，然后对图像进行拍摄，通过像素间距与实际尺寸建立的关系算出物体的尺寸，变形。双目测量精度较差，其次需要对比两个或者三个拍摄载体的照片，对硬件要求高。激光三角法，对偏移量的检测需保证检测器的灵敏度和测量范围，对硬件有较高要求。数字图像相关法精度较高，然而要求拍摄点固定且无振动，并需要对相机进行严格标定，算法比较复杂，对硬件要求也高。基于此，研究人员提出了一些改进的方法。专利(徐熙平,李红伟,张宁，一种基于激光标定的图像尺寸测量方法，中国专利：201110119174.6,2012-11-14)提出一种基于激光标定的图像尺寸测量方法，其使用两个可以调节距离的激光器射出两束平行光投影在物体上，作为物体的标尺对待测件进行测量。然而，受制于制造工艺的限制，难于保证两个激光器的高精度平行度，其次是两束光产生的光斑不一致，不容易测量他们之间的间距，这两种情况将使测量误差增大，造成这种测量方法失效。北京林业大学工学院提出一种基于图像的树径检测方法(程朋乐，李晓慧，基于图像的树径检测方法，中国专利：201010503306.0，2012-01-25.)，利用激光拥有准直性好，发散角小的特点，将激光光束准直扩束后照射到立木直径上，利用照射到立木上的光斑作为图像检测的标尺，对立木直径进行检测。但是，实际测量中不能保证激光光束与被测物体垂直，从而导致光斑变形，其次光斑一般边缘模糊，难于确定其真实直径，这些情况下检测出的立木直径就会产生很大的误差，造成这种检测方法失效。

发明内容

为克服以上问题，本发明提出一种利用一个激光器射出一束激光，通过透镜入射到分光棱镜后，形成两束距离确定的高平行度的平行光束，光束投射在物体表面形成标尺，并对标尺进行修正获得高精度像素比例尺，通过对离散比例尺的数据拟合，形成比例尺分布场，再根据曲线和面积积分算法，完成对物体的亚像素级精度测量的方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于激光虚拟标尺的测量方法，由激光器射出一束准直光束，经分光棱镜后射出带有倾角θ，间距为S的两束平行光束，并投射到测量区域形成激光标尺，移动激光器或转动分光棱镜，使激光标尺在若干不同位置上出现并用相机拍摄到不同位置上覆盖标尺的高清照片，利用智能识别算法获得每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离，即可获得全场或局部待测区域的水平、竖直方向上的激光虚拟比例尺散点数据，利用移动最小二乘法对散点数据进行拟合，获得全场或局部待测区域的像素比例尺分布场，利用曲线或面积积分算法，完成对物体尺寸的亚像素级精度测量。

进一步地，所述激光标尺具体形成包括从激光器产生的光束通过透镜入射到分光棱镜，形成两束间距为S的平行光束，照射到测量区域形成由两光斑组成的激光标尺。

进一步地，通过相机记录高清照片，附在分光棱镜上的倾角仪记录倾角θ。

进一步地，所述激光器用以输出可调波段激光以适应不同测量对象并被智能识别；

透镜用以扩展激光器输出的可调波段激光光斑面积，并缩小光束的发散角，从而具备远距离测量功能；

倾角仪用以测量分光棱镜的倾角，即为激光标尺的倾角θ。

进一步地，光线通过所述棱镜内部透射面时沿原光路通过50％的光量，另外50％的光量被折射分出，再经另一反射面沿与原光路平行的方向射出，两光路的间距为定值，两光斑光强和形状相同。

进一步地，所述获得并识别每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离及像素比例尺的步骤为：

步骤1，获取相机记录含虚拟标尺的若干高清照片，使照片在同一像素坐标系上；

步骤2，通过边缘识别算法获得在图片中特定波长光斑的边缘；

步骤3，通过对光斑边缘离散化，并通过求矩方法获得光斑质心，并进一步获得两个光斑的质心的像素坐标；

步骤4，通过实际距离S和光斑两质心间像素距离的比值获得激光虚拟比例尺，通过在坐标系的投影获得水平和竖直方向的比例尺。

相比于传统测量方法，本专利的测量方法具有极大改进：(1)无需设置标定板等实体标记物即可进行非接触式测量，激光标尺设备可调节射出激光的波长，针对不同测量对象进行调整；

(2)不需要对相机进行标定，可获得亚像素级测量精度；

(3)通过有限点的比例尺可准确拟合出全场的像素比例尺，可对摄像设备视场内的任意位置进行测量；

(4)在测量的精准度上有极大提升，尤其是在几何特征测量上可以避免因假设全场均一比例尺而带来的误差。

附图说明

图1为测量方法原理图；

图2为对虚拟标尺间距S的校正图；

图3为图像平面和真实物理平面的映射原理图；

图4为采用的三次样条权函数示意图；

图5为对曲线长度测量的具体实例；

图6为对图案面积测量的具体实例；

图7和图8为实例中获得的x和y方向的比例尺散点数据图；

图9为对图7数据拟合获得的x方向比例尺分布场结果图；

图10为对图8数据拟合获得的y方向比例尺分布场结果图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，由激光器射出一束准直光束，经特殊设计的分光棱镜后射出带有θ倾角，间距为S的两束平行光束，并投射到测量区域形成激光标尺，移动激光器或转动分光棱镜，使激光标尺在若干不同位置上出现并用相机拍摄到不同位置上覆盖标尺的高清照片，利用智能识别算法获得每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离，即可获得全场或局部待测区域的水平、竖直方向上的激光虚拟比例尺散点数据，利用移动最小二乘法对散点数据进行拟合，获得全场或局部待测区域的像素比例尺分布场，根据曲线或面积积分算法，完成对物体尺寸的亚像素级精度测量。

进一步地，所述激光标尺具体形成包括从激光器1发出的光束通过透镜2入射到分光棱镜3，形成两束间距为S的平行光束，照射到测量区域4形成由两光斑组成的激光标尺。

进一步地，倾角仪5记录倾角θ，通过相机6记录高清照片。

进一步地，针对入射激光与待测平面不平行的情况，根据以下方法对S进行修正。方法如下：

假设两束光与待测平面倾角为β，根据图2所示，sin(β)＝r，其中r为光束与待测平面不垂直时，椭圆光斑短轴与长轴的比值。α是光斑长轴方向和AB间的夹角，可以直接在图像坐标***中获得。由于三角形AOC，BOC，ABC均为直角三角形，且α，β为已知角，根据对方程的求解，可以得到：由上式可知，如果α＝π/2,S可以不用修正。因此测量过程中可以通过转动θ控制α＝π/2。

进一步地，所述激光器用以输出可调波段激光以适应不同测量对象；

透镜用以扩展激光器输出的可调波段激光光斑面积，并减小光束的发散角，从而具备远距离测量功能；

分光棱镜用以将入射激光分解为两束等强度固定间距平行激光束；

倾角仪用以测量分光棱镜的倾角，即为激光标尺的倾角。

进一步地，光线通过所述棱镜内部透射面时沿原光路通过50％的光量，另外50％的光量被折射分出，再经另一反射面沿与原光路平行的方向射出，两光路的间距为定值，两光斑光强和形状相同。

进一步地，所述获得并识别每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离及像素比例尺的步骤为：

步骤1，获取相机记录含虚拟标尺的若干高清照片，使照片在同一像素坐标系上；

步骤2，通过边缘识别算法获得在图片中特定波长光斑的边缘；

步骤3，通过对光斑边缘离散化，并通过求矩方法获得光斑质心，并进一步获得两个光斑的质心的像素坐标；

步骤4，通过实际距离S和光斑两质心间像素距离的比值获得激光虚拟比例尺，通过在坐标系的投影获得水平和竖直方向的比例尺。

单个测量点的比例尺利用以下方法获得。

若要获得图片中物体的实际长度，需要建立图片坐标与空间坐标的对应关系。假设实际空间中某平面(本发明仅考虑空间平面到图像平面的映射，如图3所示)有微段ds，其与水平坐标轴的角度为θ，则其水平长度du和竖直长度dv有以下关系：

式中：θ由倾角仪测得。

将其投影至图像坐标系，长度为ds′，则相应的水平长度dx和竖直长度dy有以下关系：

式中：其中(x_i1,y_i1)和(x_i0,y_i0)分别为标尺上两光斑质心在图像中的像素坐标。

实际长度与图像长度存在以下关系：

式中：h(x,y)为x方向比例尺，g(x,y)为y方向比例尺。

某点(x_i,y_i)的比例尺可通过本发明设计的虚拟标尺装置获得，该点的像素比例尺定义如下：

式中S_x和S_y分别为激光器射出标尺的水平长度和竖直长度。

由于光斑质心人工获取可能存在较大误差，本发明通过边缘识别算法获得在图片中特定波长光斑的边缘，通过对光斑边缘离散化，并通过对边缘轮廓计算空间矩求得光斑质心，并进一步获得两个光斑的质心的像素坐标。在识别出光斑轮廓后，质心(x_i0,y_i0)由轮廓上的像素点array(x,y)通过以下运算获得：

若在一图中获得一系列离散的比例尺h(x_i,y_i)，g(x_i,y_i)，便可通过拟合计算获得全场比例尺h(x,y)，g(x,y)，从而可以计算图片中任意物体的准确几何尺寸。

本发明采用移动最小二乘法(MLS)对离散的h(x_i,y_i)，g(x_i,y_i)进行拟合计算。具体实施例如下。

以拟合h(x_i,y_i)为例：假设逼近全局散点数据h(x_i,y_i)的近似函数为h(x,y)：

对式(8)整体逼近，故此函数在每个散点(x,y)领域内的局部近似(x,y))为：

式中：m是基函数的项数，(x,y)是待拟合点，是待拟合点邻域内的点，p_i(x,y)是基函数，a_i(x,y)是拟合系数。

例如本实例中采用二次多项式(二次基)：

p^T＝(1,x,y,x²,xy,y²),m＝6 (10)

引入紧支承权函数：

w_I(x,y)＝w((x,y)-(x_I,y_I)) (11)

式中：(x_I,y_I)为节点，(x,y)-(x_I,y_I)为节点与待拟合点的距离，即为sqrt((x-x_I)²+(y-y_I)²)。

常用的权函数有：高斯型、指数型、样条函数和径向基函数等。在本发明中采用的权函数为三次样条权函数(如图4)：

式中是距离相对量，而s＝(x,y)-(x_I,y_I)，s_max为节点影响半径，即每一个节点权函数的影响区域。

近似函数(x,y))在所有节点(即取(x_I,y_I))的误差加权平方和为：

式中：N为节点个数。

要使近似函数(x,y))在计算点(x,y)的邻域内是待求函数f(x,y)的最佳近似，必须令J取最小值，有：

由此可得：

其简化形式为：

A(x,y)a(x,y)＝B(x,y)f (16)

待定拟合系数向量a(x,y)为：

a(x,y)＝A^-1(x,y)B(x,y)f (17)

式中：

B(x,y)＝[w₁(x,y)p(x₁,y₁),w₂(x,y)p(x₂,y₂),……,w_N(x,y)p(x_N,y_N)] (19)

f＝[f(x₁),f(x₂),……,f(x_N)]^T (20)

由此可得MLS求得的近似函数：

h(x,y)＝p^T(x,y)A^-1(x,y)B(x,y)f (21)

通过求得全场比例尺h(x,y)，g(x,y)后，对图中任意曲线可通过微段dS进行积分计算，其中dS为：

对图片中任意面积A通过微元dA进行积分计算，其中dA为：

dA＝h·dx·g·dy (23)

根据以上的实施案例，本发明对处于同一白板上的一条待测曲线和花朵进行测量，待测物体参照图5和图6。

在一待测区域内移动标尺，获得水平和竖直虚拟标尺数据图各45个，合计90个数据，参照图7和图8所示。

将获得的散点数据h(x_i,y_i)，g(x_i,y_i)进行MLS拟合，水平和竖直方向的全场比例尺如图9和图10所示。

根据式(22)，(23)分别将被测物分解为足够小微元dx和dy，进行长度与面积计算。用全场比例尺计算，结果分别为501.02mm和98.95cm²，误差在0.5％以内；用图像中心处的比例尺代替全场比例尺计算，结果分别为504.58mm和100.25cm²，误差在1.8％以内。可见，全场比例尺能显著提高测量精度。计算结果误差见表1：

表1不同方法测量结果误差

本发明通过设计激光标尺装置对测量区域的待测物体进行测量，对测量比例尺数据进行拟合，可以得到明显的全场像素比例尺的非线性分布。通过测得的全场像素比例尺对指定长度曲线和指定面积图形进行精确计算可以看到此测量方法极高的准确性和运行稳定性。

在同一幅被测图像中的像素比例尺不均一，不同坐标处有一定的差异，且呈现明显的非线性关系，运用本发明的测量方法可以准确快速获得全场像素比例尺场进而进行准确的图像测量及校正。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于，由激光器射出一束准直光束，经分光棱镜后射出带有θ倾角，间距为S的两束平行光束，并投射到测量区域形成激光标尺，根据若干不同位置上的比例尺数据，利用数据拟合算法获得全场或局部待测区域的像素比例尺分布场，利用曲线或面积积分算法，完成对物体尺寸的亚像素级精度测量。

2.根据权利要求1所述的基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于，通过相机记录高清照片，以及附在分光棱镜上的倾角仪记录平行光束水平倾角θ。

3.根据权利要求1所述的基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于：

所述激光器用以输出可调波段激光以适应不同测量对象，并在后续识别中可以对此波段进行快速准确的智能化识别；

透镜用以扩展激光器输出的可调波段激光光斑面积，减小光束的发散角，从而具备远距离测量功能；

分光棱镜用以将入射激光分解为两束等强度，固定间距的平行激光束；

倾角仪用以测量分光棱镜的水平倾角，即激光标尺的倾角θ。

4.根据权利要求1所述的基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于，所述激光标尺具体形成包括从激光器发出的激光光束通过透镜入射到分光棱镜，形成两束间距为S的平行光束，当平行光束和待测平面不垂直时，可通过提供的校准方法对S真实距离进行修正，即或通过转动θ使α等于π/2从而不需要对S真实距离进行修正。

5.根据权利要求4所述的基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于：光束通过所述棱镜内部透射面时沿原光路通过50％的光量，另外50％的光量被折射分出，再经另一反射面沿与原光路平行的方向射出，两光束的间距为定值，两光斑光强和形状相同。

6.根据权利要求1所述的基于激光虚拟标尺的测量方法，其特征在于，所述获得并识别每幅照片上标尺的像素坐标和像素距离及像素比例尺的步骤为：

步骤1，获取相机记录含虚拟标尺的若干高清照片，使照片在同一像素坐标系上；

步骤2，通过边缘识别算法获得在图片中特定波长光斑的边缘；

步骤3，通过对光斑边缘离散化，并通过对边缘轮廓计算空间矩求得光斑质心，并进一步获得两个光斑的质心的像素坐标；

步骤4，通过实际距离S和光斑两质心间像素距离的比值获得激光虚拟比例尺，通过在坐标系的投影获得水平和竖直方向的比例尺。