CN110332886A - 一种视觉精密快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉精密快速定位方法，在基板上加工出相同大小的小孔制成靶标，并采用背照光源对之进行照明；将靶标附着于被测对象上，当被测对象发生位移时，将带动靶标移动，从而所有小孔也发生一致移动；采用数字相机对靶标进行视觉成像，经计算机图像处理，完成靶标光斑的采集和光斑位移信息，利用新的子区域栅格定位法实现光斑定位，由此确定被测对象的精密位移。本发明创新地采用机器视觉技术对不同位置的光斑相对位置进行处理，并利用划分栅格区域的方式来提取***的精密位移信息，从而实现非接触式的精密定位，可以有效地减小误差，提高光斑微位移精度。

Description

一种视觉精密快速定位方法

技术领域

本发明涉及一种视觉精密快速定位方法，属于非接触高精度二维微位移测量技术领域。

背景技术

随着计算机技术和图像处理方法的不断进步，机器视觉技术得到长足发展，基于CCD或CMOS的机器视觉技术已经广泛应用于几何测量中。一般而言，在基于机器视觉的定位测量***中，计算机***的传统扫描方式是对靶标特征逐个、逐点识别，对相机获取的个别光斑中心进行定位，直至识别到需要采集的光斑，这种方法既耗时繁琐，得到的光斑位置少，对于CCD/CMOS的利用率低下，定位精度提高有限。

光斑位置是否准确是测量精度的关键。目前，比较常用的光斑中心定位检测的方法有圆拟合法、重心法、Hough变换法、对称法等，这些算法在检测精度、速率和抗干扰性上各自都存在着一定的不足。如：圆拟合法运算的精度高，但抗干扰能力差；重心法要求光斑形状规则；Hough变换法需要对参数空间离散化,检测精度不高；对称法要求光斑的对称性良好,否则误差较大。由于以上方法都是对单个光斑进行检测，误差较大。上述采用的传统的位置检测技术有明显的不足，不能充分利用CCD/CMOS采集得到的光斑图像信息，以实现更高精度的位置检测。

多个光斑相对单个光斑，能提供冗余信息，能够减少检测环境所带来的影响，在对微位移检测前可以剔除采集到的光斑中质量不高的光斑，求取光斑中心取平均值，可以有效地减小误差，提高光斑微位移精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种视觉精密快速定位方法，采用机器视觉技术对不同位置的光斑相对位置进行处理，并利用划分栅格区域的方式来提取***的精密位移信息，从而实现非接触式的精密定位。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种视觉精密快速定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在基板上加工出相同大小的小孔制成靶标，小孔呈矩形阵列排布，且相邻小孔之间的间距相同；将靶标附着于被测对象上，并采用背照光源对靶标进行照明；

步骤2，利用数字相机对靶标进行视觉成像，采集靶标光斑图像，定义靶标光斑图像左上角点为总坐标原点O，定义靶标光斑图像的横、纵向分别为X、Y方向，利用计算机识别靶标光斑图像的X、Y方向；

步骤3，将靶标光斑图像等分成若干个栅格，每个栅格里有且只有一个光斑，通过获取目标光斑所在的栅格来对目标光斑进行定位，具体分为以下三步：

3.1，对目标光斑所在的栅格P进行定位，记栅格长为Δx，宽为Δy，则栅格P相对总坐标原点O的位置为(i*Δx,j*Δy)，简化为(Δx_i,Δy_j)，其中，i、j分别为X、Y方向上栅格P相对总坐标原点O的栅格个数；

3.2，对目标光斑进行定位，定义栅格P的左上角为子原点O_s，目标光斑相对栅格P的子原点O_s的位移量记为(Δx_s,Δy_s)，其中，Δx_s、Δy_s分别为X、Y方向上栅格P内的光斑相对栅格P的子原点O_s的位移；

3.3，目标光斑相对总坐标原点O的相对位移为栅格定位与光斑定位之和，即(x_s,y_s)＝(Δx_i,Δy_j)+(Δx_s,Δy_s)；将靶标光斑图像上所有栅格内光斑位移的平均值作为靶标的相对位移(Δx_T,Δy_T)，即得被测对象的位移为其中，N为靶标光斑图像上的光斑总数，Δx_sn、Δy_sn分别为第n个光斑X、Y方向相对其所在栅格的子原点的位移。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述基板所采用的材料为微晶玻璃、殷钢或复合材料。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述利用计算机识别靶标光斑图像的X、Y方向，具体方法为：

在靶标上任意选取一个小孔A，在小孔A所在的行上选取小孔B，在小孔A所在的列上选取小孔C，小孔A与小孔B之间间隔两个小孔，小孔A与小孔C之间间隔一个小孔，小孔A、B和C构成一个不等边直角三角形，对小孔A、B和C进行遮挡后，采用背照光源对靶标进行照明，同时采集靶标图像，对靶标图像分别按行、列进行灰度值累加，得到行、列方向对应的灰度累加曲线，根据灰度累加曲线识别靶标光斑图像的X、Y方向。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明创新地采用机器视觉技术对不同位置的光斑相对位置进行处理，并利用划分栅格区域的方式来提取***的精密位移信息，从而实现非接触式的精密定位，可以有效地减小误差，提高光斑微位移精度。

2、本发明原理清晰明了，方法新颖有效；所采用的器件简单、耐用、价廉，安装工艺简单，受环境影响小，定位更精密，可满足非接触精密测量的需求。

附图说明

图1是本发明精密定位测量***示意图。

图2是本发明计算机识别位移方向时的局部光斑图。

图3是X方向的灰度累加曲线。

图4是Y方向的灰度累加曲线。

图5是采用子区域栅格法分析光斑位置示例。

图6是光斑P_s在栅格P内的位移示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明所采用的设计思想是：基于多光斑成像方法，创新地采用机器视觉技术对不同位置的光斑相对位置进行处理，并利用划分栅格区域的方式来提取***的精密位移信息，从而实现非接触式的精密定位。

如图1所示，为了得到丰富的光斑信息，在基板上加工出相同大小的小孔制成靶标，并采用背照光源对之进行照明；将靶标附着于被测对象上，当被测物件发生位移时，将带动靶标移动，从而所有小孔也发生一致移动；采用数字相机对靶标进行视觉成像，经计算机图像处理，完成靶标光斑的采集和光斑位移信息，最终得到所需光斑的相对位置及靶标的位移。

基板采用可透光或半透光的具有良好环境稳定性的材料制成，如具有极小热膨胀系数的微晶玻璃、殷钢或复合材料。采用适当方式对摄像头成像视场内的小孔进行照明，然后由相机对靶标进行成像，小孔间距为已知值，故相机本身无需标定。

如图2所示，对测量***设定位移方向，便于计算机识别位移方向。首先，设点O为图2的左上角点，并规定图像的X和Y方向。其次，在靶标上采用遮挡若干个小孔的方法来确定测量***位移方向。如图2所示，沿X和Y方向，在靶标上的小孔中遮挡三个小孔，构成不等边直角三角形。由相机完成对靶标的图像采集，通过计算机***对图像进行处理。将靶标图像分别按行列进行灰度值累加，灰度曲线如图3和图4所示。由图3和图4可知，间距a相对间距b间隔的最高灰度峰值个数多，由此判别X和Y方向。

由于靶标有若干个光斑，计算机对数字相机采集的靶标图像进行处理，逐个提取光斑中心的二维位移，并对所有光斑位移进行平均从而得到确定靶标的位移，即被测对象的二维位移，由此我们提出一个新的子区域栅格法定位光斑的方法。如图5所示，将靶标图像等分成若干个栅格，即子区域；每个栅格里有且只有一个光斑，通过获取目标光斑所在的栅格来对目标光斑定位。得到所有栅格中光斑的位移的平均值，由此确定靶标的位移，即被测对象的位移。

该方法具体分为以下两步：

步骤1、栅格定位。如图5所示，记栅格长为Δx，宽为Δy，则某栅格P相对总坐标原点O的位置为(i*Δx,j*Δy)，为简单起见，记为(Δx_i,Δy_j)，其中，i和j分别为X和Y方向上栅格P相对总坐标原点O的栅格个数。

步骤2、光斑定位。当靶标整体发生位移时，栅格P内的光斑P_s位移如图6所示，记该光斑相对栅格P的子原点O_s的位移量为(Δx_s,Δy_s)，式中，Δx_s、Δy_s分别为X、Y方向上栅格P内的光斑相对栅格P的子原点O_s的位移。

综合上述步骤，光斑P_s相对总坐标原点O的相对位移为栅格定位与光斑定位之和，即(x_s,y_s)＝(Δx_i,Δy_j)+(Δx_s,Δy_s)。

将所采集图像上所有栅格内光斑位移的平均值作为靶标的相对位移，即得被测对象的精密位移(Δx_T,Δy_T)为：

式中，N为靶标所采集的图像上的光斑总数，Δx_sn、Δy_sn分别为第n个光斑X、Y方向相对其所在栅格的子原点的位移。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种视觉精密快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在基板上加工出相同大小的小孔制成靶标，小孔呈矩形阵列排布，且相邻小孔之间的间距相同；将靶标附着于被测对象上，并采用背照光源对靶标进行照明；

步骤2，利用数字相机对靶标进行视觉成像，采集靶标光斑图像，定义靶标光斑图像左上角点为总坐标原点O，定义靶标光斑图像的横、纵向分别为X、Y方向，利用计算机识别靶标光斑图像的X、Y方向；

步骤3，将靶标光斑图像等分成若干个栅格，每个栅格里有且只有一个光斑，通过获取目标光斑所在的栅格来对目标光斑进行定位，具体分为以下三步：

3.1，对目标光斑所在的栅格P进行定位，记栅格长为Δx，宽为Δy，则栅格P相对总坐标原点O的位置为(i*Δx,j*Δy)，简化为(Δx_i,Δy_j)，其中，i、j分别为X、Y方向上栅格P相对总坐标原点O的栅格个数；

3.2，对目标光斑进行定位，定义栅格P的左上角为子原点O_s，目标光斑相对栅格P的子原点O_s的位移量记为(Δx_s,Δy_s)，其中，Δx_s、Δy_s分别为X、Y方向上栅格P内的光斑相对栅格P的子原点O_s的位移；

3.3，目标光斑相对总坐标原点O的相对位移为栅格定位与光斑定位之和，即(x_s,y_s)＝(Δx_i,Δy_j)+(Δx_s,Δy_s)；将靶标光斑图像上所有栅格内光斑位移的平均值作为靶标的相对位移(Δx_T,Δy_T)，即得被测对象的位移为其中，N为靶标光斑图像上的光斑总数，Δx_sn、Δy_sn分别为第n个光斑X、Y方向相对其所在栅格的子原点的位移。

2.根据权利要求1所述视觉精密快速定位方法，其特征在于，步骤1所述基板所采用的材料为微晶玻璃、殷钢或复合材料。

3.根据权利要求1所述视觉精密快速定位方法，其特征在于，步骤2所述利用计算机识别靶标光斑图像的X、Y方向，具体方法为：

在靶标上任意选取一个小孔A，在小孔A所在的行上选取小孔B，在小孔A所在的列上选取小孔C，小孔A与小孔B之间间隔两个小孔，小孔A与小孔C之间间隔一个小孔，小孔A、B和C构成一个不等边直角三角形，对小孔A、B和C进行遮挡后，采用背照光源对靶标进行照明，同时采集靶标图像，对靶标图像分别按行、列进行灰度值累加，得到行、列方向对应的灰度累加曲线，根据灰度累加曲线识别靶标光斑图像的X、Y方向。