CN103438803B - 计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，包括：将待测矩形零件放置于矩形基准块上，使得对称轴O与对称轴O’相互平行或者相互成一定的夹角α，且0°≤α<15°；确保零件不超出矩形基准块的边缘；利用矩形基准块中线段EE’、FF’、GG’、HH’、EF的长度，结合利用预先设置的计算机图像处理程序精确检测的线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’长度，计算待测矩形零件的边缘线尺寸。本发明检测结果的精度高，且降低了检测系统的成本，可应用于精确测量矩形零件尺寸。

Description

计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉精确测量领域，特指一种计算机视觉技术跨视野精确测量矩形零件尺寸的方法。

背景技术

工业产品零件的实测尺寸是判断其质量的重要依据，控制零件的尺寸在设计的误差范围内是保证成品品质的重要手段。目前，工业产品零件尺寸的检测包括接触式测量方法和非接触式测量方法两大类。接触式测量方法主要有游标卡尺、千分尺、三坐标测量仪等，此类测量方法的结果虽然准确，但是测量过程耗时费力，容易碰伤、刮伤产品零件的表面，难以满足工业大生产的需求。非接触式测量方法主要有激光测量法和计算机视觉测量法，此类测量方法具有重现性好，检测速度快，容易实现在线检测等优势；其中计算机视觉测量方法能够对产品零件表面的多个尺寸参数进行同时检测，已被广泛运用于工业产品零件的尺寸检测。

目前，计算机视觉已被用于精确检测固定视场内待测对象的细微特征。专利“一种高精度显微疲劳试验机”（申请号：200810207563.2）公开了一种利用计算机视觉检测微观裂纹尺寸的方法。该方法通过显微镜放大视场内试样疲劳裂纹区域的图像，经相机拍摄该视场下的图像并送入计算机，通过图像处理技术精确测量视场内试样裂纹的长度。当整条待测裂纹没有超出显微镜的视场时，该方法能够精确的测量裂纹的长度；当待测裂纹的某个部分超出了显微镜的视场时，则该方法难以测量裂纹的长度，因此该方法不能精确检测超出固定视场区域的细微特征。

在利用计算机视觉进行精确测量时，为了有效的捕捉试样的局部特征，相机或者显微镜的视场大小往往是受限的，视场的长或宽一般为2mm～5mm，而待测的特征参数如产品零件的长度、宽度、厚度等往往超出相机或显微镜的视场区域，如何跨视场精确检测上述特征参数是计算机视觉测量领域的难点。针对这一问题，专利“一种零件视觉检测装置”（申请号：200910079737.6）公开了一种计算机视觉跨视场检测零件表面缺陷及形貌尺寸的装置。该装置利用CCD相机与放大物镜等组成成像系统，将待测零件固定于位移台上，同时检测装置设有记录位移台移动距离的检测系统。该装置通过位移台将零件的边缘区域连续的送入成像系统的视场内，最终通过成像系统拍摄的零件边缘图像和位移检测系统记录的移动距离计算出零件的形貌尺寸。由于该装置的测量精度不仅与零件边缘图像的视觉识别精度有关，而且与位移检测系统对机械位移台行程的记录精度密切相关，因此不能实现高精度测量。专利“一种数码位移测量仪”（申请号：201120026446.3）公开了一种利用多个相机联用进行计算机视觉高精度测量的方法。该方法首先获取各个相机视场内待测对象局部区域的图像信息，然后利用图像拼接技术将各个相机获取的局部区域图像拼接成一幅待测对象的全景图像，进而利用计算机视觉技术对待测对象进行高精度测量。虽然该检测装置的测量精度不会受到机械位移台的影响，但是当待测参数比相机视场大几十倍、上百倍、甚至更多时，需要几十、上百甚至更多相机的联用才能完成测量，容易导致检测成本偏高。

发明内容

本发明的目的在于提供计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，以实现对矩形零件的尺寸进行精确测量。

为了消除机械位移台对测量精度的影响以及有效控制检测系统的成本，本发明采用的技术方案如下：

本发明是基于计算机视觉技术跨视野精确测量矩形零件尺寸的装置，包括矩形基准块ABCD、待测矩形零件A’B’C’D’、视觉成像系统、计算机、机械位移台组成；

所述矩形基准块ABCD的长宽比与待测矩形零件A’B’C’D’标准件的长宽比相同，且矩形基准块ABCD的面积比待测矩形零件A’B’C’D’标准件的面积大5%～20%；在矩形基准块ABCD上设置有两条水平方向的参考线EE’和FF’以及两条垂直方向的参考线GG’和HH’，且参考线EE’的长度L_EE’、参考线FF’的长度L_FF’、参考线GG’的长度L_GG’、参考线HH’的长度L_HH’、参考点E和参考点F之间的长度L_EF、参考点G和参考点H之间的长度L_GH、矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的长度L_AB、L_BC、L_CD、L_DA均为已知；虚线O为矩形基准块ABCD在垂直方向的对称轴；

所述待测矩形零件A’B’C’D’在垂直方向的对称轴为虚线O’；所述视觉成像系统由相机、镜头、光源、图像采集卡和数据传输线组成，且视觉成像系统固定安装于机械位移台上；所述的计算机内置预先开发的图像处理程序，能够获取、存储、处理视觉成像系统获取的图像；所述机械位移台能够携带视觉成像系统沿着设定的路径在矩形基准块ABCD的上方做水平运动。

基于计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将待测矩形零件A’B’C’D’放置于矩形基准块ABCD上，使得对称轴O与对称轴O’相互平行或者相互成一定的夹角α，且0°≤α<15°；

步骤二，检查待测矩形零件A’B’C’D’的任何部分是否超出矩形基准块ABCD的边缘，具体分以下三个过程：

过程一，机械位移台携带视觉成像系统在距离矩形基准块ABCD上表面2mm～200mm的水平面内沿着A→B→C→D→A运动一周，移动的过程中视觉成像系统连续拍摄矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像，并存储于计算机；

过程二，计算机通过对矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像进行处理，判断边缘线AB、BC、CD、DA是否被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖；

过程三，如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则返回步骤一；如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点均没有被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则进入步骤三；

步骤三，机械位移台携带视觉成像系统在距离矩形基准块ABCD上表面2mm～200mm的水平面内移动，分别获取参考线EE’、FF’、GG’、HH’未被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖部分的图像，共拍摄8幅图像，拍摄过程使得线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’完整出现在视觉成像系统的视场中。其中I、I’分别为参考线EE’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，J、J’分别为参考线FF’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，K、K’分别为参考线GG’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点，P、P’分别为参考线HH’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点；

步骤四，利用预先设置的计算机图像处理程序精确检测步骤三8幅图像中的线段长度，分别得到线段EI的长度L_EI、线段I’E’的长度L_I’E’、线段FJ的长度L_FJ、线段J’F’的长度L_J’F’、线段GK的长度L_GK、线段K’G’的长度L_K’G’、线段HP的长度L_HP、线段P’H’的长度L_P’H’；

步骤五，利用矩形基准块ABCD中线段EE’、FF’、GG’、HH’、EF的长度，结合步骤四中得到的线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’的长度，计算待测矩形零件A’B’C’D’的边缘线尺寸L_A’B’和L_A’D’；

所述待测矩形零件A’B’C’D’的边缘线尺寸L_A’B’和L_A’D’分以下两种方式计算：

方式一：当满足条件时（0.0001<x<0.05），可认为矩形基准块ABCD的对称轴O与待测矩形零件A’B’C’D’的对称轴O’相互平行，则L_A’B’和L_A’D’的计算公式分别为：

L_A’B’=L_II’=L_EE’-L_EI-L_I’E’

L_A’D’=L_KK’=L_GG’-L_GK-L_K’G’

方式二：当满足条件（0.0001<x<0.05）时，可认为矩形基准块ABCD的对称轴O与待测矩形零件A’B’C’D’的对称轴O’相互成一定的夹角α；为了确定夹角α的大小，以J为出发点向线段EI作垂线并与EI相交于Q点，则α=∠IJQ，由此可得 $\cos \mathrm{\&alpha;}=\frac{L_{\mathrm{JQ}}}{L_{\mathrm{JI}}}=\frac{L_{\mathrm{JQ}}}{\sqrt{L_{\mathrm{JQ}}^2+L_{\mathrm{QI}}^2}}=\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}};$ 由于夹角α的存在，使得LA’B’≠LII’，因此以I为出发点向B’C’作垂线并与B’C’相交于Q’点，且∠Q’II’=∠IJQ=α；则L_A’B’的计算公式为：

$L_{A^{,}{B}^{,}}=L_{{\mathrm{II}}^{,}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{EE}}^{,}}-L_{\mathrm{EI}}-L_{I^{,}{E}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}}$

同理可得L_A’D’的计算公式为：

$L_{A^{,}{D}^{,}}=L_{K{K}^{,}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{GG}}^{,}}-L_{\mathrm{GK}}-L_{K^{,}{G}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}}$

本发明具有有益效果。本发明通过在矩形基准块上设置相应的参考点和参考线，结合计算机视觉技术对远大于视觉成像系统单个视场大小的矩形零件尺寸进行了精确测量。虽然在检测的过程中，需要机械移动平台携带视觉成像系统运动到矩形基准块的不同区域进行图像拍摄，但是在待测矩形尺寸的计算公式中并不需要输入机械移动平台的行程参数，因此检测结果的精度不再受到移动平台运动精度的影响。同时检测过程中不需要多个相机的协同即可完成大尺寸参数的跨视场精确测量，有效的控制了检测系统的成本。

附图说明

图1为矩形基准块示意图；

图2为待测矩形零件示意图；

图3为计算机视觉跨视场精确测量矩形零件尺寸的示意图。

具体实施方式

以下通过各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

一种计算机视觉技术跨视野精确测量矩形零件尺寸的方法，包括矩形基准块ABCD、待测矩形零件A’B’C’D’、视觉成像系统、计算机、机械位移台组成。

如图1所示，矩形基准块ABCD与待测矩形零件A’B’C’D’标准件的长宽比均为1:2，且矩形基准块ABCD的面积比待测矩形零件A’B’C’D’标准件的面积大14.79%；参考线EE’的长度L_EE’=60mm、参考线FF’的长度L_FF’=60mm、参考线GG’的长度L_GG’=120mm、参考线HH’的长度L_HH’=120mm、参考点E和参考点F之间的长度L_EF=80mm、参考点G和参考点H之间的长度L_GH=35mm、矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的长度L_AB=L_CD=60mm、L_BC=L_DA=120mm；虚线O为矩形基准块ABCD在垂直方向的对称轴；

如图2所示，待测矩形零件A’B’C’D’在垂直方向的对称轴为虚线O’；

视觉成像系统中相机的型号为BasleracA1600-20gm、镜头的型号为OPTOTC2312、光源的型号为CSTCOL-040-R、图像采集卡的型号为ADLinkGIE64+；

机械位移台的型号为HY10DY(50-500)C，视觉成像系统固定安装于机械位移台上且相机镜头距离矩形基准块ABCD的距离为78mm；

本发明基于计算机视觉技术跨视野精确测量矩形零件尺寸的方法，测量过程的具体实施步骤如下。

步骤一：将待测矩形零件A’B’C’D’放置于矩形基准块ABCD上，使得对称轴O与对称轴O’相互平行或者相互成一定的夹角α，即0°≤α<15°，如图3所示；

步骤二：检查待测矩形零件A’B’C’D’的任何部分是否超出矩形基准块ABCD的边缘；

该步骤分以下三个过程：

过程（1）：机械位移台携带视觉成像系统在矩形基准块ABCD上表面一定高度的水平面沿着A→B→C→D→A运动一周，移动的过程中视觉成像系统连续拍摄矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像，并存储于计算机；

过程（2）：计算机通过对矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像进行处理，判断边缘线AB、BC、CD、DA是否被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖；

过程（3）：如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则返回步骤一；如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点均没有被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则进入步骤三；

步骤三：机械位移台携带视觉成像系统在距离矩形基准块ABCD上表面一定高度的水平面内移动，分别获取参考线EE’、FF’、GG’、HH’未被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖部分的图像，共拍摄8幅图像，拍摄过程使得线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’完整出现在视觉成像系统的视场中。其中I、I’分别为参考线EE’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，J、J’分别为参考线FF’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，K、K’分别为参考线GG’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点，P、P’分别为参考线HH’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点；

步骤四：利用预先设置的计算机图像处理程序精确检测步骤三中8幅图像中的线段长度，分别得到线段EI的长度L_EI=2.5174mm、线段I’E’的长度L_I’E’=1.5436mm、线段FJ的长度L_FJ=1.5433mm、线段J’F’的长度L_J’F’=2.5171mm、线段GK的长度L_GK=3.2558mm、线段K’G’的长度L_K’G’=4.5354mm、线段HP的长度L_HP=4.5356mm、线段P’H’的长度L_P’H’=3.2554mm；

步骤五：将上述步骤中的已知参数代入发现其满足（即x的取值为0.01），所以按照以下公式计算待测矩形零件A’B’C’D’的边缘线尺寸L_A’B’和L_A’D’的值：

$L_{A^{,}{B}^{,}}=L_{{\mathrm{II}}^{,}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{EE}}^{,}}-L_{\mathrm{EI}}-L_{I^{,}{E}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}}$

$L_{A^{,}{D}^{,}}=L_{K{K}^{,}}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{GG}}^{,}}-L_{\mathrm{GK}}-L_{K^{,}{G}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}}$

其中

$\cos \mathrm{\&alpha;}=\frac{L_{\mathrm{JQ}}}{L_{\mathrm{JI}}}=\frac{L_{\mathrm{JQ}}}{\sqrt{L_{\mathrm{JQ}}^2+L_{\mathrm{QI}}^2}}=\frac{L_{\mathrm{EF}}}{\sqrt{L_{\mathrm{EF}}^2+{(L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}})}^2}}=\frac{80}{\sqrt{{80}^2+{(2.5174-1.5433)}^2}}=0.999926$

将已知参数代入L_A’B’和L_A’D’的计算公式，得到L_A’B’=55.9349mm，L_A’D’=112.2005mm。计算得到的L_A’B’和L_A’D’长度与机械位移台的行程无关，因此本发明提供的矩形零件尺寸检测方法不会受到机械位移台运动精度的影响，能够利用计算机视觉精确测量零件的尺寸。

Claims (3)

1.计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，所述的方法基于计算机视觉技术跨视野精确测量矩形零件尺寸的装置，包括矩形基准块ABCD、待测矩形零件A’B’C’D’、视觉成像系统、计算机、机械位移台；所述矩形基准块ABCD的长宽比与待测矩形零件A’B’C’D’标准件的长宽比相同，且矩形基准块ABCD的面积比待测矩形零件A’B’C’D’标准件的面积大5％～20％；

其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将待测矩形零件A’B’C’D’放置于矩形基准块ABCD上，使得对称轴O与对称轴O’相互平行或者相互成一定的夹角α，且0°≤α<15°；

步骤二：检查待测矩形零件A’B’C’D’的任何部分，确保不超出矩形基准块ABCD的边缘；

步骤三，机械位移台携带视觉成像系统在距离矩形基准块ABCD上表面2mm～200mm的水平面内移动，分别获取参考线EE’、FF’、GG’、HH’未被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖部分的图像，共拍摄8幅图像，拍摄过程使得线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’完整出现在视觉成像系统的视场中；I、I’分别为参考线EE’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，J、J’分别为参考线FF’与待测矩形零件边缘线A’D’、B’C’的交叉点，K、K’分别为参考线GG’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点，P、P’分别为参考线HH’与待测矩形零件边缘线A’B’、D’C’的交叉点；

步骤四，利用预先设置的计算机图像处理程序精确检测步骤三中所述8幅图像中的线段长度，分别得到线段EI的长度L_EI、线段I’E’的长度L_I’E’、线段FJ的长度L_FJ、线段J’F’的长度L_J’F’、线段GK的长度L_GK、线段K’G’的长度L_K’G’、线段HP的长度L_HP、线段P’H’的长度L_P’H’；

步骤五，利用矩形基准块ABCD中线段EE’、FF’、GG’、HH’、EF的长度，结合步骤四中得到的线段EI、I’E’、FJ、J’F’、GK、K’G’、HP、P’H’的长度，计算待测矩形零件A’B’C’D’的边缘线尺寸L_A’B’和L_A’D’。

2.如权利要求1所述的计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，其特征在于所述步骤二进一步具体为：

过程一，机械位移台携带视觉成像系统在矩形基准块ABCD上表面2mm～200mm的水平面沿着A→B→C→D→A运动一周，移动的过程中视觉成像系统连续拍摄矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像，并存储于计算机；

过程二，计算机通过对矩形基准块ABCD的四条边缘线AB、BC、CD、DA的图像进行处理，判断边缘线AB、BC、CD、DA是否被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖；

过程三，如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则返回步骤一；如果边缘线AB、BC、CD、DA的任何一点均没有被待测矩形零件A’B’C’D’覆盖，则进入步骤三。

3.如权利要求1所述的计算机视觉技术跨视场精确测量矩形零件尺寸的方法，其特征在于：所述步骤五中待测矩形零件A’B’C’D’的边缘线尺寸L_A’B’和L_A’D’分以下两种方式计算：

方式一，当满足条件时(0.0001<x<0.05)，可认为矩形基准块ABCD的对称轴O与待测矩形零件A’B’C’D’的对称轴O’相互平行，则L_A’B’和L_A’D’的计算公式分别为：

L_A’B’＝L_II’＝L_EE’-L_EI-L_I’E’

L_A’D’＝L_KK’＝L_GG’-L_GK-L_K’G’

方式二，当满足条件 $\frac{\left|L_{\mathrm{EI}}-L_{\mathrm{FJ}}\right|}{(L_{\mathrm{EI}}+L_{\mathrm{FJ}})/2}>x\%,(0.0001<x<0.05)$ 时，可认为矩形基准块ABCD的对称轴O与待测矩形零件A’B’C’D’的对称轴O’相互成一定的夹角α；为了确定夹角α的大小，以J为出发点向线段EI作垂线并与EI相交于Q点，则α＝∠IJQ，由此可得 $cos\mathrm{\&alpha;}=\frac{L_{JQ}}{L_{JI}}=\frac{L_{JQ}}{\sqrt{L_{JQ}^2+L_{QI}^2}}=\frac{L_{EF}}{\sqrt{L_{EF}^2+{(L_{EI}-L_{FJ})}^2}};$ 由于夹角α的存在，使得L_A’B’≠L_II’，因此以I为出发点向B’C’作垂线并与B’C’相交于Q’点，且∠Q’II’＝∠IJQ＝α；则L_A’B’的计算方法为：

$L_{A^{,}{B}^{,}}=L_{{\mathrm{II}}^{,}}\&CenterDot;cos\mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{EE}}^{,}}-L_{EI}-L_{I^{,}{E}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{EF}}{\sqrt{L_{EF}^2+{(L_{EI}-L_{FJ})}^2}}$

同理可得L_A’D’的计算方法为：

$L_{A^{,}{D}^{,}}=L_{{\mathrm{KK}}^{,}}\&CenterDot;cos\mathrm{\&alpha;}=(L_{{\mathrm{GG}}^{,}}-L_{GK}-L_{K^{,}{G}^{,}})\&CenterDot;\frac{L_{EF}}{\sqrt{L_{EF}^2+{(L_{EI}-L_{FJ})}^2}}.$