CN106895781A - 一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统属于机器视觉测量技术领域，涉及一种基于LabVIEW软件开发平台的热态件几何尺寸测量控制系统。该系统由硬件部分和软件部分构成，硬件部分由电源、工作站、通信板卡、脉冲触发卡、图像采集卡、相机、以及控制器组成。软件部分由双目视觉测量系统和四目测量系统组成，双目视觉测量系统由标定图像采集模块、标定内参数初始值模块、标定整体优化模块、截图检测模块、左双目采集测量模块、右双目采集测量模块构成；四目测量系统由拼接标定模块和四目采集测量模块构成。本发明操作简单，自动化程度高，高效方便地对整个测量过程进行协同控制，提高了视觉测量的效率。

Description

一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统

技术领域

本发明属于机器视觉测量技术领域，涉及一种基于LabVIEW软件开发平台的热态件几何尺寸测量控制系统。

背景技术

在视觉测量技术中，广泛使用双目视觉测量系统进行尺寸测量，针对大尺寸的热态零件，利用两个双目视觉测量系统，分别测量后进行拼接，最后得到测量结果。因此，在视觉测量中的不同阶段，需要对系统进行实时的控制与调整。其包括对四台相机采集图像的控制、对两个双目视觉测量系统的内外参数进行标定、利用标定结果控制左右双目系统的测量过程。但是，现有的测量控制系统大多为针对测量过程中的单个模块，并没有形成一个可以实现控制整个视觉测量过程的系统，没有完整的测量控制系统软件致使无法进一步实现测量系统的仪器化，在实际应用中存在局限性，无法进一步实现应用化的量产。在目前的情况下，需要设计一种新的高度自动化的人机交互界面，实现对整个测量过程的个性化控制来最终获得测量结果。

大连理工大学贾振元、徐鹏涛等人申请的发明专利公开号为CN105141204A,“一种基于LabVIEW的多电机控制系统”中利用LabVIEW软件开发平台开发出了可以控制多台电机协同运动的人机交互界面，将激光投射器固定在电机上，进而可以实现对光条投影模式的快速切换及光条间间距和位置的协同及独立调节，在视觉测量的过程中，一定程度地实现了自动化。但在整个视觉测量过程中，光条的投影调节控制只是对视觉测量系统中的标定阶段的投影控制，对于整个视觉测量过程，并没有形成一个完整的视觉测量控制系统，仍然没有形成一个自动化的测量系统。实际测量过程中，仍然需要各模块独立调节，各模块数据是分离的。这大大降低了视觉测量的效率，同时也加大了现场操作的难度，不利于便捷高效的实现测量，阻碍了实现视觉测量系统自动化的进程。

发明内容

本发明要解决的技术难题是发明一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统。控制系统由硬件部分和软件部分构成，硬件部分由电源、工作站、通信板卡、脉冲触发卡、图像采集卡、相机、以及嵌入LabVIEW软件开发平台并设有用户交互界面的控制器组成；软件部分基于LabVIEW的软件开发平台编写整个测量控制系统的控制程序以及系统界面，通过编写的系统控制测量过程中相关的硬件设备，实现对热态件测量过程中的各个模块的所有协同控制，使每个模块内部可快速稳定的独立调节控制，模块间的数据可以快速稳定的进行传输，最终实现对整个测量系统的协同控制，有效提高热态件几何尺寸测量的效率，为以后进一步的实现测量系统仪器化提供软件支撑。

本发明采用的技术方案是一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统，测量控制系统由硬件部分和软件部分组成，其特征在于，所述硬件部分由电源、工作站、通信板卡、脉冲触发卡、图像采集卡、相机、以及嵌入LabVIEW软件开发平台并设有用户交互界面的控制器组成；其中，电源与工作站、控制器分别相连接；通信板卡一端与工作站相连接，通信板卡另一端与控制器相连接，控制器中插入图像采集卡和脉冲触发卡，控制器的另一侧与四台相机相连接，实现相机与控制器间的通讯；

所述软件部分是基于LabVIEW的软件开发平台开发的，软件部分由双目视觉测量系统1和四目测量系统2组成，双目视觉测量系统1由标定图像采集模块II、标定内参数初始值模块III、标定整体优化模块IV、截图检测模块V、左双目采集测量模块VI、右双目采集测量模块VII构成；四目测量系统2由拼接标定模块VIII和四目采集测量模块IX构成；总界面I实现对测量过程中各个模块的跳转控制；实现对热态件几何尺寸测量过程中的多个模块进行各自的独立控制以及协同控制；

测量系统的具体控制和测量过程如下：

首先检测硬件设备连接是否完好，再打开控制系统进行操作；

第一步在总界面I中点击标定图像采集按钮，进入标定图像采集模块II，标定图像采集模块II由左双目标定采集a和右双目标定采集b构成，分别设置了采集时间，采集频率，采集图像的张数，还设置图像的存储位置，设置图像的存储名称系统所需的参数，实现分别控制左右两个双目系统中各自的两个相机的图像采集功能，控制双目相机同步多次采集图像，实现对采集图像的控制以及图像存储的控制，用户可以自定义图像存储位置和存储文件名称；输入所需参数后点击开始按钮，系统自动采集并存储图像于用户指定的路径下，点击返回按钮返回总界面；

第二步点击标定内参数初始值按钮，进入标定内参数初始值模块III；标定内参数初始值模块III由左双目标定内参数初始值c和右双目标定内参数初始值d两部分构成，分别控制左右两个双目系统内部参数的标定过程，实现标定结果的用户界面显示以及内部存储，保证以后阶段对此部分数据的传输；点击开始按钮，系统自动生成标定初始结果，同时标定初始结果被后台程序自动存储于指定位置，点击返回按钮返回总界面；

第三步点击标定整体优化按钮进入标定整体优化模块IV，标定整体优化模块IV由左双目标定整体优化e和右双目标定整体优化f构成，实现对模块III初始标定结果的读取以及优化处理，最终获取标定结果，存储于指定位置以备下阶段调用；输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统后台程序自动调用上一界面的标定初始结果并通过优化获得最终的标定结果，显示于用户界面，自动存储于指定路径下；

以上是双目测量系统1的标定过程，标定过程只需在改变测量仪器位置时需重新标定，如测量仪器位置不变，只需标定一次即可多次测量；

第四步标定结束后进行测量过程控制，在总界面I点击左双目采集测量按钮或右双目测量采集按钮分别进入左双目采集测量模块VI或右双目采集测量模块VII的双目测量系统子界面，输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统自动进行图像采集并自动读取采集的图像进行数据处理，最终将测量结果直接显示于用户界面，点击停止按钮，测量完成停止运行；

第五步当热态件的尺寸过大，双目测量系统1无法满足时，此系统设定了第二种测量方式，通过四目测量系统2实现对大型热态件整体几何尺寸的测量；在四目测量前，需利用拼接标定模块VIII对四目系统进行标定；点击拼接标定按钮进入拼接标定模块VIII，输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统自动获取四目测量系统标定图像，同时后台程序直接对图像以及上一模块的标定结果进行统一处理，并存储；测量结束后点击停止按钮停止运行；最终在用户界面显示标定结果，并存储于指定路径下；标定完成后点击返回按钮返回总界面；

此外，测量过程中通过截图检测模块V对测量阶段相机获取的图形进行截取，只留下有有效信息的部分后，在测量过程中，系统将直接读取截图检测模块的结果，对图像进行处理获取测量结果。

本发明的有益效果是测量系统中各个模块的内部程序以及模块间的数据传递都包含在后台的程序框图中，用户只需在前面板控制测量过程的进行，即可获得测量结果，实现测量的高度自动化。操作简单，对操作人员专业知识要求低，高效方便，自动化程度高，可以高效方便地对整个测量过程进行协同控制，实现一个系统完成整个测量过程，提高了视觉测量的效率。

附图说明

图1为控制系统硬件结构示意图。

图2为软件的控制测量流程图。其中，1-双目视觉测量系统，2-四目测量系统，I-总界面、II-标定图像采集模块、III-标定内参数初始值模块、IV-标定整体优化模块、V-截图检测模块、VI-左双目采集测量模块、VII-右双目采集测量模块、VIII-拼接标定模块、IX-四目采集测量模块。

图3为总界面I的软件控制界面。控制界面中有激光标定按钮、标定图像采集按钮、电控平台控制按钮、标定内参数初始值按钮、四目采集测量按钮、标定整体优化按钮、截图检测按钮、左双目采集测量按钮、右双目采集测量按钮、拼接标定按钮。

图4为标定图像采集模块II的软件控制界面。其中，a-左双目标定采集，b-右双目标定采集。

图5为内参数标定初始值模块III的软件控制界面。其中，c-左双目标定内参数初始值，d-右双目标定内参数初始值。

图6为标定优化模块IV的软件控制界面。其中，e-左双目标定整体优化，f-右双目标定整体优化。

图7为图像截图检测模块V的软件控制界面。其中，g-左双目截图检测，h-右双目截图检测。

图8为左双目采集测量模块VI的软件控制界面，图9为右双目采集测量模块VII的软件控制界面，图10为拼接标定模块VIII的软件控制界面，图11为四目采集测量模块IX的软件控制界面。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例中，操作者通过人机交互界面实现对热态件几何尺寸的测量，并获得测量结果，实现对整个测量过程的自动化控制。

实施例1，测量控制系统由硬件部分和软件部分组成，硬件部分包括工作站、通信板卡、控制器、图像采集卡、脉冲触发卡、四台相机。工作站和控制器需要外接电源，相机可以直接通过控制器进行供电。工作站和控制器通过通信板卡进行连接，进行数据的传输，图像采集卡和脉冲触发卡放置在控制器中，图像采集卡的另一侧与相机相连接，脉冲触发卡的另一侧与相机相连接，通过接受控制器控制给相机发射脉冲信号，控制相机采集图像，相机采集的图像通过图像采集卡进行传输。如图1所示。

软件部分是通过基于LabVIEW的软件开发平台所开发的，通过控制软件实现对测量过程中各个模块的独立以及协同控制。图2为软件的控制测量流程图。其中，双目视觉测量系统1由标定图像采集模块II、标定内参数初始值模块III、标定整体优化模块IV、截图检测模块V、左双目采集测量模块VI、右双目采集测量模块VII组成，四目测量系统2由拼接标定模块VIII、四目采集测量模块IX组成。软件部分由总界面I实现对测量过程中各个模块的跳转控制。

图3为总界面I的软件控制界面，通过点击总界面上的各个不同按钮，可以实现相应界面的转换。

图4为标定图像采集模块II，由左双目标定采集a和右双目标定采集b构成，实现分别控制左右两个双目系统中各自的两个相机的图像采集功能，控制双目相机同步多次采集图像，实现对采集图像的控制以及图像存储的控制，用户可以自定义图像存储位置和存储文件名称。图5为标定内参数初始值模块III，由左双目标定内参数初始值c和右双目标定内参数初始值d两部分构成，分别控制左右两个双目系统内部参数的标定过程，实现标定结果的用户界面显示以及内部存储，保证以后阶段对此部分数据的传输。图6为标定整体优化模块IV，由左双目标定整体优化e和右双目标定整体优化f构成，实现对模块III初始标定结果的读取以及优化处理，最终获取标定结果，存储于指定位置以备下阶段调用。图7为截图检测模块V，由左双目截图检测g和右双目截图检测h构成，控制计算机对相机获取图片中所要的信息部分进行截取，降低计算机的计算量，加快测量效率。图8为左双目采集测量模块VI，实现对左双目系统的两个相机采集测量图像的控制，控制相机同步采集图像、存储图像、对图像进行图像处理后最终获得测量结果数据和图像结果。图9为右双目采集测量模块VII，实现对右双目系统的两个相机采集测量图像的控制，控制相机同步采集图像、存储图像、对图像进行图像处理后最终获得测量结果数据和图像结果。图10为拼接标定模块VIII是当系统使用四目采集测量时所需的标定模块，在四目采集测量之前，需要标定左双目和右双目测量系统。实现四目标定采集图像过程以及标定过程一体化。图11为四目采集测量模块IX是系统提供的第二种测量方式，当热态件的尺寸过大，双目测量系统1无法满足时使用。

工作时，先将硬件部分按附图1连接好，工作站为上位机，然后打开操作系统界面。软件的控制流程是：首先在总界面I中点击标定图像采集按钮，跳转到标定图像采集界面，输入设置的采集时间、采集频率、采集图像的张数、设置图像的存储位置、设置图像的存储名称系统所需参数后，再点击系统中的左双目采集和右双目采集按钮，系统自动获取标定图像并存储于指定位置。点击一次实现一次采集存储过程，可多次点击多次采集。然后点击返回按钮返回总界面。

点击标定内参数初始值按钮进入标定内参数初始值界面，点击左双目和右双目的开始按钮即可实现分别对左双目和右双目系统的标定初始值，系统自动显示并存储标定初始值结果。结束后按返回按钮返回总界面。

点击标定整体优化按钮进入标定整体优化界面，输入相关标定参数后，通过点击左双目和右双目的开始按钮，系统自动调用上一模块的初始标定结果计算优化结果进行处理，最终获得标定结果，显示并存储于后台指定位置。标定过程只需在改变测量仪器位置时需重新进行，测量仪器位置不变，只需标定一次即可多次测量。标定结束后进行测量过程控制，如附图2所示。

当热态件尺寸非过大时，可以通过双目视觉测量系统1进行测量。左双目采集测量和右双目采集测量模块相似，此处以左双目采集测量为例，在总界面I点击左双目采集测量按钮进入左双目采集测量界面，输入采集时间，采集频率，采集张数，所需测量的图像等系统所需参数，然后点击开始按钮，系统自动进行图像获取存储并读取标定结果进行数据处理，最终在用户界面显示测量结果数据并存储。期间，可以通过截图检测按钮进入截图检测界面，对测量阶段相机获取的图形进行截取，只留下有有效信息的部分，数据自动在后台存储，系统在之后的测量过程中可自动读取截图结果进行处理。

当所测量的热态件的尺寸超过双目视觉测量系统的测量范围时，还可以通过四目测量系统2进行测量。首先在总界面I点击拼接标定按钮，进入拼接标定界面，输入标定四目相机所需的参数后点击开始按钮，对四目相机系统进行标定拼接，获取的标定结果自动存储于指定位置。完成标定后，点击返回按钮，返回到总界面，点击四目采集测量按钮，进入四目采集测量界面，输入测量所需参数后点击开始即可进行四目采集测量过程，系统自动控制四台相机进行图像采集，同时读取拼接标定结果对图像进行处理，最终将测量结果显示于用户界面。测量结束，点击停止按钮结束系统运行。

本发明可以实现用户通过系统界面完成对整个测量过程的协同及独立控制，操作简便，稳定可靠。可以适应不同的热态件尺寸范围，提高了测量系统的适用性。

Claims (1)

1.一种基于视觉的热态件几何尺寸测量控制系统，测量控制系统由硬件部分和软件部分构成，其特征在于，所述硬件部分由电源、工作站、通信板卡、脉冲触发卡、图像采集卡、相机、以及嵌入LabVIEW软件开发平台并设有用户交互界面的控制器组成；其中，电源与工作站、控制器分别相连接；通信板卡一端与工作站相连接，通信板卡另一端与控制器相连接，控制器中插入图像采集卡和脉冲触发卡，控制器的另一侧与四台相机相连接，实现相机与控制器间的通讯；

所述软件部分是基于LabVIEW的软件开发平台开发的，软件部分由双目视觉测量系统1和四目测量系统2组成；双目视觉测量系统1由标定图像采集模块II、标定内参数初始值模块III、标定整体优化模块IV、截图检测模块V、左双目采集测量模块VI、右双目采集测量模块VII构成；四目测量系统2由拼接标定模块VIII和四目采集测量模块IX构成；总界面I实现对测量过程中各个模块的跳转控制；实现对热态件几何尺寸测量过程中的多个模块进行各自的独立控制以及协同控制；

测量系统的具体控制和测量过程如下：

首先检测硬件设备连接是否完好，再打开控制系统进行操作；

第一步在总界面I中点击标定图像采集按钮，进入标定图像采集模块II，标定图像采集模块II由左双目标定采集a和右双目标定采集b构成，分别设置了采集时间，采集频率，采集图像的张数，还设置图像的存储位置，设置图像的存储名称系统所需的参数，实现分别控制左右两个双目系统中各自的两个相机的图像采集功能，控制双目相机同步多次采集图像，实现对采集图像的控制以及图像存储的控制，用户可以自定义图像存储位置和存储文件名称；输入所需参数后点击开始按钮，系统自动采集并存储图像于用户指定的路径下，点击返回按钮返回总界面；

第二步点击标定内参数初始值按钮，进入标定内参数初始值模块III；标定内参数初始值模块III由左双目标定内参数初始值c和右双目标定内参数初始值d两部分构成，分别控制左右两个双目系统内部参数的标定过程，实现标定结果的用户界面显示以及内部存储，保证以后阶段对此部分数据的传输；点击开始按钮，系统自动生成标定初始结果，同时标定初始结果被后台程序自动存储于指定位置，点击返回按钮返回总界面；

第三步点击标定整体优化按钮进入标定整体优化模块IV，标定整体优化模块IV由左双目标定整体优化e和右双目标定整体优化f构成，实现对模块III初始标定结果的读取以及优化处理，最终获取标定结果，存储于指定位置以备下阶段调用；输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统后台程序自动调用上一界面的标定初始结果并通过优化获得最终的标定结果，显示于用户界面，自动存储于指定路径下；

以上是双目测量系统1的标定过程，标定过程只需在改变测量仪器位置时需重新标定，如测量仪器位置不变，只需标定一次即可多次测量；

第四步标定结束后进行测量过程控制，在总界面I点击左双目采集测量按钮或右双目测量采集按钮分别进入左双目采集测量模块VI或右双目采集测量模块VII的双目测量系统子界面，输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统自动进行图像采集并自动读取采集的图像进行数据处理，最终将测量结果直接显示于用户界面，点击停止按钮，测量完成停止运行；

第五步当热态件的尺寸过大，双目测量系统1无法满足时，此系统设定了第二种测量方式，通过四目测量系统2实现对大型热态件整体几何尺寸的测量；在四目测量前，需利用拼接标定模块VIII对四目系统进行标定；点击拼接标定按钮进入拼接标定模块VIII，输入系统所需参数后，点击开始按钮，系统自动获取四目测量系统标定图像，同时后台程序直接对图像以及上一模块的标定结果进行统一处理，并存储；测量结束后点击停止按钮停止运行；最终在用户界面显示标定结果，并存储于指定路径下；标定完成后点击返回按钮返回总界面；

此外，在测量过程中通过截图检测模块V对测量阶段相机获取的图形进行截取，只留下有有效信息的部分后，在测量过程中，系统将直接读取截图检测模块的结果，对图像进行处理并获取测量结果。