CN109813221A - 基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，包括：1)采集大尺寸钢板的图像，得出采集误差；2)对相机进行标定，获取标定误差；3)采用亚像素提取算法进行边缘定位，计算定位误差；4)对定位出的边缘进行边缘拟合，计算拟合误差；5)设计网格标准板，获取标准板上各直线上的相邻交叉点的间距误差；6)对间距误差进行误差累积，分别获得网格标准板上的所有横、纵坐标的误差曲线，获得在标准板坐标系中x方向和y方向上的误差；7)建立误差曲线并投影至图像坐标系，结合线性插值构造误差场；8)对钢板测量结果进行误差补偿，并与未补偿的测量结果进行对比。结果表明，本方法可以提高大型钢板的测量精度，并具有较高的鲁棒性。

Description

基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，特别在对大尺寸钢板运用图像处理进行测量时，在准确性方面比现有技术具有较大提升。

背景技术

随着大尺寸钢板广泛应用于飞机、船舶等大型精密设备，在重大装备的制造和装配中，钢板的精确测量是保证装备制造准确性的关键一步，尺寸错误的钢板严重影响工厂生产效率和产品质量。传统的检测方式主要依靠工人利用千分尺对被测钢板的尺寸进行测量，这种检测方式不仅无法获取准确的尺寸偏差而且检测速度慢而且误差大。因此，基于大尺寸钢板的测量成为研究热点。

目前，使用三坐标测量机可以对大尺寸重型燃机叶片进行测量，该方法虽可对大尺寸物体进行精确测量，但其属于逐点测量法，需要首先得到待测物表面的大量离散点，其测量效率较低；使用数字近景摄影测量系统应用于工业大尺寸板坯的测量中，数字近景摄影测量系统可以对较大范围的区域进行精确测量，但其在使用过程中操作复杂，测量数据计算量大，通常难以对满足大尺寸钢板测量快速测量的要求；建立透视投影误差的非线性模型对圆柱形齿轮轮廓的测量结果进行误差补偿，实验结果表明此方法的精度满足了不同厚度的齿轮轮廓的测量要求。但是其测量对象相对于小尺寸物体，随着测量对象尺寸的增大，镜头畸变程度越来越大，仅仅依靠对测量过程中的一个步骤的补偿不能满足精度要求。

综上所述，目前迫切需要提出一种精确度高和实用性较强地大尺寸钢板的测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，该方法可以实现对大尺寸钢板的测量结果精度的大幅提高，并且鲁棒性和实用性较强。

为达到上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，具体技术方案，包括下列步骤：

步骤1：采集大尺寸钢板的图像，获取线扫描相机的非匀速运动导致的测量系统的采集误差；

步骤2：对摄像机利用非线性标定法进行标定，根据标定结果获取测量系统的标定误差；

步骤3：采用亚像素提取算法进行边缘定位，计算出输入像素集不理想时的亚像素定位误差；

步骤4：对定位出的孤立边缘进行边缘拟合，拟合时由于在定义权重系数时引入距离阈值，不同阈值的选择导致图像中始终有拟合较差的地方，进而出现拟合误差；

步骤5：设计网格标准板，获取标准板上各横、纵直线上的相邻交叉点之间的间距误差；

步骤6：将相邻交叉点之间的间距误差进行误差累积，获得网格标准板中横(纵)直线沿y(x)方向上的误差曲线；

步骤7：建立步骤6中的误差曲线利用三角函数定理投影至图像像素坐标系下，并进行线性插值校正，实现建立测量区域的误差场；

步骤8：对待检测的大尺寸钢板进行测量结果的误差补偿，并与未补偿的结果进行对比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对大尺寸钢板测量系统中的误差超过系统设置允差范围的问题，通过分析系统中误差产生的原因，采用了系统总误差补偿的校正方法。首先，利用覆盖整个测量区域的网格标准板的测量结果；然后，获取网格线上误差分布情况；其次，利用线性插值技术建立了测量区域的平面误差场；最后，对钢板测量结果进行误差补偿，在1.2m×2.6m的测量区域内，通过对钢板的圆心距测量结果进行误差补偿，可将测量的误差结果控制在1mm/m以内，较误差补偿前3mm的精度提高了71％。

附图说明

图1总体框架示意图，即摘要附图；

图2测量区域及网格板示意图；

图3横线上交叉点示意图；

图4网格板中某横线沿y轴方向上的误差曲线；

图5图像坐标系与网格板坐标系关系图；

图6网格板某横线投影至图像坐标系过程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明的总体框架示意图如图1所示。首先，采集大尺寸钢板的图像，分析系统总误差中的图像采集误差；而后对摄像机进行标定，得出系统总误差中的标定误差；然后采用亚像素提取算法进行边缘定位，计算出因输入像素集不理想时，系统总误差中的亚像素定位误差；其次对定位出的边缘进行边缘拟合，得出不同阈值导致的系统总误差的拟合误差；接着设计网格标准板，获取标准板上各横、纵直线上的相邻交叉点之间的间距误差；对于已得到的相邻交叉点之间的间距误差进行误差累积，分别获得网格标准板上的所有横、纵坐标的误差曲线，获得在标准板坐标系中x方向和y方向上的误差曲线；建立误差曲线并利用三角函数定理投影至图像像素坐标系下，并通过线性插值构造整个测量区域的误差场；最后对钢板的测量结果进行误差补偿校正，并与未补偿的测量结果进行对比。

下面结合具体实施方式对本发明技术方案的具体实施过程加以说明。

1.实验对象

本发明针对1.2m×2.6m的测量区域设计了长为2600mm，宽为1200mm的网格标准板，其上网格区域由240条间距为10mm的横向平行线和108条间距同为10mm的纵向平行线组成。

2.误差分析

钢板测量系统在测量过程包含4个过程：钢板图像的采集、相机的标定、亚像素边缘的提取以及边缘拟合。首先，系统的图像采集依赖线扫描相机，安装在机械臂上的线扫描相机为非匀速运动，会导致采集出的图像存在拉伸，使图像存在大小为μ_a的采集误差；其次，系统采用只考虑径向畸变和偏心畸变的非线性标定模型对相机进行标定，标定结果的反投影误差为0.2901pixel，由于图像中1个像素代表的实际距离为0.71mm，故测量系统的标定误差μ_c＝0.206mm；然后，本发明采用灰度矩亚像素提取算法进行边缘定位，当输入像素集不理想时，灰度矩法的定位误差可达到0.3pixel，故亚像素定位误差μ_s＝0.21mm；最后，边缘拟合采用的是基于权重的最小二乘边缘拟合算法，在进行拟合时，由于在定义权重系数时引入距离阈值，不同阈值的选择导致图像中始终有拟合较差的地方，形成大小为μ_f的拟合误差。

综上所述，系统总误差由四个误差部分组成，若采用误差补偿仅对其中某一种误差进行校正，不仅需要引入复杂的算法导致模型复杂，而且也无法消除对于由图像采集和标定引起的系统误差，因此，本文从测量系统中存在的总误差之和μ_T进行补偿，μ_T用数学表达式表示为μ_T＝μ_a+μ_c+μ_s+μ_f。

3构建测量区域平面误差场

3.1网格标准板的间距误差

本发明针对测量系统总误差，设计了一种网格标准板，将其粘贴在被测平面上。该板是由若干个相互平行且间距固定的横线和纵线交叉组成，并且横、纵直线相互垂直。为避免图像拼接造成二次误差，需要一次性获得整个测量区域内的误差分布情况，并保证在采集网格标准板图像时应与采集钢板图像具备相同的条件。并且经影像测量仪对网络标准板进行测量，其误差小于0.08mm。

为便于描述，将网格标准板在测量区域内的摆放情况简化为图2。假设标准板中平行横线间和平行纵线间的固定距离均为且经标定可知该图像中1个像素代表σmm，故平行线间的像素距离为为了获得测量区域的误差分布情况，首先，通过线扫描相机获取网格标定板的图像，然后利用亚像素边缘算子定位出网格线中每条横线和纵线的亚像素边缘，之后，通过基于权重的最小二乘直线拟合法对提取出的边缘拟合直线，根据拟合结果获得所有直线的交叉点，最后通过得到交叉点的坐标计算相邻点间的像素间距，完成对网格标准板中相邻交叉点的间距进行测量。

假设图像中共有m条横向平行线，n条纵向平行线，则图像中所有横线、纵线的拟合直线方程可分别用式y＝a_ix+b_i(i＝1，2，...m)、式y＝a_jx+b_j(j＝1，2，...n)表示。假设图像中某条横线的拟合直线方程为v＝ax+b，则网格板中该条横线上的交叉点坐标可表示为因此，网格板中该条横线上交叉点之间的像素间距为令该条横线上交叉点之间的间距误差为ε_h，由于已知该网格板上平行纵线间的像素距离均为Dpixel，故可得：ε_h＝D-D_j j＝2，3，...n。网格板中纵线上交叉点的间距误差求取过程与之相似。

3.2基于间距误差的误差曲线获取

根据公式ε_h＝D-D_j获得的网格标准板中横线上交叉点的间距误差仅能描述当前交叉点与前一交叉点之间距离误差，若想获得横线上某点的误差时，需要首先测量出之前所有交叉点之间的间距误差，不利于后续误差场的建立。因此，本发明基于网格标准板中横纵拟合直线上的间距误差，建立该直线上的误差曲线。

为方便的表示误差曲线的建立过程，现建立网格标准板坐标系，以标准板中纵线方向为x轴，横线方向为y轴，原点为左上角交叉点，如图2所示。假设网格标准板中某横线上共有n个交叉点，从左至右依次为a₀，a₁，......a_n，如图3所示。

在该横线方向上，其误差累积可表示为 左式描述了横线中任意交叉点在横线方向上的误差分布情况，将其表示为误差曲线形式，如图4所示。图4的横轴为网格标准板坐标系中的y轴，纵轴为拟合直线的任意一点与第一个交叉点a₀之间的距离误差值。同理，标准板上某纵线的误差曲线建立过程与之类似。

3.3建立测量区域误差场

由于在对其它非网格图像进行处理时，网格坐标系的位置未知则不能用该坐标系下的误差曲线对图像进行补偿，因此在建立测量区域的误差场前，首先将网格板坐标系下的横、纵向误差曲线转换到图像坐标系下的行、列坐标误差曲线。

假设网格板上共有m条横线，其拟合直线分别为t₀，t₁，t₂，...，t_m-1，这些直线在图像中最左边的第一个交叉点像素坐标分别为 网格板坐标系与图像坐标系的位置示意图如图5所示。假设网格板坐标系下某横线的拟合直线为t_i(0≤i＜m)，该直线上共有N个交叉点依次为a₀，a₁，a₂，...，a_N，则在像素坐标系下的坐标为该直线在网格板坐标系中沿y轴的误差曲线如图4所示，则将直线中的误差数据投影至图像坐标系中直线过程如图6所示。假设该横线上各交叉点a₀，a₁，a₂，...，a_N投影至直线时，其投影点为a₀，a₁′，a₂′，...a_N′。从图6中可以看出，任意交叉点a_i与a₀、其投影点a_i′之间可以形成直角三角形，同时根据误差曲线可得到交叉点a_i与a₀间的误差故根据勾股定理可得a_i′与a₀之间的误差为式中a_i为该横线与图像坐标系的夹角，K为拟合直线的斜率，得出α_i＝arctan(k)。根据公式α_i＝arctan(k)可得到图像坐标系中直线上所有点的误差曲线。因此，当使得网格标准板中所有横线均投影至图像坐标系中，可以得到直线上共m条误差曲线。根据这些曲线，可获得投影直线上所有点在v轴方向上的误差，同时还可对其进行线性插值获得整个图像中任意点的v方向误差，形成v方向误差场。同理，可以形成图像的u方向误差场，最终得到整个测量区域的误差场，在该误差场中可以直接获取到图像中任意位置的误差值，从而对该点的测量值进行补偿。

与无误差补偿的大尺寸钢板测量技术相比较，本发明的检测结果可以较未补偿前提升71％的精度，且鲁棒性、实用性较强。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明并不限于这里所描述的现方案，这些实现方案描述的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。

Claims (4)

1.一种基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，包括下列步骤：

步骤1：采集大尺寸钢板的图像，获取测量系统的采集误差；

步骤2：对摄像机进行标定，获取测量系统的标定误差；

步骤3：采用亚像素提取算法进行边缘定位，计算出亚像素定位误差；

步骤4：对定位出的边缘进行边缘拟合，进而得出拟合误差；

步骤5：设计网格标准板，获取标准板上各横、纵直线上的相邻交叉点之间的间距误差；

步骤6：将相邻交叉点之间的间距误差进行误差累积，获得网格标准板中横或纵线沿y或x方向上的误差曲线；

步骤7：建立步骤6中的误差曲线利用三角函数定理投影至图像像素坐标系下，并进行线性插值校正，实现建立测量区域的误差场；

步骤8：对待检测的大尺寸钢板进行测量结果进行误差补偿，并与影像测量仪的结果进行对比。

2.根据权利要求1所述的基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，其特征在于，步骤5中，针对测量系统的总误差来源于图像采集误差、测量系统标定误差、亚像素定位误差、边缘拟合误差四个方面，设计了一种由若干个相互平行且间距固定的横线和纵线交叉组成，并且横、纵直线均相互垂直的网格标准板，标准板的横、纵直线之间的相邻交叉点的间距误差分布情况可以实现对测量系统的误差分布情况的表达，其中标准板上的某条横或纵线上的间距误差可以表示为：和ε_v＝D-D_i其中i＝2，3，...m。

3.根据权利要求1所述的基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，其特征在于，步骤6中，网格标准板中直线上相邻交叉点的间距误差仅能描述当前交叉点与前一交叉点之间距离误差，若想获得横线上某点的误差时，需测量出之前所有交叉点之间的间距误差因横或纵线上任意交叉点与其前一交叉点间的像素距离为并且根据ε_v＝D-D_i利用误差累积和得出网格板中某横线沿y或x轴方向上的误差曲线。

4.根据权利要求1所述的基于控制场的大型钢板的测量误差补偿方法，其特征在于，步骤7中，由于在步骤6中得到的是网格板坐标系下所有横线和纵线上的点沿y或x方向上的误差曲线，而对于实际的非网格图像进行处理时，网格坐标系的位置未知，因此，在建立测量区域的误差场时，利用三角函数定理将网格板坐标系下的横、纵向误差曲线投影至图像像素坐标系下的行、列坐标误差曲线，而后，进行线性插值，最终得到所采集图像中任意位置的误差值的误差场。