一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法。分别对双目视觉系统的左右摄像机进行标定，获得左右摄像机的内参、外参和畸变参数，然后分别计算左右摄像机的投影矩阵；将轴类零件放在左右摄像机的公共视野内，通过左右摄像机对轴类零件进行拍照分别获得左右图像的两幅图像，对两幅图像矫正处理；对矫正后的左右图像进行处理获得各自的轴轮廓；利用左右图像的轴轮廓处理获得轴类零件的半径。本发明专利技术方法可有效求取较大范围的空间轴半径，测量精度高，结果可靠；可同时对空间轴的中轴线和半径尺寸重建结果进行检验，降低了成本。

A method for measuring radius dimension of shaft parts based on binocular vision

The invention discloses a method for measuring the radius dimension of shaft parts based on binocular vision. The left and right cameras of the binocular vision system are calibrated, and the parameters of the internal reference, the external parameter and the distortion of the left and right cameras are obtained. Then the projection matrix of the left and right cameras is calculated respectively. The axis parts are placed in the public vision of the left and right cameras, and the left and right images are obtained by taking pictures of the axis parts by the left and right cameras. Two images, two images correction processing, the corrected left and right images are processed to obtain the respective axis contour, and the axis contour of the left and right images is used to obtain the radius of the axis parts. The method of the invention can effectively calculate the radius of the space axis in a large range, with high accuracy and reliable results, and can simultaneously test the reconstruction results of the axis and radius dimensions of the space axis, and reduce the cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法
本专利技术属于先进测量
，涉及了一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，尤其适用于非接触式工业检测和基于视觉的机器人导航系统。
技术介绍
轴类零件在工业应用中随处可见，对轴类零件的半径尺寸精确测量在工业检测中具有重要的意义。尤其在现代制造技术中，自动化装配技术已经逐步取代人工技能和判断力进行复杂的装配操作来提高效率，保证产品的质量及稳定性。在零件装配过程中，轴孔装配是经常会遇到的工作情况，在机械手进行抓取轴类零件以及进行装配时，必须准确测量出轴类零件的半径尺寸，才能合理控制机器手的张开角度以及避免零件间发生碰撞而产生缺陷，进而顺利完成装配任务。随着机器视觉技术的发展，目前国内外已经开展了相关的研究及应用试验，将机器视觉系统引入到轴孔尺寸测量中来，但是目前大多数研究集中在空间圆孔及其椭圆孔的识别与参数测量，对于轴类零件尺寸测量的研究相对较少。崔彦平等人研究了一种基于双目视觉的回转体目标空间三维姿态的测量方法，该方法能够在不进行特征点匹配的情况下实现回转体三维姿态的测量，但由于轴类零件表面的高反光性以及实际应用中光照不均的问题，使用该种方法在提取像面母线的亚像素直线方程时将导致精度下降，并且该种方法只能测量回转体的位姿而无法测量半径尺寸。Sun等人在“shaftdiametermeasurementusingadigitalimage”一文中提出一种基于图像处理的轴类测量方法，这种基于单目视觉原理而脱离立体几何原理的测量方法必然过分依赖图像质量及其处理效果，缺乏良好的稳定性，并且该方法要想达到较高的精度需要利用已知直径的轴类尺寸作为先验知识进行重新标定，应用场合具有一定限制。此外，西安理工大学张凯提出的目标工件轴线计算方法由于在图像处理过程中需要采用灰度值阈值和RGB彩色阈值，使得在采用普通黑白摄像机的情况下可能无法识别，进行计算失败。综上所述，提出一种无需人工介入而且能够精确测量出轴类零件半径尺寸的方法具有较大的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，能够准确计算出空间轴类工件的中轴线位姿和轴半径，精度高、速度快，设计的检验模型与实验方法简单实用，节约成本，提高效率，为双目视觉算法验证工作提供了一种新思路。本专利技术的上述目的是通过下述技术方案的步骤实现的：1)根据张正友标定法分别对双目视觉系统的左右摄像机进行标定，由左右摄像机构成双目视觉系统，获得左右摄像机的内参、外参和畸变参数；根据标定得到的内参和外参计算出左右摄像机的投影矩阵；2)将轴类零件放在左右摄像机的公共视野内，通过左右摄像机对轴类零件进行拍照分别获得左右图像的两幅图像(左图像和右图像)，对两幅图像依次进行高斯滤波、灰度转换和阈值处理，然后利用步骤1)获得的左右摄像机的径向畸变参数矩阵对左右图像进行矫正处理；3)对矫正后的左右图像进行处理获得各自的轴轮廓；4)利用左右图像的轴轮廓处理获得轴类零件的半径。所述的步骤1)获得的左右摄像机的内部参数、畸变参数和投影矩阵包括左摄像机的内参数矩阵Al、左摄像机的径向畸变参数矩阵Kl、左摄像机的投影矩阵Ml、右摄像机的内参数矩阵Ar、右摄像机的径向畸变参数矩阵Kr和右摄像机的投影矩阵Mr。所述步骤3)具体为：对矫正后的左右图像和模板图像进行轮廓检测，再将检测到的左右图像中的所有轮廓分别与模板图像检测获得的模板轮廓进行匹配，获得左右图像中各自与模板轮廓匹配的轮廓，并作为轴轮廓，即与轴类零件对应的轮廓；所述的模板图像中具有且仅有一个与轴类零件匹配的矩形框。矩形框与轴类零件在尺寸和形状上相匹配，具体实施矩形框置于模板图像的中间。所述步骤4)具体为：4.1)用最小旋转外接矩形逼近左右图像中的轴轮廓，提取获得每个轴轮廓的长边，左右图像中两个轴轮廓的长边共计有四条长边ll1、ll2、lr1、lr2，ll1、ll2分别表示左图像中轴轮廓的两条长边，lr1、lr2分别表示右图像中轴轮廓的两条长边；4.2)采用以下公式计算通过左右摄像机中心并与轴类零件的轴轮廓相切的四个空间平面SOAB、SOCD、S0′GH、S0′IJ，进而获得四个空间平面的法向量NOAB、NOCD、N0′GH、N0′IJ：ll1MlSOAB=0,ll2MlSOcD=0,lr1MrS0′GH=0,lr2MrS0′IJ=0式中，ll1、ll2分别表示左图像中轴轮廓的两条长边，lr1、lr2分别表示右图像中轴轮廓的两条长边；Ml、Mr分别表示左右摄像机的投影矩阵；SOAB、SOCD分别表示通过左摄像机中心并分别与轴类零件的轴轮廓两条长边相切的两个空间平面，S0′GH、S0′IJ分别表示通过右摄像机中心并分别与轴类零件的轴轮廓两条长边相切的两个空间平面；4.3)根据空间平面SOAB、SOCD及其各自的法向量NOAB、NOCD计算空间平面SOAB和空间平面SOCD之间的空间角平分平面Sl，根据空间平面S0′GH、S0′IJ及其各自的法向量N0′GH、N0′IJ计算空间平面S0′GH和空间平面S0′IJ之间的空间角平分平面Sr，取两个空间角平分平面Sl与Sr的交线作为轴类零件的中轴线；4.4)利用下式计算中轴线上任意一点p(x0，y0，z0)分别到四个空间平面SOAB、SOCD、S0′GH、S0′IJ的垂直距离li，取四个垂直距离的平均值作为所求轴类零件的半径：式中，i＝1,2,3,4时的li分别表示p点到四个空间平面SOAB、SOCD、S0＇GH、S0′IJ的距离，ai,bi,ci,di分别表示四个空间平面SOAB、SOCD、S0′GH、S0′IJ对应方程的第一、第二、第三、第四系数，x0、y0、z0为中轴线上任意一点的三维坐标，通常的选取x0＝0。本专利技术实施中还提出了一种新的检验模型，该模型半径已知，并对中轴线进行可视化，将该条空间直线拟合、重建结果与本专利技术方法所得结果进行对比，验证本方法半径尺寸测量结果的有效性与精确度。与现有方法相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术能高精度地测量获得空间轴类工件的半径，可以有效求取较大范围的空间轴半径，测量精度高，结果可靠，方法简单实用，节约成本。并通过自行设计的检验模型对该方法进行了验证，可同时对空间轴的中轴线和半径尺寸重建结果进行检验，避免了高价的检测台，降低成本。同时，本方法具有非接触式的优点，在用传统方法无法测量的场合具有很高的应用价值，尤其适用于非接触式工业检测和基于视觉的机器人导航系统。附图说明图1为本专利技术方法原理示意图；图2为本专利技术方法流程示意图；图3为实施例的新模型验证方式示意图。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作详细的描述。如图1所示为双目立体视觉系统。OlXlYlZl和OrXrYrZr分别为左右摄像机坐标系，olulvl和orurvr分别为以像素为单位的左右图像坐标系，OwXwYwZw为世界坐标系，其中Z轴指向左摄像机坐标系原点Ol。图1中EF表示轴类零件的中轴线，abcd表示轴类零件在左摄像机成像平面上的轮廓，ghij表示轴类零件在右摄像机成像平面上的轮廓。下面详细叙述本专利技术方法的实施步骤：1.对左右摄像机，利用张正友标定法(AFlexible本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于包含以下步骤：1)根据张正友标定法分别对双目视觉系统的左右摄像机进行标定，获得左右摄像机的内参、外参和畸变参数；根据标定得到的内参和外参计算出左右摄像机的投影矩阵；2)将轴类零件放在左右摄像机的公共视野内，通过左右摄像机对轴类零件进行拍照分别获得左右图像的两幅图像，对两幅图像依次进行高斯滤波、灰度转换和阈值处理，然后利用步骤1)获得的左右摄像机的径向畸变参数矩阵对左右图像进行矫正处理；3)对矫正后的左右图像进行处理获得各自的轴轮廓；4)利用左右图像的轴轮廓处理获得轴类零件的半径。

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于包含以下步骤：1)根据张正友标定法分别对双目视觉系统的左右摄像机进行标定，获得左右摄像机的内参、外参和畸变参数；根据标定得到的内参和外参计算出左右摄像机的投影矩阵；2)将轴类零件放在左右摄像机的公共视野内，通过左右摄像机对轴类零件进行拍照分别获得左右图像的两幅图像，对两幅图像依次进行高斯滤波、灰度转换和阈值处理，然后利用步骤1)获得的左右摄像机的径向畸变参数矩阵对左右图像进行矫正处理；3)对矫正后的左右图像进行处理获得各自的轴轮廓；4)利用左右图像的轴轮廓处理获得轴类零件的半径。2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于：所述的步骤1)获得的左右摄像机的内部参数、畸变参数和投影矩阵包括左摄像机的内参数矩阵Al、左摄像机的径向畸变参数矩阵Kl、左摄像机的投影矩阵Ml、右摄像机的内参数矩阵Ar、右摄像机的径向畸变参数矩阵Kr和右摄像机的投影矩阵Mr。3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：对矫正后的左右图像和模板图像进行轮廓检测，再将检测到的左右图像中的所有轮廓分别与模板图像检测获得的模板轮廓进行匹配，获得左右图像中各自与模板轮廓匹配的轮廓，并作为轴轮廓。4.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于：所述的模板图像中具有且仅有一个与轴类零件匹配的矩形框。5.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的轴类零件半径尺寸测量方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：4.1)用最小旋转外接矩形逼近左右图像中的轴轮廓，提取获得每个轴轮廓的长边，左右图像中两个轴轮廓的长边共计有四条长边ll1、ll2、lr1、lr2，ll1...

【专利技术属性】
技术研发人员：段桂芳，姜学涛，刘振宇，谭建荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33