一种大型筒体结构视觉测量方法技术

本发明专利技术涉及一种大型筒体结构视觉测量方法，包括图像采集单元和图像处理单元，其中，图像采集单元由工业相机、光学镜头、光源、相机与光源安装定位部件和数据传输线缆等构成，图像处理单元由工控机、图像采集卡等构成；首先对相机进行标定，然后通过图像采集单元中的工业相机采集对应工位上大型筒体的图像，由图像处理单元结合相机标定的参数对所采集的图像进行处理分析，从而得到大型筒体的位置和姿态，输出计算结果，完成测量任务。本发明专利技术的优势在于将计算机双目立体视觉与单目视觉结合，利用机器视觉技术完成位姿测量任务，为机械臂的自动抓取做好准备工作，本方法降低测量成本，提高工作效率，易于维护，可实现全天候工作要求。

【技术实现步骤摘要】
一种大型筒体结构视觉测量方法
本专利技术属于计算机视觉测量技术和模式识别领域，具体地说是一种大型筒体结构视觉测量方法。
技术介绍
近些年来，随着科学技术的快速发展，对自动化技术水平也提出了越来越高的要求。从一定意义上来讲，自动化水平的优劣与信息的测量息息相关，目前，很多测量方式为接触性测量，大大影响了工作效率，并且容易受到外部干扰而使测量结果产生较大偏差，此时非接触式测量发挥出较大的优势，其中效果较好的一种方式是可采用光学测绘仪器进行测量，虽然其具有较为令人满意的测量精度，但是测量范围受到一定的限制，无法实现大范围大目标的测量。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术目的在于提供一种大型筒体视觉测量方法，解决大范围大目标的测量问题，完成大型筒体的测量。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种大型筒体结构视觉测量方法，通过双目相机和单目相机获取筒体的位置和姿态，包括以下步骤：工业相机的标定：设定已知标定板为标定图像的采集对象，分别利用双目相机和单目相机采集标定图像，分别建立起三维世界坐标到双目相机和单目相机图像坐标的映射关系，分别进行标定得到标定参数；由双目视觉进行定位三维位置：双目相机采集目标图像，并根据世界坐标系到图像坐标系的转化关系，进行被测筒体的位置测量；通过单目视觉获得筒体姿态：通过单目相机对目标图像进行特征提取，特征图像的像素坐标连线构成一个平行于筒体轴心的向量，该向量的姿态视为筒体的姿态，并得到该向量在世界坐标系中与各个坐标轴的夹角，即获得筒体姿态。所述工业相机的标定具体如下：首先，安装双目相机、单目相机和光源，将双目相机、单目相机与工控机通过图像采集卡用数据传输电缆相连接，分别采集不同位姿下标定板目标物图像，分别对双目相机、单目相机进行标定，得到双目相机、单目相机的标定参数；对于双目相机，得到筒体在世界坐标系向图像坐标系的转化关系；对于单目视觉，得到把持筒体的机械手末端坐标系到相机坐标系的转化关系，根据机械臂基础坐标系、机械臂末端坐标系和世界坐标系之间的关系，进而得到世界坐标系与相机图像坐标系的转化关系。通过工控机界控制双目相机、单目相机的图像采集，并显示筒体的位置和姿态。本次测量完毕后，双目相机和单目相机等待下一次指令；如已完成测量认为，则关闭双目相机、单目相机。一种大型筒体结构视觉测量系统，包括：图像采集单元，用于通过双目相机、单目相机采集目标图像，并发送至图像处理单元；图像处理单元，用于根据双目相机的采集图像定位目标三维位置，根据单目相机的采集图像获得筒体姿态。所述图像采集单元包括双目相机、单目相机。所述图像处理单元执行以下步骤：对于双目相机采集的目标图像，根据世界坐标系到图像坐标系的转化关系，获取被测筒体的位置；对于单目视觉采集的目标图像，进行特征提取，特征图像的像素坐标连线构成一个平行于筒体轴心的向量，该向量的姿态视为筒体的姿态，并得到该向量在世界坐标系中与各个坐标轴的夹角，即获得筒体姿态。本专利技术的一种大型筒体结构视觉测量方法，利用计算机视觉技术，将计算机双目立体视觉和单目视觉结合，共同完成大型筒体在工位上位置和姿态的测量，测量系统包括图像采集单元和图像处理单元，其中，工业相机、光学镜头、光源、相机与光源安装定位部件和数据传输线缆等构成图像集采单元，工控机、图像采集卡和图像处理软件等构成图像处理单元。首先在工作现场安装工业相机和光源，确定设备间连接和供电无误，相机固定后，调节相机使其成像清晰，在采集图像时相机和标定板目标的相对位姿要适当的变化，分别采集不同位姿下标定板目标物图像，对相机进行双目标定和手眼标定，得到对应的标定参数，然后在工控机内部安装有相关的图像处理软件，其具有友好的用户界面，可通过图像采集单元中的工业相机采集对应工位上大型筒体的图像，将其经数据传输电缆与图像采集卡传给图像处理单元，由图像处理单元结合相机标定的参数对所采集的图像进行处理分析，从而得到大型筒体的位置和姿态，输出测量结果。本专利技术的优势和取得的积极效果为：1、本专利技术为单元化设计，包括：图像采集单元和图像处理单元，该设计利于故障检测和排查，利于维护和升级。2、本专利技术将计算机双目立体视觉与单目视觉结合，利用机器视觉单双目的互补，提高位姿测量效率和准确性。3、本专利技术测量成本较低，具有工位监控功能，可实现全天候换工作要求。4、本专利技术易于移动，操作性强，操作人员可通过界面进行控制。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术计算机双目立体视觉几何关系示意图；图3为本专利技术计算机单目视觉几何关系示意图；图4为本专利技术工作原理示意图；在图2中：世界坐标系OWXWYWZW，相机坐标系O1X1Y1和O2X2Y2，图像坐标系o1u1v1和o2u2v2。在图3中：世界坐标系OWXWYWZW，相机坐标系OXY，图像坐标系ouv。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详述。一种大型筒体结构视觉测量方法，包括图像采集单元和图像处理单元，其中，所述的图像集采单元由工业相机、光学镜头、光源、相机与光源安装定位部件和数据传输线缆等构成，所述的图像处理单元由工控机、图像采集卡和图像处理软件等构成，所采用的方法是：首先在工作现场安装工业相机，对相机进行标定，采用计算机双目立体视觉和单目视觉相结合的方式，然后在工控机内部安装有相关的图像处理软件，并通过图像采集单元中的工业相机采集对应工位上大型筒体的图像，经数据传输电缆与图像采集卡和工业相机进行数据交换，由图像处理单元结合相机标定的参数对所采集的图像进行处理分析，从而得到大型筒体的位置和姿态，输出计算结果，完成测量任务。上述的图像采集单元由计算机双目立体视觉和单目视觉组成，共同完成大型筒体位置和姿态的测量，在测量前需要分别对双目立体视觉和单目视觉进行精确的标定，得到对应的参数，用于图像处理单元的图像分析，计算位置和姿态。上述的图像处理单元中的工控机安装有图像处理软件，具有图像处理分析的能力，可对计算机双目立体视觉和单目视觉所采集的图像使用与其相对应的图像处理分析算法，对于双目立体视觉可用高斯滤波、中值滤波等方法去噪，从而完成图像的预处理，可将图像进行二值化处理来突出特征，可用Canny边缘检测算法提取特征区域，然后进行极线校正，可采用Surf算法完成立体匹配，随后利用三角测量原理计算图像坐标对应的世界坐标，推导结果简述如下：式中，(u1,v1,1)与(u2,v2,1)分别为p1与p2点在各自图像中的图像齐次坐标；(X,Y,Z,1)为P点在世界坐标系下的齐次坐标，分别为投影矩阵的第i行第j列元素。Zc1、Zc1分别为投影关系式(1)和式(2)的比例因子。可推得：令K为式左边4×3矩阵，W为三维世界坐标向量；U为式右边4×1向量。K和U已知向量，由最小二乘法得到三维世界坐标：W＝(KTK)-1KTU(4)对于单目视觉可用同样的图像预处理方法和特征提取方式，利用图像坐标系到世界坐标系的转换关系，在一定位置处求得世界坐标值，推导过程简述如下：式中M为3×4投影矩阵，令Zc为投影关系式(5)的比例因子。在平面上Zw＝0，Zw为测量平面的坐标；因为m34位于平移矩阵T中3×1位置，有实际意义，故此m34≠0，可推得：AX＝B(6)式中式(6)中，当给出值像素u、v时，A、B为已知量，可通过最小二乘法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型筒体结构视觉测量方法，其特征在于，通过双目相机和单目相机获取筒体的位置和姿态，包括以下步骤：工业相机的标定：设定已知标定板为标定图像的采集对象，分别利用双目相机和单目相机采集标定图像，分别建立起三维世界坐标到双目相机和单目相机图像坐标的映射关系，分别进行标定得到标定参数；由双目视觉进行定位三维位置：双目相机采集目标图像，并根据世界坐标系到图像坐标系的转化关系，进行被测筒体的位置测量；通过单目视觉获得筒体姿态：通过单目相机对目标图像进行特征提取，特征图像的像素坐标连线构成一个平行于筒体轴心的向量，该向量的姿态视为筒体的姿态，并得到该向量在世界坐标系中与各个坐标轴的夹角，即获得筒体姿态。

【技术特征摘要】
1.一种大型筒体结构视觉测量方法，其特征在于，通过双目相机和单目相机获取筒体的位置和姿态，包括以下步骤：工业相机的标定：设定已知标定板为标定图像的采集对象，分别利用双目相机和单目相机采集标定图像，分别建立起三维世界坐标到双目相机和单目相机图像坐标的映射关系，分别进行标定得到标定参数；由双目视觉进行定位三维位置：双目相机采集目标图像，并根据世界坐标系到图像坐标系的转化关系，进行被测筒体的位置测量；通过单目视觉获得筒体姿态：通过单目相机对目标图像进行特征提取，特征图像的像素坐标连线构成一个平行于筒体轴心的向量，该向量的姿态视为筒体的姿态，并得到该向量在世界坐标系中与各个坐标轴的夹角，即获得筒体姿态。2.根据权利要求1所述的一种大型筒体结构视觉测量方法，其特征在于，所述工业相机的标定具体如下：首先，安装双目相机、单目相机和光源，将双目相机、单目相机与工控机通过图像采集卡用数据传输电缆相连接，分别采集不同位姿下标定板目标物图像，分别对双目相机、单目相机进行标定，得到双目相机、单目相机的标定参数；对于双目相机，得到筒体在世界坐标系向图像坐标系的转化关系；对于单目视觉，得到把持筒体的机械手末端坐标系到相机坐标系的转化关系，根据机械臂基础坐标系、机械臂末端坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金国，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21