一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，通过相机标定获取摄像头内外参数，通过图像预处理步骤进行滤波和激光光条中心位置的初步提取，并对光条中心坐标进行亚像素精度细化，通过激光光平面标定获取光平面方程，最终对待测工件的三维轮廓信息进行重建与测量。本发明专利技术所提出的工件三维轮廓测量方法具有如下优势：测量精度高，通过亚像素精度的激光光条提取和三维重建，能准确获取待测工件的三维轮廓信息；测量速度快，可实现待测工件三维轮廓信息的实时测量，提高工业生产现场的作业效率；采用线激光结合单目相机的硬件实现方式，硬件成本低。因此，本申请技术方法具有非接触式、测量精度高、速度快、成本低等优势，能够应用于工业自动化生产过程中，实现传送带上工件三维轮廓信息的准确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法
本专利技术涉及三维测量领域，尤其是一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法。
技术介绍
根据工作原理和测量媒介的不同，获取物体的三维测量数据的方法主要可分成两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要包括坐标测量机(CMM)、多关节三维扫描仪、切片式测量等方法，该类方法的不足是：测量速度慢、测头易发生形变磨损、容易损伤待测零部件，应用范围受限。非接触式测量主要分为反射式测量和穿透式测量。穿透式测量的典型代表是工业CT扫描仪，其缺点是造价高昂且具有放射性危险。反射式测量主要可分为光学和非光学两种测量方式。非光学的测量方法，如超声波或雷达声呐等测量方式，其缺陷是测量精度不高且测量速度较慢。光学测量方法是目前实现物体三维数据测量的主流方法，通过向待测物体表面投射某种结构光并检测反射光，从而获得物体高精度三维轮廓信息。根据采用光源的不同，主要有点结构光、线结构光和面结构光。基于线激光扫描的三维轮廓测量技术采用线激光器作为测量结构光光源，利用三角法测量原理，当线激光投射至被测工件表面时，在工件表面形成激光条纹，由于被测物体表面高度不一致等原因，图像坐标系中的激光光条纹受到物体表面形状的调制，将发生形变，通过结合摄像机标定结果，最终可以确定被测工件表面的三维轮廓信息。因此，基于线激光扫描的三维轮廓测量技术具有非接触、测量精度高、速度快、易于在计算机控制下实现在线测量等一系列优点，可广泛应用于体积测量、零部件逆向工程、工业自动化检测、产品质量控制、生物医疗等各个领域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，包括以下步骤：a)相机标定阶段：采用标定模板，对相机进行畸变校正；b)图像预处理阶段：打开线激光器照射标定模板，并采集有激光光条的标定模板图像，对图像进行灰度化处理，然后再进行二值化处理，得到光条图像；c)激光光条中心坐标亚像素精度提取阶段：计算步骤b)得到的光条图像与二维高斯函数模板的卷积，然后计算Hessian矩阵得到光条法线方向的单位向量，并将光条横截面上任一点为基点，将光条图像的灰度分布函数做二阶泰勒级数展开，最终得到光条横截面上中心点的精确位置；d)激光光平面标定阶段：根据相机标定结果和激光光条坐标，得到激光线的真实世界坐标，并采用最小均方拟合方法，求得激光光平面方程；e)待测工件三维轮廓重建与测量阶段：使用相机和线激光器，对传送带上的待测工件重复步骤b)、c)，然后根据步骤d)中得到的激光光平面方程，得到待测工件的真实三维世界坐标，并将全部图像中光条纹中心的三维坐标按平移台的运动方向和间距拼接，获取被测物体表面整体的视差图像，将被测工件表面的三维数据点组成三维点云图像，然后进行Delaunay三角剖分轮廓重建，最终获得待测工件的三维重建模型。所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述相机标定阶段，包括如下步骤：步骤1：基于张正友平面标定法，采用9×6的标准黑白棋盘格，假设棋盘格位于Z＝0的平面上，每个棋盘格的尺寸为25mm，将棋盘格标定模板放置于传送带上，标定过程中使传送带保持静止，并变换棋盘格在不同的摆放位置，通过CCD相机获取一组不同摆放位置下的标定模板图像；步骤2：提取棋盘格角点，获取角点的图像坐标；步骤3：输入棋盘格角点的三维坐标以及获取的图像坐标，进行相机标定，计算出焦距，畸变系数并对输入图像进行畸变校正；步骤4：考虑径向畸变和切向畸变的影响，对输入图像进行畸变校正。所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述步骤4中，径向畸变的校正方法如下：ucorrected＝u(1+k1r2+k2r4+k3r6+...)，vcorrected＝v(1+k1r2+k2r4+k3r6+...).ucorrected和vcorrected是图像像素坐标(u，v)进行畸变校正后的坐标，kn是第n阶径向畸变系数，并有根据权利要求2所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述步骤4中，切向畸变的校正方法如下：ucorrected＝u+[2p1uv+p2(r2+2u2)+...]，vcorrected＝v+[p1(r2+2v2)+2P2uv+...).Pn是第n阶的切向畸变系数。根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述图像预处理阶段，包含如下步骤：步骤1：关闭线激光器，控制相机拍摄一张标定棋盘格标定模板图片并保存为I1，作为激光光条中心提取的参考图片；步骤2：打开线激光器，控制相机拍摄一张包括激光光条的棋盘格标定模板图片并保存为I2，用于激光光条中心位置的提取；步骤3：读入I1和I2，创建一幅与I1和I2尺寸相同的目标图像I3；并将I1和I2在RGB三个通道的灰度值相减，得到每个通道的灰度差值为r，g，b；根据公式mag＝(r*r+g*g+b*b)/(255*3)计算出mag值，步骤4：如果mag值大于220，则将I3中每个通道赋值为mag，否则，从通道0到通道2分别赋值为[0，mag，mag]；步骤5：将I3灰度化，得到灰度图像I4；步骤6：对I4进行3×3中值滤波，得到图像I5，以降低光条中心点像素领域内孤立的噪点影响，提高激光光条中心提取的精度；对图像I4，(i,j)表示像素点位置，I4(i,j)表示该像素点的灰度值，W(i,j)表示中心为(i,j)，大小为n的滤波模板；当n＝3时，中值滤波的模板为：输出图像中I5(i,j)的灰度值等于该模板中元素值的中值；步骤7:二值化处理设中值滤波后图像为I5，选取阈值Th来对图像I5进行二值化分割，则分割后的图像为：其中1为白色，0为黑色，I5(i,j)为灰度图像I5中点(i,j)的像素值；阈值Th通过采用OTSU方法确定。所述的基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述OTSU方法，包括如下步骤：a.设f(x，y)为图像I5在位置(x，y)处的灰度值，灰度级为L，则f(x，y)∈[0,L-1]；设灰度级i的所有像素个数为fi，则第i级灰度出现的概率为其中i＝0,1，…L-1,且b.根据灰度级L和阈值T，将图像中的像素划分为两类，分别为背景C0和目标C1；其中，背景C0灰度级为[0,T-1],目标C1灰度级为[T,L-1]；C0和C1对应的像素分别为{f(x,y)<T}和{f(x,y)≥T}；c.计算背景C0部分出现的概率：目标C1部分出现的概率：其中ω0+ω1＝1；背景C0部分的平均灰度值：目标C1部分的平均灰度值：图像的平均灰度值：d.计算图像中背景和目标的类间方差：σ2(k)＝ω0(μ-μ0)2+ω1(μ-μ1)2式中k的取值为0～L-1；e.当σ2(k)最大时的k值就是所求最优阈值。所述的基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，所述激光光条中心坐标亚像素精度提取阶段，包括如下步骤：步骤1：计算光条图像I与二维高斯函数模板g(x,y)的卷积，分别得到一阶和二阶偏导数Ix，Iy，Ixx，Iyy；步骤2：计算Hessian矩阵H(x,y)；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：a)相机标定阶段：采用标定模板，对相机进行畸变校正；b)图像预处理阶段：打开线激光器照射标定模板，并采集有激光光条的标定模板图像，对图像进行灰度化处理，然后再进行二值化处理，得到光条图像；c)激光光条中心坐标亚像素精度提取阶段：计算步骤b)得到的光条图像与二维高斯函数模板的卷积，然后计算Hessian矩阵得到光条法线方向的单位向量，并将光条横截面上任一点为基点，将光条图像的灰度分布函数做二阶泰勒级数展开，最终得到光条横截面上中心点的精确位置；d)激光光平面标定阶段：根据相机标定结果和激光光条坐标，得到激光线的真实世界坐标，并采用最小均方拟合方法，求得激光光平面方程；e)待测工件三维轮廓重建与测量阶段：使用相机和线激光器，对传送带上的待测工件重复步骤b)、c)，然后根据步骤d)中得到的激光光平面方程，得到待测工件的真实三维世界坐标，并将全部图像中光条纹中心的三维坐标按平移台的运动方向和间距拼接，获取被测物体表面整体的视差图像，将被测工件表面的三维数据点组成三维点云图像，然后进行Delaunay三角剖分轮廓重建，最终获得待测工件的三维重建模型。...

【技术特征摘要】
1.一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：a)相机标定阶段：采用标定模板，对相机进行畸变校正；b)图像预处理阶段：打开线激光器照射标定模板，并采集有激光光条的标定模板图像，对图像进行灰度化处理，然后再进行二值化处理，得到光条图像；c)激光光条中心坐标亚像素精度提取阶段：计算步骤b)得到的光条图像与二维高斯函数模板的卷积，然后计算Hessian矩阵得到光条法线方向的单位向量，并将光条横截面上任一点为基点，将光条图像的灰度分布函数做二阶泰勒级数展开，最终得到光条横截面上中心点的精确位置；d)激光光平面标定阶段：根据相机标定结果和激光光条坐标，得到激光线的真实世界坐标，并采用最小均方拟合方法，求得激光光平面方程；e)待测工件三维轮廓重建与测量阶段：使用相机和线激光器，对传送带上的待测工件重复步骤b)、c)，然后根据步骤d)中得到的激光光平面方程，得到待测工件的真实三维世界坐标，并将全部图像中光条纹中心的三维坐标按平移台的运动方向和间距拼接，获取被测物体表面整体的视差图像，将被测工件表面的三维数据点组成三维点云图像，然后进行Delaunay三角剖分轮廓重建，最终获得待测工件的三维重建模型。2.根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于，所述相机标定阶段，包括如下步骤：步骤1：基于张正友平面标定法，采用9×6的标准黑白棋盘格，假设棋盘格位于Z＝0的平面上，每个棋盘格的尺寸为25mm，将棋盘格标定模板放置于传送带上，标定过程中使传送带保持静止，并变换棋盘格在不同的摆放位置，通过CCD相机获取一组不同摆放位置下的标定模板图像；步骤2：提取棋盘格角点，获取角点的图像坐标；步骤3：输入棋盘格角点的三维坐标以及获取的图像坐标，进行相机标定，计算出焦距，畸变系数并对输入图像进行畸变校正；步骤4：考虑径向畸变和切向畸变的影响，对输入图像进行畸变校正。3.根据权利要求2所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于所述步骤4中，径向畸变的校正方法如下：ucorrected＝u(1+k1r2+k2r4+k3r6+...),vcorrected＝v(1+k1r2+k2r4+k3r6+...).ucorrected和vcorrected是图像像素坐标(u，v)进行畸变校正后的坐标，kn是第n阶径向畸变系数，并有4.根据权利要求2所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于所述步骤4中，切向畸变的校正方法如下：ucorrected＝u+[2p1uv+p2(r2+2u2)+...],vcorrected＝v+[p1(r2+2v2)+2P2uv+...].Pn是第n阶的切向畸变系数。5.根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于，所述图像预处理阶段，包含如下步骤：步骤1：关闭线激光器，控制相机拍摄一张标定棋盘格标定模板图片并保存为I1，作为激光光条中心提取的参考图片；步骤2：打开线激光器，控制相机拍摄一张包括激光光条的棋盘格标定模板图片并保存为I2，用于激光光条中心位置的提取；步骤3：读入I1和I2，创建一幅与I1和I2尺寸相同的目标图像I3；并将I1和I2在RGB三个通道的灰度值相减，得到每个通道的灰度差值为r，g，b；根据公式mag＝(r*r+g*g+b*b)/(255*3)计算出mag值，步骤4：如果mag值大于220，则将I3中每个通道赋值为mag，否则，从通道0到通道2分别赋值为[0，mag，mag]；步骤5：将I3灰度化，得到灰度图像I4；步骤6：对I4进行3×3中值滤波，得到图像I5，以降低光条中心点像素领域内孤立的噪点影响，提高激光光条中心提取的精度；对图像I4，(i,j)表示像素点位置，I4(i,j)表示该像素点的灰度值，W(i,j)表示中心为(i,j)，大小为n的滤波模板；当n＝3时，中值滤波的模板为：输出图像中I5(i,j)的灰度值等于该模板中元素值的中值；步骤7:二值化处理设中值滤波后图像为I5，选取阈值Th来对图像I5进行二值化分割，则分割后的图像为：其中1为白色，0为黑色，I5(i,j)为灰度图像I5中...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖玉飞，周翔，刘俊，涂宏斌，周继辉，田炜，
申请(专利权)人：长沙湘计海盾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43