[發明專利]面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法

在審

• 申請號: 201410794791.X
• 申請日: 2014-12-19
• 公開（公告）號: CN104457577A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 王珩;李志一;沈彥;余蕓
• 申請（專利權）人: 上海工業自動化儀表研究院
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種測量方法，特別涉及一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法。

背景技術

當前在制造業，機械加工等行業中，需要測量金屬工件的尺寸，以掌握元件制造過程中的尺寸參數，用于對工件出廠時的質量控制。但是目前在行業中大多是采用人工測量工件尺寸的方式，由于每個批次工件數量很大同時需要在較短時間內完成尺寸的測量工作，就需要大量的人員，這將給全部工件的尺寸測量帶來很大困難，尤其是測量人員由于自身的主觀因素，所測量的工件尺寸誤差較大。因此，迫切需要一種方法提高工業生產的柔性和自動化程度，實現對工件尺寸參數的自動測量。

要實現無接觸的工件尺寸，需要引入機器視覺技術進行測量，方法包括相機的標定方法、工件模塊匹配方法，圖形圓和線段的擬合方法，首先利用張正友相機標定方法從而得到相機的內外參數；接著使用模板匹配的方法提取工件的有效幾何特征作為匹配模板，實現了對一個批次工件有效匹配，最后對匹配工件待測圓和線段進行擬合并結合相機的內外參數計算出工件的幾何參數。

綜上所示該發明的有益效果是不需接觸工件本身，能自動實現對匹配工件的尺寸測量，大大提高了工件測量速度，保證了工業現場對大量工件進行實時的測量。

發明內容

本發明是針對傳統手工測量耗費時間長，對于工業現場環境復雜，其他方法不適用于此應用場合的問題，提出了一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，實現了對一個批次工件有效匹配，克服現在工件測量存在的問題。

本發明的技術方案為：一種面向機器視覺的無接觸式工件定位與測量方法，具體包括如下步驟：

1）對標準棋盤圖拍攝不同位置圖片，用此圖片來計算并獲取相機坐標系相對于世界坐標系的旋轉矩陣和平移向量即相機內外參數，并用圖片中像素點間距離映射到標準棋盤圖的實際尺寸上來矯正鏡頭畸變對測量造成的影響；

2）選用一個標準的工件作為工件匹配模板圖像，對其提取相關圓和線段的特征作為模板；

3）對需要檢測的工件進行拍攝，拍攝到的圖片用sobel算子對圖像進行預處理；

4）將步驟3）進行預處理后的圖像每個點方向向量和步驟2）所得的標準工件匹配模板圖像的方向向量的進行相似度判斷，判斷是否是同一工件，若不是同一工件，則丟棄重新獲取圖圖像；若是同一工件，則對工件的中的圓孔和邊緣寬度進行擬合；

5）對于工件圖像上的圓孔可獲取圓的圓心坐標和半徑的像素值，對于工件圖像上的線段可獲取工件寬度的像素值，最后使用步驟1）所得相機內外參數將得到的像素測量值轉化為公制單位，獲取測量參數輸出。

所述步驟1）中相機內外參數計算步驟如下：

1）在測量視野下對標準棋盤圖拍攝多于三張不同位置的圖片，對于一張圖片每個點表示為????????????????????????????????????????????????，對于一個實際的三維空間的點表示為，在攝像機被簡化為一個針孔模型后，一個三維點M和它投影到圖像上點之間關系可表示為：

??????????????????

其中，s是任意標準矢量，［R,t］是外部參數，即世界坐標系與攝像機坐標系的旋轉及平移關系，其中R表示旋轉關系，t表示平移關系；圖片的增廣矩陣，三維空間點的增廣矩陣，設測量參數在一個平面內則可認為Z＝0；A矩陣是相機內參，A＝，其中是坐標系上的原點，和是圖像上u和v坐標軸的標準矢量，表示兩坐標軸世界坐標系與攝像機坐標系的垂直度，將參數帶入一個三維點M和它投影到圖像上點之間關系可得到：

??????

其中，A是相機內參矩陣，簡化為即標定板平面上的齊次坐標，為標定板平面上的點投影到圖像平面上對應點的齊次坐標，和t分別是相機坐標系相對于世界坐標系的旋轉矩陣和平移向量；

2）由步驟1）得到一個3*3矩陣，可將H矩陣改寫為列向量形式，其中是縮放因子即S的倒數：

=?；?????

利用映射矩陣可以得到內參A的約束條件：

???

利用約束條件可以線性求解內參數A；

3）最后利用A?和映射矩陣H?計算每幅圖像相對于平面模板的外參數旋轉矩陣R?和平移向量t：

????????????????????????????

???????????????????????????

????????????????????????????

?。

所述步驟4）相似度判斷步驟：