面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，利用相机标定方法从而得到相机的内外参数；对工件�？槠ヅ涞墓讨薪岷献允视︺兄捣指钐崛」ぜ挠行Ъ负翁卣鳎迪至硕砸桓雠喂ぜ行ヅ洌詈蠖云ヅ涔ぜ庠埠拖叨谓心夂喜⒔岷舷嗷哪谕獠问扑愠龉ぜ募负尾问�。不需接触工件本身，能自动实现对匹配工件的尺寸测量，大大提高了工件测量速度，保证了工业现场对大量工件进行实时的测量。
【专利说明】面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种面向机器视觉的无接触式工件定位与测 量方法。
【背景技术】
[0002] 当前在制造业，机械加工等行业中，需要测量金属工件的尺寸，以掌握元件制造过 程中的尺寸参数，用于对工件出厂时的质量控制。但是目前在行业中大多是采用人工测量 工件尺寸的方式，由于每个批次工件数量很大同时需要在较短时间内完成尺寸的测量工 作，就需要大量的人员，这将给全部工件的尺寸测量带来很大困难，尤其是测量人员由于自 身的主观因素，所测量的工件尺寸误差较大。因此，迫切需要一种方法提高工业生产的柔性 和自动化程度，实现对工件尺寸参数的自动测量。
[0003] 要实现无接触的工件尺寸，需要引入机器视觉技术进行测量，方法包括相机的标 定方法、工件�？槠ヅ浞椒ǎ夹卧埠拖叨蔚哪夂戏椒ǎ紫壤谜耪严嗷甓ǚ椒ù佣� 得到相机的内外参数；接着使用模板匹配的方法提取工件的有效几何特征作为匹配模板， 实现了对一个批次工件有效匹配，最后对匹配工件待测圆和线段进行拟合并结合相机的内 外参数计算出工件的几何参数。
[0004] 综上所示该发明的有益效果是不需接触工件本身，能自动实现对匹配工件的尺寸 测量，大大提高了工件测量速度，保证了工业现场对大量工件进行实时的测量。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对传统手工测量耗费时间长，对于工业现场环境复杂，其他方法不适 用于此应用场合的问题，提出了一种面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，实现 了对一个批次工件有效匹配，克服现在工件测量存在的问题。
[0006] 本发明的技术方案为：一种面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，具体 包括如下步骤： 1) 对标准棋盘图拍摄不同位置图片，用此图片来计算并获取相机坐标系相对于世界坐 标系的旋转矩阵和平移向量即相机内外参数，并用图片中像素点间距离映射到标准棋盘图 的实际尺寸上来矫正镜头畸变对测量造成的影响； 2) 选用一个标准的工件作为工件匹配模板图像，对其提取相关圆和线段的特征作为模 板； 3)对需要检测的工件进行拍摄，拍摄到的图片用sobel算子对图像进行预处理； 4)将步骤3)进行预处理后的图像每个点方向向量和步骤2)所得的标准工件匹配模板 图像的方向向量的进行相似度判断，判断是否是同一工件，若不是同一工件，则丢弃重新获 取图图像；若是同一工件，则对工件的中的圆孔和边缘宽度进行拟合； 5)对于工件图像上的圆孔可获取圆的圆心坐标和半径的像素值，对于工件图像上的线 段可获取工件宽度的像素值，最后使用步骤1)所得相机内外参数将得到的像素测量值转化 为公制单位，获取测量参数输出。
[0007] 所述步骤1)中相机内外参数计算步骤如下： 1) 在测量视野下对标准棋盘图拍摄多于三张不同位置的图片，对于一张图片每个点表 示为m= [u,Vp,对于一个实际的三维空间的点表示为μ=pc,YiZIt ,在摄像机被简化 为一个针孔模型后，一个三维点M和它投影到图像上点之间关系可表示为：
【权利要求】
1. 一种面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，其特征在于，具体包括如下步 骤： 1) 对标准棋盘图拍摄不同位置图片，用此图片来计算并获取相机坐标系相对于世界坐 标系的旋转矩阵和平移向量即相机内外参数，并用图片中像素点间距离映射到标准棋盘图 的实际尺寸上来矫正镜头畸变对测量造成的影响； 2) 选用一个标准的工件作为工件匹配模板图像，对其提取相关圆和线段的特征作为模 板； 3)对需要检测的工件进行拍摄，拍摄到的图片用sobel算子对图像进行预处理； 4)将步骤3)进行预处理后的图像每个点方向向量和步骤2)所得的标准工件匹配模板 图像的方向向量的进行相似度判断，判断是否是同一工件，若不是同一工件，则丢弃重新获 取图图像；若是同一工件，则对工件的中的圆孔和边缘宽度进行拟合； 5) 对于工件图像上的圆孔可获取圆的圆心坐标和半径的像素值，对于工件图像上的线 段可获取工件宽度的像素值，最后使用步骤1)所得相机内外参数将得到的像素测量值转化 为公制单位，获取测量参数输出。
2. 根据权利要求1所述面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，其特征在于， 所述步骤1)中相机内外参数计算步骤如下： 1)在测量视野下对标准棋盘图拍摄多于三张不同位置的图片，对于一张图片每个点表 示为m= [u,<|τ,对于一个实际的三维空间的点表示为M= [X,Y,ZjT ,在摄像机被简化 为一个针孔模型后，一个三维点M和它投影到图像上点之间关系可表示为：
其中，S是任意标准矢量，[R,t]是外部参数，即世界坐标系与摄像机坐标系的旋转及 平移关系，其中R表示旋转关系，t表示平移关系；图片的增广矩阵m=fu,ViIL三维空间 点的增广矩阵M=PC,Υ,Ζ, 1』，设测量参数在一个平面内则可认为Z=ο;A矩阵是相机内 参，
其中(UcmVc^是坐标系上的原点，Cf和β是图像上u和V坐标轴的标 准矢量，Y表示两坐标轴世界坐标系与摄像机坐标系的垂直度，将参数带入一个三维点M和 它投影到图像上点之间关系可得到：
其中，A是相机内参矩阵，M简化为[χ,γ,ι]τ即标定板平面上的齐次坐标， m= [u,v,l]为标定板平面上的点投影到图像平面上对应点的齐次坐标，IrjjT2lT3Ptit 分别是相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量； 2) 由步骤1)得到一个3*3矩阵H= 可将H矩阵改写为列向量形式，其 中μ是缩放因子即s的倒数：
利用映射矩阵可以得到内参A的约束条件：
利用约束条件可以线性求解内参数A; 3) 最后利用A和映射矩阵H计算每幅图像相对于平面模板的外参数旋转矩阵R和平 移向量t:
3.根据权利要求1或2所述面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，其特征在 于，所述步骤4)相似度判断步骤： 1)将工件局部特征作为模板并由此定义点集Pi = 和每个点关联的方向向 量4 = i= 1,...,η，方向向量可以通过Sobel边缘提取算子滤波得到,然后对 模板进行仿射变换，将模板中心位置移动到图像的原点；接着对其他图像使用模板进行形 状匹配,将搜索图转换为图像中每个点q=Cr,(〇计算出一个方向向量e" = (VmZIVm)T ，计算变换后模板所有点的方向向量与图像中相应点处的方向向量的点积的总和，并以此 作为匹配分数这也就是变换后模板在点q处的相似度量，计算这个相似度度量的公式如 下，当S大于0. 8时就认为是同一工件：
4、根据权利要求3所述面向机器视觉的无接触式工件定位与测量方法，其特征在于， 所述步骤4)中直线距离拟合：图像中肓线表示法用肓线的黑塞范式，表示为：
参数是齐次的,参数被定义到a2 +b2 = 1比例因子中，某点到直线的距离 能通过将该点的坐标直接带入等式得到， 将所有点到这条直线的距离的平方和进行最小化处理，同时加入约 数条件a2 +b2 = +1作为拉格朗日乘子，利用下面公式将误差最小化：
所述步骤4)中圆拟合： 将圆轮廓上的所有点到拟合圆的平方距离进行连加求和，使求得的总和最小化，
式中，是圆心，p是圆的半径。
【文档编号】G01B11/00GK104457577SQ201410794791
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】王珩, 李志一, 沈彦, 余芸 申请人:上海工业自动化仪表研究院
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