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专利名称：基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种计量技术领域的测量方法及其测量装置，具体是一种基于视 觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置。
背景技术：
机器视觉技术综合运用了电子学、光学、图像处理和计算机技术，具有非接触、速 度快、柔性好等突出优点，广泛应用于检测工件的位置、尺寸和形状等。现有视觉测量系统主要采用基于单幅图像的小尺寸工件测量方法和基于多幅图 像拼接的大尺寸工件测量方法。前者所采集的单幅图像反映了待测工件的全貌，对单幅图 像进行处理和分析得到工件的几何尺寸，缺点在于它只能检测50mm以内的小型工件，待测 工件越大，测量精度越低。后者每次仅采集工件局部区域的图像，然后根据各个局部区域中 工件的重复特征将所有局部区域图像拼接成一幅能完全反映待测工件全貌的图像，最后对 这幅图像进行处理和分析得到工件的几何尺寸。经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号=200810124374. 9，名称“大尺寸 零件的视觉测量装置”，采用基于多幅图像拼接的方法测量工件的几何尺寸，该技术自述基 于机器视觉的大尺寸零件测量装置，含底座和大、小标定块，所述的大标定块与小标定块的 长度之比为3 2 2 1，在底座上滑动连接有L型移动台，在L型移动台的立臂上滑动 连接有支撑杆，并且，L型移动台的滑动方向与支撑杆的滑动方向垂直，在支撑杆上转动连 接有旋转块，且旋转块的旋转运动平面位于由L型移动台滑动方向与支撑杆的滑动方向所 确定的平面平行，在所述的旋转块转动连接有相机支撑板且相机支撑板的旋转运动平面与 由L型移动台滑动方向与支撑杆的滑动方向所确定的平面垂直，在相机支撑板上设有摄相 机，在所述的底座上设有平移装置，在平移装置上设白色背景板，且白色背景板位于摄相机 的下方，在底座上设用于观测托盘移动距离的钢尺。虽然该技术的实施方法可以检测大型 工件的尺寸，但它存在很多缺点，例如数据多，响应慢，精度低等。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于视觉的大型系泊链五环 长测量方法及其测量装置。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，包括如下步骤①.将η个相机和η个光源置于指定的工作距离和工作角度。所述的η个相机和η个光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的 同一侧，形成前景照明。相机分辨率为HXV，镜头焦距可微调，相机间距可调，LED光源亮度可调。②.输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差等的基本参数。③.标定相邻相机基线长度Lu，游标卡尺固定于支座上而且平行于链条长度线，支座的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳，获得基线长度Li, i+1。所述的基线长度Li,i+1，是指钢丝绳位于链条长度线所在的垂直面内，在导轨上沿 着y方向平移支座使得相邻的相机i和相机i+Ι的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻 度值，两者之差就是基线长度Li,i+1，实际上由多次读数取平均值能有效地减小系统误差。④.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率氏。所述的链条长度线，为垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的交线。所述的链条长度线的空间分辨率Ri,对于相同规格的链条，当测量系统接收到拉 力机的触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄整个被夹持的链条，在每幅图中提取 单个链环或两个链径处的边缘，计算其像素距离Lpi，用游标卡尺测量它的长度Li,那么Ri = LiZlpi,同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差。由于所述的链条长度线在各个相机中的物距略有差异，因此各个相机的空间分辨 率Ri不同，链条规格变动时，链条长度线在各个相机中的物距会发生变化，必须重新标定
Ri ο⑤.测量相同规格链条的各组五环长。当所述的链条长度线与成像面平行时，如果测量五环长所需左右两条边缘分别在 相机i和相机j中，左边缘在相机i中的像素坐标为Ui,相机i沿着链条长度线的分辨率为 Ri,右边缘在相机j中的像素坐标为Uj，相机j沿着链条长度线的分辨率为Rj,相机i和相 机j的基线长度即两个相机镜头光心的间距为Lij，则五环长L5 = Li^Lj-Li,其中右边缘到
相机j主点的水平距离、· = 乂,左边缘到相机i主点的水平距离,
i 禾口 j = {1,2, ...，n}。测量步骤如下a.当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机 拍摄整个被夹持的链条；b.将η幅图像暂时缓存于相机中；c.通过网卡将η幅图像依次传输到工控机；d.最后分析图像、提取边缘并测量五环长。本发明还涉及基于视觉的大型系泊链五环长测量装置，由底座、型材支架、相机支 座、相机、光源支座和光源组成，沿着链条的长度方向分别设置η个相机和η个光源，底座上 设置转盘，转盘调整型材支架的工作角度，由螺栓螺母固定，型材支架支撑相机支座和光源 支座，相机支座上设有腰型槽，用于安装相机和调整工作距离；光源支座上设有弧形槽，用 于调整光源的工作角度。所述的光源和相机在系泊链链条的同一侧，形成前景照明，微调镜头焦距使得成 像清晰，调整镜头光圈、相机的工作角度和距离、光源的工作角度、距离和亮度使得链条和 背景的灰度对比显著而且各个相机中光照基本一致，这样有利于精确地提取链条的边缘。所述的相机分辨率为HXV，镜头焦距可微调，相机间距可调。所述的光源为LED光 源，亮度可调。本发明中相机和光源到达指定工作距离和工作角度后，当测量系统收到拉力机的 加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄整个被夹持的链条，η幅图像暂时缓存于相机中，然后依次通过网卡传输到工控机，最后分析图像、提取边缘并测量五环长。本发明采用标准链条而非传统棋格标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率， 这是由相机视场和链条外形共同决定的。首先，大幅面的棋格精度低而且成本高，而标准链 条是厂方必备的样品，精度高而且容易获�。黄浯危�系泊链是三维工件，由于厚度尺寸导致 在成像面上提取的链条边缘与实际边缘有差异，采用标准链条标定分辨率既反映了链条边 缘的真实特征，又补偿了边缘提取误差，而二维棋格却不能胜任。本发明测量三维复杂形状工件系泊链的五个相邻环长度，将η个相机和η个光源 置于指定的工作距离和工作角度，保证了所采集图像的质量以便于后续处理和分析，基于 相机基线长度的测量方法，利用了相机主点在成像过程中的特殊性，将五环长测量任务转 化为分别测量相机的基线长度和五环的左右边缘相对于所在相机主点的水平距离，因此本 发明能快速、准确地提取链条边缘并且计算五环长，相对测量误差在2%0以内。


图1为相机主点在游标卡尺上的读数示意图。图2为标定链条长度线的空间分辨率Ri示意图。图3为测量系统的机构示意图。其中1是底座，2是型材支架，3是相机支座，4是相机，5是光源支座和光源。图4为大型系泊链五环长测量原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。本实施例涉及的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，包括如下步骤1.将η个相机和η个光源置于指定的工作距离和工作角度，其中η个相机和η个 光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的同一侧，形成前景照明。相机分辨 率为HX V，镜头焦距可微调，LED光源亮度可调。2.输入链条的基本参数，包括链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差等。3.如图1所示，标定相邻相机基线长度Lu，游标卡尺固定于支座上而且平行于链 条长度线，支座的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳(该钢丝绳 位于链条长度线所在的垂直面内)，在导轨上沿着y方向平移支座使得相邻的相机i和相机 i+1的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻度值，两者之差就是基线长度Li, i+1，实际上由 多次读数取平均值能有效地减小系统误差。4.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率氏。对于相同规格的链条，当测量 系统接收到拉力机的触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄整个被夹持的链条，如 图2所示，在每幅图中提取单个链环或两个链径处的边缘，计算其像素距离Lpi，用游标卡尺 测量它的长度Li,那么Ri = LiApi,同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差。链条长 度线在各个相机中的物距略有差异，因此各个相机的空间分辨率Ri不同。链条规格变动时， 链条长度线在各个相机中的物距会发生变化，必须重新标定氏。
本实施例采用标准链条而非传统棋格标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨 率，这是由相机视场和链条外形共同决定的。首先，大幅面的棋格精度低而且成本高，而标 准链条是厂方必备的样品，精度高而且容易获�。黄浯危�系泊链是三维工件，由于厚度尺寸 导致在成像面上提取的链条边缘与实际边缘有差异，采用标准链条标定分辨率既反映了链 条边缘的真实特征，又补偿了边缘提取误差，而二维棋格却不能胜任。5.测量相同规格链条的其他各组五环长。当测量系统收到拉力机的加载或卸载触 发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄整个被夹持的链条，η幅图像暂时缓存于相机 中，然后依次通过网卡传输到工控机，最后分析图像、提取边缘并测量五环长。如图4所示，当链条长度线(垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的 交线)与成像面平行时，如果测量五环长所需左右两条边缘分别在相机i和相机j中，左边 缘在相机i中的像素坐标为Ui,相机i沿着链条长度线的分辨率为Ri,右边缘在相机j中的 像素坐标为Uj，相机j沿着链条长度线的分辨率为Rj,相机i和相机j的基线长度即两个 相机镜头光心的间距为Lij，则五环长L5 = Li^Lj-Li,其中右边缘到相机j主点的水平距离
Lj =Rj* (u j-^-),左边缘到相机i主点的水平距离=代, i和j = {1,2,…，η}。然而提取到计算五环长所需边缘是测量五环长的前提。由于系泊链是三维大型工 件，外形复杂，表面曲率变化大，在成像面内链条本体的灰度梯度不连续而存在着明显的阶 跃，这增加了边缘提取的难度。本实施例先采用梯度算子提取所有可能的链条边缘，然后在 这些边缘中根据真边缘所在列的灰度总和最小的特性删除伪边缘，接着排除重复边缘，确 定第一条可用左边缘和最后一条可用右边缘，删除链环的横档边缘，最后得到计算五环长 所需边缘。本实施例涉及的链条边缘提取方法，包括如下步骤(1)在各个相机所拍摄的链条图像中设置兴趣窗Α0Ι，包括中心坐标(U，V)、长度 L和宽度W等四个参数，要求η个AOI包含链条长度线的边缘而且ν相同，u、L和W可以不 同，这是保证边缘无遗漏而且精确的前提。如果链径不变，则AOI的位置和大小均不变。(2)提取η个AOI中沿着链条长度线的所有边缘，包括三步第一，计算AOI中每一列的平均灰度，所得到的行向量就是链条长度线的名义灰 度矩阵；第二，采用一维Prewitt掩模板[-1 0 1]对名义灰度矩阵作卷积即得到链条长度 线的梯度矩阵；第三，遍历梯度矩阵的元素，如果元素超过梯度阈值，则该元素对应的像素坐标处 有一条边缘，否则没有。(3)删除所有边缘中的伪边缘，得到链条的真边缘。由于链环是经过高温加热后 弯制而成的，局部表面有氧化皮，它会引入伪边缘，同时，表面曲率变化和光照剧烈变化也 会引入伪边缘，要排除它们。在一个很小的邻域内，一条真边缘和其他伪边缘构成一个边缘 簇，在同一个边缘簇中所在列的灰度总和最小的边缘是真边缘，其他边缘都是伪边缘，删除 伪边缘即可。(4)排除相邻相机中重复的边缘。为了防止漏测，相邻相机所观察到的链条都 有重复部分，同时为了简化算法，重复部分最多只有一条真边缘。假设相机i中最后一条边缘的横坐标为EdgeLiSt[i][end]- > fltXpos，相机i+1中第一条边缘的横坐标为 EdgeList [i+1]
- > fltXpos，重复区域长度为 f ItInterLenPix,如果((H-EdgeList [i] [end]- > fltXpos) < fltlnterLenPix)&&((EdgeList [i + 1]
_ > fltXpos) < fltlnterLenPix)，则两条边缘重复，保留相机i+Ι中第一条边缘，删除相机i中最后一条 边缘；否则，两条边缘不是链条的同一条边缘。(5)确定相机1中第一条可用的左边缘。第一，除了最后一条边缘，在相机1的其他边缘中寻找第一条可用的左边缘，假 设像素阈值 T11 = 1.5(1/%，像素阈值 Thl = 2. 5(1/%，如果 T11 彡 EdgeList[1] [i+1]- > fItXpos-EdgeList[1] [i]_ > fltXpos ( Thl,由于第一条可用的左边缘与下一条边缘的差 值接近2d/R，则第i条边缘为第一条可用的左边缘，跳转到(6)，否则，i++，继续搜索，直到 相机1中只剩下最后一条边缘；第二，判断最后一条边缘是否为第一条可用的左边缘，假设相机1和相机2的 重复区域长度为 fltlnterLen,如果 T11 ( EdgeList[2]
- > fltXpos+H-EdgeList[1] [end] - > fltXpos-f ItInterLenPix彡Thl,则边缘end为第一条可用的左边缘，跳转到(6)， 否则，提示出错。(6)确定相机η中最后一条可用的右边缘。第一，除了第一条边缘，在相机η的其他边缘中寻找最后一条可用的右边缘， 假设像素阈值 Tln = 1. 5d/Rn，像素阈值 Thn = 2. 5d/Rn，如果 Tln 彡 EdgeList [n] [i]- > fItXpos-EdgeList[η] [i_l]_ > fltXpos ( Thn，由于最后一条可用的右边缘与前一条边缘 的差值接近2d/R，则第i条边缘为最后一条可用的右边缘，跳转到(7)，否则，i-，继续搜索， 直到相机η中只剩下第一条边缘；第二，判断第一条边缘是否为最后一条可用的右边缘，假设相机η-1和相机η的 重复区域长度为 fltlnterLen,如果 Tln ( EdgeList [η]
- > fltXpos+H-EdgeList [η-1] [end] - > fltXpos-fItInterLenPix ( Thn，则边缘1为最后一条可用的右边缘，跳转到(7)， 否则，提示出错。(7)排除横档边缘。经过上述六步操作后得到新的边缘链表，从第一条边缘开始， 每四条边缘为一组，其中后两条是横档边缘，删除即可。如图3所示，本实施例还涉及如上所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量装 置，由底座1、型材支架2、相机支座3、相机4、光源支座和光源5组成。底座1上安装了转 盘，可以调整型材支架2的工作角度直到合适为止，由螺栓螺母固定，由滑块和定位销记录 该工作位置以便于型材支架2的复位；型材支架2支撑相机支座3和光源5，保证相机4和 光源5的工作距离符合设计要求；相机支座3上加工了腰型槽，用于固定相机和调整工作距 离；光源支座5上加工了弧形槽，用于调整光源的工作角度。沿着链条的长度方向分别安装η个黑白相机和η个条形LED光源，相机分辨率为 HX V，镜头焦距可微调，LED光源亮度可调。光源5和相机4在链条的同一侧，形成前景照 明，微调镜头焦距使得成像清晰，调整镜头光圈、相机的工作角度和距离、光源的工作角度、 距离和亮度使得链条和背景的灰度对比显著而且各个相机中光照基本一致，这样有利于精 确地提取链条的边缘。
权利要求
1.一种基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征在于，包括如下步骤①.测量系统的机构将η个相机和η个光源置于指定的工作距离和工作角度；②.输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差基本参数；③.标定相邻相机基线长度Lu，游标卡尺固定于支座上而且平行于链条长度线，支座 的水平面置于支撑链条的导轨之上，支座的垂直面紧贴钢丝绳，获得基线长度Li,i+1 ；④.标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率Ri；⑤.测量相同规格链条的各组五环长。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤① 中所述的η个相机和η个光源沿着链条的长度方向安装，并且相机和光源在链条的同一侧， 形成前景照明。
3.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤③ 和④中所述的链条长度线，为垂直链环的垂直对称面和水平链环的水平对称面的交线。
4.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤③ 中所述的基线长度Li,i+1，是指钢丝绳位于链条长度线所在的垂直面内，在导轨上沿着y方 向平移支座使得相邻的相机i和相机i+Ι的主点均位于游标卡尺上，读取这两个刻度值，两 者之差就是基线长度Li,i+1，实际上由多次读数取平均值能有效地减小系统误差。
5.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤④ 中所述的链条长度线的空间分辨率Ri,对于相同规格的链条，当测量系统接收到拉力机的 触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄整个被夹持的链条，在每幅图中提取单个链 环或两个链径处的边缘，计算其像素距离Lpi，用游标卡尺测量它的长度Li,那么Ri = LiZlpi, 同样多次测量取平均值能有效地减小系统误差。
6.根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法，其特征是，步骤⑤ 中所述的测量步骤如下a.当测量系统收到拉力机的加载或卸载触发信号时，即刻LED光源闪光，η个相机拍摄 整个被夹持的链条；b.将η幅图像暂时缓存于相机中；c.通过网卡将η幅图像依次传输到工控机；d.最后分析图像、提取边缘并测量五环长。
7.一种根据权利要求1所述的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法的测量装置，其 特征在于，由底座、型材支架、相机支座、相机和光源组成，沿着系泊链链条的长度方向分别 设置η个相机和η个光源，底座上设置转盘，转盘调整型材支架的工作角度，由螺栓螺母固 定，型材支架支撑相机支座和光源，相机支座上设有腰型槽，固定相机和调整工作距离，光 源上设有弧形槽，调整光源的工作角度。
8.根据权利要求7所述的基于视觉的大型系泊链五环长的测量装置，其特征是，所述 的光源和相机在系泊链链条的同一侧。
9.根据权利要求7所述的基于视觉的大型系泊链五环长的测量装置，其特征是，所述 的相机的镜头焦距可微调，相机间距可调。
10.根据权利要求7所述的基于视觉的大型系泊链五环长的测量装置，其特征是，所述 的光源为LED光源，亮度可调。
全文摘要
一种计量技术领域的基于视觉的大型系泊链五环长测量方法及其测量装置。方法为将n个相机和n个光源置于指定的工作距离和工作角度；输入链条链径、游标卡尺测量的五环长和允许误差基本参数；标定相邻相机基线长度Lij，获得基线长度Li，i+1；标定每个相机沿着链条长度线的空间分辨率Ri；测量相同规格链条的各组五环长。装置为沿着系泊链链条的长度方向分别设置n个相机和n个光源，底座上设置转盘，转盘调整型材支架的工作角度，由螺栓螺母固定，型材支架支撑相机支座和光源支座，相机支座上设有腰型槽，固定相机和调整工作距离，光源支座上设有弧形槽，调整光源的工作角度。因此本发明能快速、准确地提取链条边缘并且计算五环长，相对测量误差在2‰以内。
文档编号G01B11/02GK102003941SQ20101050411
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者姜银江, 梁庆华, 王石刚, 胡文, 莫锦秋 申请人:上海交通大学