大直徑零件機器視覺轉角測量標定方法

丁鶴華， 杜 坡， 段振云

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870）

引言

隨著我國制造業(yè)水平的不斷發(fā)展，大型成套設備廣泛應用于機械、交通、電力、礦山、建材等多個重要方面。角度測量作為機械產(chǎn)品幾何量測量的一個重要分支，廣泛應用于軍事裝備、自動控制、機械制造、醫(yī)療器械等領域，其加工檢測精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。

目前國內(nèi)外角度測量裝置運用的測量方法主要有機械測量法、電磁測量法和光學測量法等[1]，其中機械及電磁測量法均為接觸式測量方法，不可避免地對零件表面造成劃痕；光學測量法測量精度高，但在角度測量方面測量范圍小，系統(tǒng)調(diào)試煩瑣，應用領域較窄。隨著計算機技術和工業(yè)相機的發(fā)展，機器視覺測量作為一種新興的非接觸式測量手段，具有體積小、可靠性高、可實時測量等優(yōu)點，逐漸成為一種重要的測量手段，廣泛應用于空間運動分析、距離測量等領域[2]。

采用機器視覺的角度測量方法主要是通過在待測物上安裝輔助的特征標志，使用相機采集輔助目標圖像，通過圖像處理獲取被測物的旋轉角度，常用的特征標志有平行光柵、直線、特殊曲線等[3]。因此，在機器視覺測量中特征標志、標定方式的選取對測量精度有很大影響。

本文針對機器視覺對大直徑零件回轉角度在機測量采用大尺寸標定板，其成本較高、加工難且測量所需圖像信息為雙目視覺下小視場圖像，提出一種針對該測量系統(tǒng)中轉角測量基準板的標定方法，采用兩塊小尺寸標定板間距安裝的方式，通過坐標轉換算法實現(xiàn)兩塊小尺寸標定板坐標系的統(tǒng)一，以代替大尺寸標定板。

1 機器視覺轉角測量原理

大直徑零件機器視覺轉角測量系統(tǒng)主要由CMOS 工業(yè)相機、雙遠心鏡頭、轉角測量基準板、二維點陣標定板以及照明系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

圖1 測量裝置結構圖

轉角測量基準板固定在待測回轉零件上隨其回轉，以二維點陣標定板為特征標志物，通過對雙目相機回轉前后兩次拍照，由兩相機視野中心點在世界坐標系下坐標連線，計算回轉前后該連線l1、l2斜率變化，以測量其回轉角度，其原理如圖2 所示。

圖2 測量原理圖

2 轉角測量基準板結構

本次轉角測量中的特征標志物為轉角測量基準板，其結構如圖3 所示。轉角測量基準板靠近內(nèi)側處設計四處定位孔，用于確定標定板相對安裝位置，二維點陣標定板分別安裝于兩側，并在下方安裝平行背光源。

圖3 轉角測量基準板

3 轉角測量基準板標定

對轉角測量基準板標定主要包括像素當量標定以及二維坐標系的轉換，其中二維坐標系轉換包括像素坐標系到標定板坐標系的轉換以及單側標定板坐標系到轉角測量基準板物理坐標系的轉換。

3.1 像素當量標定

像素當量，是機器視覺測量系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其標定精度直接影響測量精度[4]，因此在采集實際測量所需圖像信息前需對像素當量進行標定。相機標定一般可分為傳統(tǒng)標定方法、主動視覺中的標定方法和自標定方法三類。主動視覺中的標定方法需要精確控制攝像機的移動軌跡，通常實現(xiàn)難度較大，一般運用于一些特定場合；自標定方法雖然實現(xiàn)起來較為靈活方便，但標定結果穩(wěn)定性不高；傳統(tǒng)標定方法是用具有確定結構信息的標定物，通過圖像處理技術對相機內(nèi)外部參數(shù)標定的，具有通用性好、精度高等優(yōu)點[5]。因此本文標定方法采用傳統(tǒng)標定方法，來計算相機模型中的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，即像素當量的標定。

3.2 二維坐標系轉換

為實現(xiàn)兩塊標定板坐標系的統(tǒng)一，兩側需進行兩次坐標變換，即像素坐標系到標定板物理坐標系的坐標轉換及兩塊小尺寸標定板坐標系到轉角測量基準板坐標系的坐標轉換，即可實現(xiàn)雙目機器視覺下由圖像像素坐標系到轉角測量基準板坐標系的轉換。由于兩側坐標轉換方法相同，本小節(jié)只介紹單側坐標轉換方法。

對單側標定板拍照，通過對以距視野中心最近點為中心的5 行5 列25 個標定點作為標定區(qū)域，以標定點圓心距標定像素當量。首先，對采集到的圖像進行高斯濾波處理，達到降噪效果，通過邏輯回歸算法對標定點亞像素邊緣進行定位，以最小二乘法擬合標定點圓心像素坐標，由于越遠離視野中心鏡頭畸變越大，所以選取距視野中心最近的5 行5 列標定點的橫縱兩方向計算像素當量，根據(jù)其分布規(guī)律，調(diào)節(jié)相機角度，直至達到相對理想效果。

為實現(xiàn)本文兩次坐標轉換參數(shù)的計算，采用四參數(shù)坐標轉換方法，其轉換模型如式（1）[6]。

式中：（X，Y）表示轉換后的坐標；（x，y）表示轉換前的坐標；（DX，DY）表示平移參數(shù)；m 為尺度因子；θ 為旋轉因子。

四參數(shù)坐標轉換所需參數(shù)需至少轉換前后坐標系下兩個以上同名點坐標，坐標精度直接影響轉換精度，兩次坐標轉換原理，如圖4 所示。第一次坐標變換由像素坐標系到標定板物理坐標系，考慮到鏡頭畸變對標定點邊緣提取精度的影響，采用距視野中心最近點及次近點為中心的25 個標定點像素坐標的平均值作為該兩點圓心像素坐標（X1，Y1）、（X2，Y2），以該兩點像素坐標與其在標定板上對應點物理坐標（x1，y1）、（x2，y2），計算第一次坐標轉換參數(shù)。第二次坐標轉換由標定板坐標系到轉角測量基準板坐標系，將轉角測量基準板坐標系定義為世界坐標系，由第一次坐標轉換參數(shù)可根據(jù)定位孔處圖像計算定位孔圓心對角連線交點坐標在標定點坐標系下物理坐標（xk1，yk1）、（xk2，yk2），定位孔處圖像如圖5 所示，以該物理坐標與三坐標測量機測得的兩處定位孔圓心對角連線交點的物理坐標（xw1，yw1）、（xw2，yw2）計算第二次坐標轉換參數(shù)。

圖4 坐標轉換原理圖

圖5 定位孔圖像

4 標定實驗

本次標定實驗中，通過三坐標測量機測得的基準板定位孔物理坐標實現(xiàn)坐標系統(tǒng)一，由于兩側標定板采用相同標定及坐標轉換方法，本次實驗平臺僅對單側相機標定即可。標定平臺由CMOS 相機、遠心鏡頭、二維點陣標定板、轉角測量基準板、平行背光源以及光強控制器組成，如圖6 所示。

圖6 機器視覺實驗平臺

本文實驗采用分辨率為2248×2048 的CMOS 黑白相機、畸變率<0.1%雙遠心長焦鏡頭、LED 白色光平行光源和數(shù)字光強控制器等搭建的視覺測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對單側標定板的二維點陣標定點圖像的采集。

像素當量根據(jù)距視野中心最近25 個點的標定區(qū)域內(nèi)，以標定點橫縱兩方向圓心距的物理尺寸與像素尺寸平均值的比值求得，見表1。

表1 像素當量標定結果

運用亞像素邊緣檢測算法，得到的基準板上定位孔的直徑與三坐標測得的理論值作對比，確定光照強度。

計算兩次坐標轉換參數(shù)所需同名點坐標，見表2。

表2 同名點坐標值

由表2 中同名點坐標值計算，兩次坐標轉換的參數(shù)，見表3。

表3 兩次坐標轉換參數(shù)

通過該參數(shù)，可實現(xiàn)由像素坐標系到單側標定板坐標系，再由單側標定板坐標系到轉角測量基準板坐標系的坐標轉換。以此方法，可計算另一側標定板兩次坐標轉換參數(shù)，可實現(xiàn)兩標定板在轉角測量基準板坐標系的統(tǒng)一。

5 結語

本文大直徑零件轉角測量中用到的轉角測量基準板標定方法，可實現(xiàn)兩塊小尺寸標定板坐標系的統(tǒng)一，且基準板可根據(jù)實際需求對尺寸進行設計，坐標轉換的精度及兩個同名點的精度，提高定位孔處加工以及該處邊緣提取精度，進而提高坐標轉換精度，對于整個標定參照物的精度都將有所改善。