[发明专利]一种基于三线结构光的凹球直径测量系统及测量方法

摘要

一种基于三线结构光的凹球直径测量系统，包括工作台，所述工作台上放置有凹球，并且安装有将三条激光线均匀打在凹球面上的三线结构光发生器和用于采集凹球全貌的相机组件，所述三线结构光发生器与控制其光源的主控计算机连接，所述相机组件与接收其传送的图像的主控计算机通讯连接，所述主控计算机上连接有提取图像中三个激光线条并重建拟合得到凹球直径的数字图像处理模块。本发明采用非接触测量方式进行凹球直径测量，避免了对凹球表面的划伤；本系统结构简单、安装容易；对于同一型号凹球可连续测量，测量效率高，对于不同大小的凹球只需调整三线结构光发生器和相机组件的距离与角度，具有很好的柔性。

主权项

1.一种基于三线结构光的凹球直径测量方法，其特征在于：包括工作台，所述工作台上放置有凹球，并且安装有将三条激光线均匀打在凹球面上的三线结构光发生器和用于采集凹球全貌的相机组件，所述三线结构光发生器与控制其光源的主控计算机连接，所述相机组件与接收其传送的图像的主控计算机通讯连接，所述主控计算机上连接有提取图像中三个激光线条并重建拟合得到凹球直径的数字图像处理模块；所述相机组件包括相机，所述相机内设有图像采集卡，其前端连接有镜头，所述图像采集卡与主控计算机通讯连接；所述三线结构光发生器通过数字接口与主控计算机；所述工作台上固定有两立柱，每根立柱上均安装有调节固定座，调节固定座上穿设有滑动光轴，一根滑动光轴上安装有装夹三线结构光发生器的结构光夹具，另一根滑动光轴上安装有微调升降台，微调升降台上安装有相机固定架，相机组件通过夹相机顶块装夹在相机固定架上，所述测量方法包括以下步骤：1)相机内参数的标定；相机模型中世界坐标系到图像坐标系的变换关系如下：式中：x_u，y_u为图像坐标系上点的x，y坐标，单位为像素，z_c为摄像机三维坐标系上的点的z坐标，单位为mm，f为相机的焦距，θ为坐标轴x_i与y_i之间的实际夹角，k，l为感光芯片像素的实际大小，x_i0，y_i0为图像的平面中心，x_w，y_w，z_w为世界坐标系下的点的坐标，矩阵A包括f，k，θ，l，x_io，y_io这6个参数，是相机内参数矩阵；刚性变换R，T为相机外部参数；将相机组件的相机和镜头连接，调整焦距并固定焦距，对相机内参数进行标定，得到矩阵A中的各参数；2)调节将三线结构光发生器和相机组件，将待测凹球放在工作台上，调节三线结构光发生器使三条激光线均匀打在凹球面上，然后安装相机组件并调节相机组件的方位保证相机通过镜头采集到凹球的全貌；3)计算相机外部参数，保持三线结构光发生器和相机组件不动，拿下待测凹球，获取工作台相对相机的外部参数Tc_ext[3]，Rc_ext[3x3]，即是式(1)中R，T；4)进行结构光平面的标定，三线结构光平面π₁，π₂，π₃在世界坐标系下的方程分别为：a₁x_w+b₁x_w+c₁x_w+d₁＝0            (2)a₂x_w+b₂x_w+c₂x_w+d₂＝0             (3)a₃x_w+b₃x_w+c₃x_w+d₃＝0              (4)式(2)‑(4)中：a_n，b_n，c_n，d_n(n＝1，2，3)分别是平面π₁，π₂，π₃的平面方程系数，经过标定后得到拟合光平面的目标方程为：5)获取图像，将待测的凹球重新放在工作台原来的位置上，进行图像采集；6)分割并识别三个激光线条，从采集的图像中提取凹球内激光线条和细化凹球，将提取的激光线条与结构光平面匹配获取n组在三条激光线上的图像平面坐标系上的点(x_u，y_u)；7)激光线条上点的三维重建，基于式(1)‑(4)，进行凹球面内激光线条上点的三维重建，获取n个世界坐标系下的三维坐标(x_w，y_w，z_w)；8)进行凹球的拟合，利用最小二乘法对球进行拟合，待测球的一般方程为：(x‑a)²+(y‑b)²+(z‑c)²＝r²          (6)对上述方程进行变形，得到如下的形式：x·2a+y·2b+z·2c+r²‑a²‑b²‑c²＝x²+y²+z²      (7)令m＝2a，f＝2b，j＝2c，k＝r²‑a²‑b²‑c²，则式(6)可用表示为如下的形式：x·m+y·f+z·j+k＝x²+y²+z²         (8)则球的拟合问题可转换为已知n组坐标点(x，y，z)，求式(7)的超定线性方程组的最小二乘解(m^*，f^*，j^*.k^*)，其求解过程用矩阵形式表示如式(8)所示：其中n＞4，可以求得：m^*，f^*，j^*，k^*；9)获取凹球的半径，最终球心坐标与半径的表达式如下：则最终凹球的直径为：