基于线结构光视觉技术的工件尺寸三维测量系统研究

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1、基于线结构光视觉技术的工件尺寸三维测量系统研究　　　　[摘要]针对传统测量方法无法满足复杂工件尺寸在线检测精度的问题，研究了一种由线结构光条纹中心提取、测量系统标定、工件尺寸三维测量三部分组成的基于线结构光视觉技术的工件尺寸在线三维测量系统。其中，线结构光条纹中心提取部分采用极大值法优化光条纹区域，并结合Hessian矩阵方法提取线结构光条纹中心；测量系统标定部分采用基于平面标定板的相机参数标定方法和基于最小二乘法拟合的线结构光平面参数标定方法；工件尺寸三维测量部分通过联立相机投影方程和线结构光平面方程计算工件实际尺寸。利用实际工件进行实验研究，结果表明此测量系统能满足工件测量要求。下

2、载论文网　　[关键词]工件尺寸测量；线结构光；条纹中心提取；光平面标定；三维测量　　doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2017.21.089　　[中图分类号]TM930[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2017）21-0178-05　　0引言　　工件尺寸是衡量加工工件质量优劣的一项重要指标，工件加工过程中工件尺寸不仅是工件质量评估的依据，还为改善工件加工工艺提供重要的反馈信息，促进工业技术的进步。　　随着工业制造水平的发展，工件愈加趋于多样化、复杂化和曲面化，导致工件尺寸测量困难，因此急需更加精确的工件尺寸测量方法。由于传统的接触式测量需要接触工件

3、导致其表面磨损，影响工件尺寸质量，因此非接触式工件尺寸测量方法是目前研究的热点[1]。　　非接触式工件尺寸测量方法主要有采用超声波测量仪、立体视觉测量系统和三维激光扫描仪等来测量的方法。超声波测量仪首先向待测工件投射超声波，在待测工件内部来回反射形成震荡，然后计算超声波往返一次的传播时间和传播速度，得出待测工件的高度等尺寸信息，但超声波易受环境温度变化影响，导致工件尺寸测量精度不高[2]。立体视觉测量系统采用两台相机从不同角度同时获取待测工件图像，通过立体匹配算法得出视差图，结合三角测量原理获取被测工件的三维尺寸信息。但由于立体匹配算法无法兼顾精度和速度的难度，达不到工件尺寸测量的要求

4、[3]。三维激光扫描仪采用非接触高速激光脉冲获取工件表面的三维信息，在三维形貌检测、大型设备检测等领域广泛应用，但其成本昂贵，难以普及[4]。　　线结构光视觉测量技术是结合激光扫描技术和视觉处理技术的新兴工件尺寸测量技术，具有实时性、高精度和通用性的优点[5]。线结构光视觉测量工件尺寸方法首先对待测工件表面投射光束形成条纹，其次通过摄像机采集工件表面条纹图像并计算条纹中心坐标，然后基于三角测量原理进行空间尺度变换以获取工件三维尺寸[6]。一个完整的线结构光视觉测量系统包括图像采集，线结构光条纹中心提取，测量系统标定，三维点云获取四部分。其中，线结构光条纹中心提取部分和测量系统标定部分最

5、为关键。　　线结构光条纹中心提取是对条纹图像中一定像素宽度的条纹转化为单像素宽度条纹以获取准确的像平面坐标[7]。目前，线结构光条纹中心提取方法主要分为两大类，即基于形态特征的方法与基于灰度特征的方法[8]。基于形态特征的方法是利用条纹图像的几何特征、形态学特征对条纹中心进行提取，主要方法有边缘法[9]、阈值法[10]几何中心法[11]以及细化法[12]等。基于形态特征的方法实现简单，处理速度快，但在处理过程中易受噪声影响，且不具有亚像素精度。基于灰度特征的方法是依据条纹横截面灰度值呈高斯分布的特性提取条纹，主要有极值法[13]、灰度重心法[14]、曲线拟合法[15]、Hessian矩

6、阵法[16]等。其中，极值法是求条纹上灰度值最大的点即条纹中心。灰度重心法是依据在条纹内灰度呈高斯排列，沿条纹横截面取灰度重心即条纹中心。曲线拟合法采用高斯曲线来拟合条纹横截面灰度分布，但由于光照影响和工件反射率不同导致灰度分布非严格对称，影响测量精度。Hessian矩阵法首先利用Hessian矩阵得到图像中条纹的法线方向，其次沿法线方向求Hessian矩阵最大特征值对应的坐标，然后采用泰勒展开式求出亚像素位置，该方法精度高、鲁棒性好，能够完整的提取出条纹中心点，但由于进行多次大规模高斯卷积运算，处理速度低。　　线结构光视觉测量系统标定包括相机参数标定和线结构光平面参数标定。相机参数标

7、定是依据相机成像模型建立二维图像点和三维空间点之间的映射关系。当前，Faig提出了一种非线性模型标定的非线性优化算法，但没有考虑相机畸变的影响[17]。Tsai提出了一种基于径向一致性约束的非线性优化方法，采用两步法估算相机内、外部参数，从而获得较高标定精度，但对切向畸变的相机，标定精度较差[18]。Zhang提出一种棋盘格标定方法，采用线性模型估计相机参数，并对相机非畸变特性通过非线性优化技术进一步优选相机参数，获得了较高精度[19]。线结构