型钢在线检测装置与标定方法-研究

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1、第一章绪论置。该方法是一种独具特色的非接触式测量方法，从光源制作到图像算法都比较简单，方法比较成熟，能够满足在线检测中快速、实时的要求。但是，点结构光测量法必须逐点扫描才能获得这个物体表面的三维形状，每点摄取一幅图像使得图像摄取时间和图像处理量随被测物体的增大或测量分辨率的提高而急剧增加，故测量效率低，而且需要配备结构复杂的三维扫描装置，不适合于大规模快速测量。1．2．2线结构光法该方法也是基于激光三角法测量原理，与光点法不同的是采用线光源代替点光源，和点结构光法相比，这样可以减少对被测物体表面的扫描时间。该方法只有一条光条，不存在匹配问题，图像处理算法比较简单，一次能够得到

2、光条上所有点的三维信息，相比点结构光法，单次测量信息量大大增加，且其实现的复杂性没有增加，因此，在实际应用中，比点结构光使用更广泛。1．线结构光测量系法【14】线结构光法测量系统如图1．1所示，01为投影系统中心，0。为摄像机镜头中心，0点为光轴中心与CCD成像面的交点。0。到平面XwOwYw的距离OwO。为d，00。的距离为摄像机焦距f。Xc图1-1线结构光法原理图下面介绍系统中用到的几个坐标系：(1)世界坐标系(xw，Yw，Zw)：也被称为真实或现实世界坐标系。它是客观世界的绝对坐标，由用户任意定义的三维空间坐标系。第一章绪论(2)摄像机坐标系(x。，Y。，Z。)：以小孔

3、摄像机模型的聚焦中心点为原点，z。轴为光轴建立的三维直角坐标系。(3)图像物理坐标系(x，y)：x、y轴平行于摄像机坐标系的kYc轴，有效焦距f是图像平面和透视中心的距离。图像物理坐标系的中心在0点(光轴zc与图像平面的交点)。(4)图像像素坐标系(u，v)：图像像素坐标系是定义在CCD像平面上的二维坐标系，以CCD面的左上方为坐标原点，U轴(水平轴)向右为正，v轴(垂直轴)向下为正。该坐标系的单位为像素，其它的坐标系的单位均为mm。2．理想线性模型转换空间三维坐标到图像像素坐标的线性变换关系可由以下步骤实现：1)世界坐标系到摄像机坐标系变化：=瞄Xwy。Zw1=M，·其中R

4、为3x3单位正交矩阵，记为R=k丁=一kf．=一RIY。Xwy。Zw1‘l1213吃l如2r23圪1吩2r33，T为三维平移向量，。旋转矩阵R是光轴相对于世界坐标系的方向余弦组合，实际只含有三个独立的角度变量：绕xW轴旋转0L角，绕Y。轴旋转p角，绕z。轴旋转丫角，加上T的三个变量共六个参数，称为摄像机外部参数。世界坐标系符合右手规则，按照绕X”YW、Zw轴的旋转顺序，旋转矩阵关于0【、p、Y的关系式为：R=cosflcosysincrsinflcosy—cos口sinycoso：sinflcos7+sino：sin7cosflsinysinasinflsin7+cosaco

5、s7cosasinflsiny——sinoccos7——sinflsincrcosflCOSOE'COS,fl2)摄像机坐标系到图像物理坐标系变换x=f．xc／zc(1．2)Y=f·Yc／Z。、～7用归一化坐标(z’，Y’)表示为：第一章绪论z’=x。／z。Y’Y。／z。3)归一化坐标与图像像素坐标的变换阡{l0U、0{。～、01(1—3)(1—4)其中L、‘分别为u、V轴的有效焦距，六=f／dx，￡=f／dy，dr、ay分别为每个像素在X、y轴方向的物理尺寸，(UO，vo)为oxyz坐标系中。点在图像像素坐标系中的坐标值。由式(1—1)、(1-3)和(1．4)，可得空间点与

6、图像像素坐标点的对应关系，如下式：阿zc‘lVf2【．1jfx0uo0}v、)o0O1·[堋XwZw1=Ml’M2’X。=M·X。(1-5)上式中M为3×4矩阵，Ml为系统的内参数，M2为系统的外参数，对于固定测量系统，摄像机的内参数为常数。1．2．3面结构光法面结构光法是将二维结构光图案投射到被测物体表面上，无需进行扫描即可完成三维轮廓的测量，测量速度大大加快。与线结构光相比，面结构光法无需扫描，效率提高，测量范围增加，但其计算方法复杂，增加了标定的复杂性，还存在结构光图案匹配问题，所以实际应用也不如线结构光法广泛。以上几种结构光在实际应用中的优缺点，如表1。1所示：表1．

7、1几种结构光法的比较从上表可以看出，每种结构光都有相应的优缺点，因此根据特定的需要选择光源。由于本文要实现的系统是针对比较近的距离和景深较大的场景进行实际三第一章绪论维尺寸的测量，并且要具有良好的横向拓展性和纵向延伸性，故要求整个系统具有简单而稳定的测量装置和算法，以及较高的测量效率等特点。所以根据以上三种结构光的不同特点，其中的线结构光方法是一种适合本课题的测量方法。1．3国内外研究现状及发展趋势陈林等人研究的热轧钢件几何尺寸在线测量系统【16】的特点是可测量的高度和宽度范围很大，而测量精度比较低。东