便携式光笔测量系统中椭圆形标志点中心定位的研究.pdf

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1、880化工自动化及仪表第39卷便携式光笔测量系统中椭圆形标志点中心定位的研究王祥华张广明王伟刘礼建(南京工业大学自动化与电气工程学院，南京210009)摘要针对便携式光笔测量系统中椭圆形标志点中心定位的问题进行了研究。依据被测标志点的成像特征，采用坐标数据归一化，并结合加权最小二乘优化目标函数的方法．对椭圆形标志点中心的坐标进行求解。关键词便携式光笔轮廓跟踪椭圆拟合回光反射标志点中图分类号TH741．1+l文献标识码A文章编号1000-3932(2012)07-0880-04随着现代科学技术和工业生产的快速发展，用户对质量检测有了更高的要求。尤其

2、在汽车工业、工程机械及发电设备等大型、重型制造行业中，往往需要在现场解决测量问题⋯。便携式光笔测量系统正好符合当前工业检测的需求，它的测量精度高，且具有良好的便携性，其技术特点很好地契合了测量需求，在现代大型、重型制造业中有着广泛的应用-z’“。在实际测量中，如何准确地定位光笔上标志点在CCD像面上的椭圆形中心点的像面坐标，成为该便携式光笔测量系统得以实现的关键技术之一。笔者提出了一种新的方法，采用了坐标数据归一化，并结合加权最小二乘优化目标函数，对椭圆形标志点中心的坐标进行求解，求得精确的椭圆中心坐标。1便携式光笔测量系统便携式光笔测量系统主要

3、由一只手持式光笔、两台参数相同的CCD摄像机和一台运行配套测量软件的计算机构成，测量系统示意图如图1所示。其中，光笔笔体上粘贴有5个回光反射标志点。测量时，球形测头接触被测物体表面，CCD摄像机拍摄光笔上回光反射标志点的图像，再经过图像采集卡采集后送入计算机的内存，之后再由研发的专业软件对采集到的图像进行处理，得到每个标志点的像面坐标，最后通过特定模型解算出被测面上球形测头接触点的三维坐标。2椭圆形标志点中心的定位椭圆形标志点中心的定位是光笔式测量中的重要环节。标志点中心坐标的精确度，决定了标志点在空间中的坐标精度，同时也间接决定了整个光笔测量系

4、统的准确度，所以光笔测量系统的精度和稳定性也依赖于标志点中心坐标求取的精确性和稳定性。目前常用的椭圆定位方法主要有三类：一是基于不变矩的方法。4。，此方法抗噪声能力较好，但要求图像灰度分布比较均匀，精度不高；二是基于Hough变换及它的改进方法等”1，但此类方法计算量相对较大，且占用计算机内存较大，精度不高；三是最优化目标函数的方法，这种方法准确性较高。根据三种方法的特点，笔者采用了最优化目标函数的方法对图像标志点中心定位。该方法主要由两个步骤组成：对二值图像进行轮廓跟踪分析M1，得到椭圆轮廓边缘；对轮廓边缘进行椭圆图1便携式光笔测量系统示意图收

5、稿日期：2012-05-03(惨改稿)第7期王祥华等．便携式光笔测量系统中椭圆形标志点中心定位的研究881曲线最4、---乘拟合㈠”，从而得到标志点中心坐标。2．1轮廓跟踪笔者的轮廓跟踪算法按照从左到右、从上到下的顺序搜索目标，找到的第一个黑点一定是最左上方的边界点，记为G。。G。的左下、下、右下、右四个邻点中至少有一个是边界点，记为G。。从G。开始找起，按左下、下、右下、右、右上、上、左上、左的顺序找相邻点中的边界点G：。继续用上述方法搜索下一个边界点，直到探查又回到初始的边界点G0为止。整个轮廓跟踪过程如图2所示。OoOo图2轮廓跟踪算法示意

6、图2．2椭圆最小二乘拟合椭圆图像曲线的一般表达式为：A膏2+Bxy+Cy2+D$+E，，+F=O(1)假设磊：(善，y，1)7，定义露为：霆=．BDA虿虿BpEiG虿旦旦F2‘，则式(1)可表示为：盂1Rm=0(2)假设有n个边缘点(并。，，，．)，(蓐：，Y2)，⋯，(髫。，y。)，则有：其中Ⅳ=矗五=U茹I2，xlYI，，，12，膏l，YI，X22，x,Y2，Y22，茹2，儿，；i；弗。2，x．y。，氕2．毒。，丘，X=(A，曰，C，口，E，，)’。(3)这里增加约束条件¨X¨=1，则求解转化为：{“ini苫‘^z12+且kIy·+c’12+

7、。kj+与yl+，’2：：-：：2)(4)最后可以从所拟合的椭圆方程系数向量盖进一步求解得到椭圆的中心坐标为：t2可面l2AE—BD}(5)凡2—B2-—4ACJ2．3算法的改进在椭圆拟合时，由于矩阵H是由数值相差很大的一些数组成，而且一些边缘点会产生比较大的偏差。那么简单的最小二乘不具有很好的鲁棒性，会带入比较大的偏差。因此为了减小数值计算的误差，提高数值计算的稳定性和精度，笔者采用在拟合之前对坐标数据归一化，并结合加权最小二乘优化目标函数的方法，对原来的最小二乘拟合算法进行了改进。2．3．1坐标数据归一化首先求解珏个椭圆的边缘轮廓点的质心坐标

8、为：；=寺墨1t1n·-I；：擤j伯’y2i。毛y·J此外得到n个椭圆边缘轮廓点坐标分布为：：：!霸旷仁。和劫2J定义转换矩阵r=；，o