結(jié)構(gòu)光三維測量在輪胎壓痕深度檢測的應(yīng)用研究

張斌，陳春朋，高書征

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

結(jié)構(gòu)光三維測量在輪胎壓痕深度檢測的應(yīng)用研究

張斌，陳春朋，高書征

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

針對在輪胎壓痕深度檢測的過程中，存在的壓痕較淺、接觸測量定位困難的問題，提出利用基于結(jié)構(gòu)光三維測量的輪胎壓痕深度檢測方法。并在輪胎表面設(shè)計了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果與實際數(shù)據(jù)誤差在3%左右，符合深度檢測要求，證明算法有效。

輪胎表面壓痕；計算機(jī)視覺；三維測量

隨著智能化制造的提出，計算機(jī)視覺被越來越廣泛的應(yīng)用到橡塑領(lǐng)域。輪胎的表面檢測作為計算機(jī)視覺在輪胎行業(yè)的應(yīng)用熱點，受到越來越多的重視[1][2]。

輪胎成型鼓在反包過程中，由于成型鼓的機(jī)械設(shè)計參數(shù)或者滾輪壓力的影響，會在輪胎表面形成比較深的壓痕。這種壓痕在橡膠硫化后仍不能有效的去除，既影響輪胎質(zhì)量也影響美觀。因此提出通過獲取輪胎壓痕深度信息，從而改進(jìn)成型鼓設(shè)計方法。輪胎表面的壓痕深度檢測，主要包含兩種方式：①利用傳統(tǒng)的接觸式測量方法對輪胎進(jìn)行測量，直接測量出壓痕深度。②利用光照圖像通過計算機(jī)視覺算法恢復(fù)輪胎的壓痕深度信息。第一種方式操作簡單，但存在測量精度低，定位不準(zhǔn)確、操作困難等缺點。考慮到工業(yè)設(shè)計的操作簡單、適用性強(qiáng)的設(shè)計原則，論文提出首先利用結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)對輪胎進(jìn)行三維測量，并在測量的模型上手動獲取指定反包壓痕的深度數(shù)據(jù)，對后續(xù)的成型鼓機(jī)械設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)組成及原理

如圖1所示，系統(tǒng)主要由線激光發(fā)射器、光源、輪胎、相機(jī)、圖像采集程序及上位機(jī)處理程序組成。

圖1 系統(tǒng)組成及原理圖

線激光發(fā)射器通過發(fā)射一條線激光投射到輪胎上，為了得到輪胎的完整的外形輪廓，需要對輪胎進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。在實測過程中，將輪胎置于轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)至θ°時，激光線投射到物體表面上時，通過相機(jī)拍攝得到激光光束投射到輪胎上的光條圖像，對圖像分析后可得到圖像數(shù)據(jù)，此時，即為輪胎表面在轉(zhuǎn)動θ°時的二維輪廓數(shù)據(jù)。在測量過程中，通過對上位機(jī)程序的設(shè)定，每1°采集一幅圖像，最終可采集360幅輪胎圖像，對這些輪胎圖像利用結(jié)構(gòu)光三維測量算法及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行處理，可以得到輪胎表面的三維測量模型,算法流程如圖2。

圖2 算法流程圖

由圖2可以看出，在進(jìn)行輪胎的三維測量之前，要對相機(jī)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，以獲得相機(jī)的內(nèi)部及外部參數(shù)[3]。本文采用張定友相機(jī)標(biāo)定算法，有效的獲取了相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，從而消除了圖像畸變帶來的影響，為下一步的三維測量提供了可靠的前期數(shù)據(jù)。

2 三維測量

如圖3 所示，A-x′y′z′為線激光傳感器坐標(biāo)系，B-xyz為相機(jī)光心坐標(biāo)系，A為線激光傳感器的空間坐標(biāo)，B為相機(jī)光心的空間坐標(biāo)，C為掃描點的世界坐標(biāo)，為簡化計算，保證兩坐標(biāo)系的x軸共線，z軸平行。b代表A、B的距離，φ為激光光面與x′Az′面的夾角。由此，可得出如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

圖3 結(jié)構(gòu)光三維測量算法示意圖

通過圖像坐標(biāo)到世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換算法[1]，得出線激光上各點的三維坐標(biāo)：

其中，（x,y,z）為激光光條各點的空間坐標(biāo)，uα、vα為相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，通過相機(jī)標(biāo)定過程獲得。（u，v）為C點在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，（u0、v0）為像素坐標(biāo)系坐標(biāo)零點[4～5]。

3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由式（3）得出的空間坐標(biāo)是每個激光光條的坐標(biāo)，還需參照輪胎的旋轉(zhuǎn)角度，將其還原到世界坐標(biāo)下，以實現(xiàn)輪胎的三維測量。如圖4所示，C為輪胎轉(zhuǎn)動的圓心，P為某輪胎上一點，K為P點轉(zhuǎn)動θ角度后獲得的激光光條上空間坐標(biāo)。已知k點坐標(biāo)，求P點坐標(biāo)[3]。由圖4的三角關(guān)系可得式（4～7）：

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

而 p 點相對 k點的空間坐標(biāo)變化，見式（8）：

從而獲得 點的空間坐標(biāo)，如式9：

p

如圖5(a)及5(b)，獲得輪胎的三維測量模型后，通過鼠標(biāo)點選便可獲得任意一點的三維空間坐標(biāo)，最后，求出所選的輪胎壓痕深度，即所選點的Z方向高度差。依據(jù)上述算法，設(shè)計實驗，實驗選用輪胎直徑1 200 mm，相機(jī)為omronFH-SC02相機(jī)，試驗結(jié)果如圖6。

圖5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果示意圖

4 誤差分析

圖6 試驗效果圖

由此，通過結(jié)構(gòu)光三維測量的方法，就獲得了整個輪胎壓痕表面的深度數(shù)據(jù)。為證明算法的有效性，在獲得三維壓痕表面上隨機(jī)選擇6個采樣點，并與傳統(tǒng)接觸式測量的方法進(jìn)行了對比，分析其測量誤差。對輪胎表面采集6個試驗點測試如圖7。

圖7 對輪胎表面采集6個試驗點測試

由圖7及表1中可以看出，基于結(jié)構(gòu)光三維測量實現(xiàn)了成型鼓輪胎反包壓痕的深度檢測，且實驗數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)誤差在3%左右，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)接觸式測量的量測精度，證明本算法有效。

表1 誤差分析表

5 結(jié)論

論文基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量技術(shù)，解決了傳統(tǒng)接觸測量精度低，操作不方便的缺點。試驗表明，基于本方法可以有效的測得輪胎壓痕深度信息，為指導(dǎo)成型鼓的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。由于相機(jī)標(biāo)定誤差、振動等因素影響，數(shù)據(jù)仍存在一定的測量誤差，在今后的研究中，需融入誤差校正算法，以進(jìn)一步提高量測精度[6]。

[1] 謝珺，黃煒.機(jī)器視覺在輪胎檢測領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].輪胎工業(yè)，2013,(3)：116～119.

[2] 滕國興.激光傳感器在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備，2005，(5)：78～80.

[3] 馬頌德，張正友.計算機(jī)視覺.計算理論與算法基礎(chǔ)[M]，北京：科學(xué)出版社，1998，52～59.

[4] 羅志升，王黎.光截法旋轉(zhuǎn)式物體三維重構(gòu)[J].微計算機(jī)信息，2010，26（4-1）：129～130.

[5] 王芳榮，趙丁選.應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行物體三維重構(gòu)[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2008，38(6)：1424～1428.

[6] 袁天鑫.最優(yōu)估計原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980.

Application and research of structured light 3D measurement in detecting tire indentation

Application and research of structured light 3D measurement in detecting tire indentation

Zhang Bin,Chen Chunpeng,Gao Shuzheng
(MESNAC Co.,Ltd. ,Qingdao 266042,Shandong,China)

To solve the problem that the tire indentation depth is shallow and the traditional contact measurement is difficult to detect, a method of measuring the depth of tire indentation based on 3D measurement is proposed. We designed the relate experiment on the surface of tire. The experimental results were compared with the actual data error of about 3%, which was in accordance with the depth detection. The experimental results proved the algorithm is effective.

tire surface indentation; computer vision;3D measurement

TQ330.493

1009-797X(2016)07-0005-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.002

（R-01)

張斌(1978-)，男，中級工程師，2003年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，主要從事于輪胎制造機(jī)械裝備的研發(fā)工作，擁有豐富的電氣設(shè)計、軟件控制、識別技術(shù)相關(guān)理論知識經(jīng)驗。

2015-10-10