工件三維測(cè)量的激光線亞像素提取方法研究

郝福龍 宋亞男 徐榮華

摘要：木材噴涂是一個(gè)傳統(tǒng)的加工行業(yè)，文章主要在木材噴涂行業(yè)中運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的方法實(shí)現(xiàn)由數(shù)控工作的方式向自動(dòng)化加工方式的轉(zhuǎn)變。在整個(gè)過(guò)程中，利用單相機(jī)加線激光的方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)木材窗框的三維信息的測(cè)量。其中激光線亞像素坐標(biāo)的提取是影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度的重要因素。文章采用灰度質(zhì)心法來(lái)獲取激光線的亞像素中心坐標(biāo)，很好地解決了系統(tǒng)測(cè)量精度的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：灰度質(zhì)心；三維工件；亞像素提取

木材的噴涂加工有史以來(lái)都是人們極為關(guān)注的，從以前的手動(dòng)加工方式到數(shù)控化加工方式，極大地改進(jìn)的人們的加工水平，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是，有了數(shù)控加工方式之后，人們又開(kāi)始轉(zhuǎn)而尋找實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工方法[1]?，F(xiàn)在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)得到了很好的發(fā)展，以其實(shí)時(shí)性好、非接觸、可視化、可自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，成為在高科技領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的技術(shù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的提升帶來(lái)良好的效果[2]。在噴涂行業(yè)中，應(yīng)用三維測(cè)量可以提高整個(gè)行業(yè)的工作效率。目前，國(guó)內(nèi)許多研究人員對(duì)三維測(cè)量原理及方法進(jìn)行了深入的探討與研究，從而使其廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，從激光光源所投射的結(jié)構(gòu)光形式上來(lái)看，國(guó)內(nèi)的測(cè)量方法主要采用的是線結(jié)構(gòu)光和結(jié)構(gòu)光光柵的形式。本文通過(guò)對(duì)測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用來(lái)使木材噴涂行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)施。在對(duì)激光線的亞像素坐標(biāo)提取的過(guò)程中，通過(guò)使用二分法、形心法、質(zhì)心內(nèi)插法和灰度質(zhì)心法不同算法的結(jié)果比較，得出在該環(huán)境下，灰度質(zhì)心法求取出的亞像素坐標(biāo)是有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的精度的。

1 系統(tǒng)原理

在整個(gè)系統(tǒng)中，首先通過(guò)OPENCV對(duì)相機(jī)鏡頭標(biāo)定得到整個(gè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)矩陣，通過(guò)參數(shù)矩陣對(duì)輸入圖片進(jìn)行校正，然后再利用灰度質(zhì)心法計(jì)算激光線的亞像素坐標(biāo)，最后利用經(jīng)典的激光三角測(cè)距來(lái)獲得物體的深度信息。

1.1硬件系統(tǒng)

木材線激光系統(tǒng)原理如圖l所示。要實(shí)現(xiàn)物體表面輪廓的三維掃描，線結(jié)構(gòu)光與物體之間需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)。假定線激光發(fā)射器與攝像機(jī)的位置保持不變，不論光平面在世界坐標(biāo)系中的位置如何變化，都可以通過(guò)坐標(biāo)系之間的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣得到世界坐標(biāo)系下的測(cè)量值。為了簡(jiǎn)化測(cè)量模型，假設(shè)線結(jié)構(gòu)光平面位于世界坐標(biāo)系的ow-xwzw平面上[3]。假設(shè)尸為線激光平面與被測(cè)的三維表面的交線上某一點(diǎn)，設(shè)其在測(cè)量坐標(biāo)系ow-xwzw的坐標(biāo)尸（xwywzw），（xwywzw）待求。г1為攝像機(jī)的成像平面，oc為攝像機(jī)的主點(diǎn)。根據(jù)小孔成像模型，被測(cè)三維表面上的點(diǎn)P在攝像機(jī)中的像點(diǎn)即為г：上的一點(diǎn)，設(shè)為ρ，ρ即為直線poc與平面г1的交點(diǎn)。oco1為攝像機(jī)的光軸，o1為光軸與平面г1的交點(diǎn)[4]。

1.2單目相機(jī)的標(biāo)定

在圖像的采集過(guò)程中，由于相機(jī)光學(xué)原因，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)相機(jī)的成像是存在畸變的[5]。那么單目相機(jī)的標(biāo)定就是為了獲取攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)矩陣，同時(shí)也會(huì)獲得每一幅標(biāo)定圖像的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，內(nèi)參數(shù)矩陣和畸變向量，這些參數(shù)可以對(duì)之后相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行矯正，得到畸變相對(duì)較小的圖像。本文在標(biāo)定的過(guò)程中采用的相機(jī)標(biāo)定的輸入為11X7，單位長(zhǎng)度為1 mm/格的棋盤格圖像。

標(biāo)定的步驟為：

第一步，通過(guò)單目攝像頭拍攝16張不同角度的棋盤格的照片。

第二部，通過(guò)opencv尋找出棋盤格中的角點(diǎn)。

第三步，通過(guò)基于zhang和Brown的算法求出攝像頭的內(nèi)參數(shù)矩陣和畸變向量。 標(biāo)定的輸出為：內(nèi)參數(shù)矩陣fx，fy，Cx，Cy）和畸變向量（k1，k2，P1，p2，p3）（注意，這里有兩個(gè)不同的焦距fx，fy。因?yàn)閱蝹€(gè)像素點(diǎn)在低價(jià)成像儀上是矩形而不是正方形。實(shí)際上，焦距fx=f×Sx，f為實(shí)際的物理焦距長(zhǎng)度，Sx為x方向的像元尺寸[6]。同理，fy=f×S）。

1.3激光三角測(cè)距的算法

相機(jī)激光示意如圖2所示，A為整個(gè)測(cè)量的基準(zhǔn)平面，B是物體靠經(jīng)激光透鏡一定距離后的平面。當(dāng)被測(cè)物體表面移動(dòng)x，反應(yīng)到光敏面上像點(diǎn)位移為x'。a為接收透鏡到物體的距離（物距），6為接收后主面到成像面中心的距離（一般去焦距月，臼為激光束光軸與接收透鏡之間的夾角。D為激光光束軸到透鏡中心的距離。接收透鏡的焦距為f，其余的參數(shù)如圖2所示[7]。

在△ABC中，由正弦定理得：

在直角三角形△CDE（∠CDE=90°，中，ctgθx=b/x′，將其帶入到上式，得：（2）

以上就是整個(gè)算法的推導(dǎo)過(guò)程和機(jī)械結(jié)構(gòu)示意[8]。

2 激光線亞像素提取

制作好固定架和安裝好攝像機(jī)與激光器，并在后面保持不再變動(dòng)[9]。三維掃描時(shí)，激光線投射在物體表面，攝像機(jī)從另外一個(gè)角度獲得被測(cè)物體表面調(diào)制后的激光線圖像。從三維掃描數(shù)學(xué)模型可知，激光線在攝像機(jī)中的坐標(biāo)提取的偏差，將直接影響物體三維坐標(biāo)的獲取精度[10]。所以，如何穩(wěn)定可靠地提取出激光線條紋圖像的位置，是三維掃描中的關(guān)鍵。

像素定位細(xì)分算法包括以下幾種。

2.1形心法

對(duì)于圖像中以圓、橢圓和矩形等對(duì)稱圖形，利用形心法求取圖像的亞像素坐標(biāo)是首選方法。形心法的算法非常簡(jiǎn)單明了，但該算法只有對(duì)灰度對(duì)稱分布的目標(biāo)才能有較好的效果[11]。如果目標(biāo)靠投影等方法形成或當(dāng)目標(biāo)平面有較大夾角時(shí)，形心會(huì)偏移。因此，該法通常只適合目標(biāo)圖像本身不變形的場(chǎng)合。

2.2質(zhì)心內(nèi)插法 該方法適用的前提是圖像成像分布基本是正態(tài)分布[12]，并且CCD成像的光電效應(yīng)保證在現(xiàn)行端段。

2.3灰度質(zhì)心法

對(duì)于亮度不均與的目標(biāo)，灰度重心法可按目標(biāo)光強(qiáng)分布求出光強(qiáng)權(quán)重質(zhì)心坐標(biāo)作為跟蹤點(diǎn)，也叫密度質(zhì)心算法[13]。本文就是通過(guò)灰度質(zhì)心法來(lái)求取圖像中每一行的激光線的質(zhì)心。對(duì)于一幅M×N大小的圖像，f為像素的灰度值，凡超過(guò)閾值T的均參與重心處理，于是重心坐標(biāo)為：

xi表示第i行的坐標(biāo)，yj表示第j行的坐標(biāo)，fij表示第i行第j列的像素值。

對(duì)于一副激光線的圖片，因?yàn)榧す饩€的寬度，它在圖像上是占有10-20個(gè)像素值的寬度。這在實(shí)際的處理過(guò)程中，對(duì)于測(cè)量窗框的深度坐標(biāo)精度存在很大影響，對(duì)與固定區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)可以作為我們整個(gè)計(jì)算深度坐標(biāo)的輸入信息。這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度有較大的提高。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文采用螺旋測(cè)微儀為移動(dòng)模塊[14]，測(cè)微儀的最小位移為0.01 mm，通過(guò)采樣頻率為0.1 mm逐步采樣。通過(guò)式（2）計(jì)算位移，其中a=143.616，θ=3.147 17（弧度制）。測(cè)量數(shù)據(jù)誤差對(duì)比如表1所示，可以觀察到，在采用灰度質(zhì)心法求取深度位移時(shí)，最大偏大誤差在位移為1.3 mm時(shí)偏大0.0 611 mm，以及最大偏小誤差出現(xiàn)在位移為0.1 mm時(shí)，偏小0.055 5 mm?？梢钥闯?，通過(guò)用灰度質(zhì)心法[15]求取激光線的亞像素坐標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)量精度的提高有很大效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題主要研究了木材噴涂行業(yè)工件三維測(cè)量的自動(dòng)測(cè)量，旨在利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)定位代替以往的人工噴涂的模式，提高木材窗框噴涂的效率。利用VS2013軟件作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，以數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心，從定位測(cè)量檢測(cè)算法的實(shí)用性出發(fā)，設(shè)計(jì)了木材噴涂行業(yè)工件三維測(cè)量算法。該算法通過(guò)精確的區(qū)域定位，準(zhǔn)確地判斷木材工件的位置，滿足了后續(xù)噴涂定位的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬巖我國(guó)數(shù)控木工機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀及自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)方向[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012 （1）：4-9

[2]張國(guó)福，沈洪艷.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用綜述[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]陳建可.基于機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)輪轂智能識(shí)別系統(tǒng)的研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2014

[4]秦亞航，蘇建歡，余榮川機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].科技視界，2016（ 25）：12-35.

[5]林貽斌激光三維輪廓檢測(cè)技術(shù)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2005

[6]張文斌.基于線結(jié)構(gòu)光的三維視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2013.

[7]王鵬光柵投影三維輪廓測(cè)量技術(shù)標(biāo)定方法的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2006.

[8]梁猛，方強(qiáng)等腰三角形結(jié)構(gòu)光編碼的面形測(cè)量誤差分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2000 （11）：20-46.

[9]馮金城.高精度實(shí)時(shí)激光三角測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008

[10]李高勇.用光傳感器測(cè)量微小角位移的方法及裝置的研究[D].上海：東華大學(xué)，2007.

[11]KAZUHIKO I， HITOMI Y， KI-ICHIRO K， et al.Measurement of恤ickness of a thin film by means of laser interference at manyincident angles[J].Optics and Lasers in Engineering， 2004（1）：19-29

[12]ZHAOYU L，XU z L.Amelioration and precision improving of slitVVidth measurement system based on恤e orthogonal linear CCD[J].Infrared and Laser Engineering， 2006（1）：74-75