基于雙目視覺(jué)的柔性塑膠套壁厚檢測(cè)系統(tǒng)研究

畢德學(xué)，紀(jì)金剛，丁彥玉

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

1 引言

近些年由于雙目立體視覺(jué)相關(guān)算法的發(fā)展，利用相機(jī)對(duì)實(shí)際物體相關(guān)數(shù)據(jù)三維重建的研究大量涌現(xiàn)，雙目系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效地獲取目標(biāo)信息，近幾年來(lái)在生產(chǎn)中應(yīng)用也越來(lái)越多［1］。雙目立體視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)制造、科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為了一種不可或缺的基礎(chǔ)工具，其可以在不接觸目標(biāo)物的前提下獲取物體的立體信息，具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)［2-4］。

柔性塑膠防塵套，如圖1所示。其形狀為錐形波紋管形狀，根據(jù)型號(hào)不同，其長(zhǎng)度為（50～250）mm。塑膠防塵套在鑄造完成后，將其切開(kāi)，切開(kāi)后橫截面上的波峰、波谷壁厚為工藝測(cè)量處，因塑膠防塵套為柔性材質(zhì)鑄造而成，即其切割出的截面是空間曲面，因此選用雙目測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 塑膠防塵套工件Fig.1 Plastic Dustproof Sleeve Workpiece

該文章根據(jù)柔性塑膠防塵套模型樣式開(kāi)發(fā)出一種專(zhuān)用雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，該雙目系統(tǒng)結(jié)合PLC控制高精度滑臺(tái)，共同作用完成測(cè)量工作。首先是上位機(jī)對(duì)兩張照片內(nèi)的塑膠防塵套邊緣亞像素輪廓進(jìn)行提取，將邊緣點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)信息，動(dòng)態(tài)截取圖像中的輪廓線，提取出輪廓中的波峰、波谷點(diǎn)位置信息，根據(jù)提取出的點(diǎn)坐標(biāo)信息和高精度滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離關(guān)系，將多對(duì)圖像進(jìn)行圖像拼接，之后對(duì)工件的待測(cè)位置進(jìn)行標(biāo)定，提取出待測(cè)位置后，折射到單幅圖像相同位置進(jìn)行壁厚測(cè)量，減少圖像拼接對(duì)精度影響的同時(shí)完成高精度測(cè)量工作。

2 大焦距、高精度相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)選用?？低?000萬(wàn)像素CMOS 工業(yè)相機(jī)，鏡頭選用50mm焦距工業(yè)鏡頭，根據(jù)最佳工作距離300mm搭建系統(tǒng)，相機(jī)的景深根據(jù)光圈大小變動(dòng)，其景深范圍為（1～6）mm。該相機(jī)為大焦距、高精度相機(jī)，因此在使用該相機(jī)時(shí)，采用將鏡頭的光圈調(diào)小方法，使景深數(shù)值較大，調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間，使拍攝的圖像清晰明顯。

該相機(jī)單目視野為（67×42）mm2，因測(cè)量要求，如圖2 所示。將右相機(jī)進(jìn)行豎直放置，左相機(jī)與右相機(jī)成5°夾角放置方法，使其公共區(qū)間能達(dá)到（50×46）mm2滿足測(cè)量要求。

標(biāo)定圖像方法采用張正友提出的棋盤(pán)標(biāo)定法，通過(guò)雙目攝像機(jī)拍攝標(biāo)定板獲取左、右目圖像，利用標(biāo)定程序完成雙目相機(jī)的標(biāo)定［5］，得到相機(jī)的內(nèi)參參數(shù)和兩相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，如表1所示。

表1 相機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of Camera

3 雙目系統(tǒng)的校正與標(biāo)定驗(yàn)證

雙目相機(jī)的圖像校正，除了可為求取雙目系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)非常簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)，還可使深度信息的獲取變得非常簡(jiǎn)單。

該圖為校正后的雙目系統(tǒng)投影模型圖，如圖3所示。Pw為空間中一目標(biāo)點(diǎn)，兩個(gè)相機(jī)的投影中心點(diǎn)為O1和O2，兩幅圖像中的主點(diǎn)分別為C1和C2,P1和P2為Pw在兩個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系上的投影點(diǎn)，Pw的深度值為該點(diǎn)到相機(jī)坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)。

圖3 雙目視覺(jué)測(cè)量原理Fig.3 Principle of Binocular Vision Measurement

通過(guò)分析相似三角形O1O2Pw和P1P2Pw，可以推導(dǎo)出Pw的深度只取決于點(diǎn)P1和點(diǎn)P2的列坐標(biāo)的差值。根據(jù)三角形的相似性，可得：

式中：f—相機(jī)主距；dw—點(diǎn)P1到C1與點(diǎn)P2到C2距離的總和，因主點(diǎn)坐標(biāo)是以像素做單位，而dw的單位是世界坐標(biāo)系單位，因而得求出兩個(gè)距離和之間的像素坐標(biāo)差dp后通過(guò)像素坐標(biāo)系的縮放系數(shù)s求出最終的dw數(shù)值。由圖3得出：

式中：c1、c2—點(diǎn)P1和點(diǎn)P2的列坐標(biāo)；cc1、cc2—主點(diǎn)的列坐標(biāo)。將上式整理可得：

由于式（4）中(cc1-cc2)為常量，對(duì)空間中任意一點(diǎn)都是定值，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定校正即可得出，所以深度信息只與兩點(diǎn)列坐標(biāo)的差值即(c2-c1)有關(guān)。

因此準(zhǔn)確地求得一個(gè)空間點(diǎn)的深度信息需將該點(diǎn)在兩幅校正后的圖像內(nèi)投影點(diǎn)準(zhǔn)確求出［7］，也就是說(shuō)，兩幅圖像內(nèi)的投影點(diǎn)求取的誤差決定該點(diǎn)深度信息的精度。

標(biāo)定完成后，通過(guò)標(biāo)定出的相機(jī)參數(shù)和兩相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行校正處理，其校正后的相機(jī)內(nèi)參，如表2 所示。對(duì)標(biāo)定板采集的圖像分別進(jìn)行校正處理后，提取出標(biāo)定板內(nèi)所有圓心的坐標(biāo)，求出兩幅圖像中標(biāo)定板相同圓心的橫坐標(biāo)差值和標(biāo)定板內(nèi)兩圓心空間距離。

表2 校正后相機(jī)參數(shù)Tab.2 Parameters of the Camera After Calibration

對(duì)以上兩個(gè)參數(shù)分析進(jìn)而判斷標(biāo)定精度，通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，橫坐標(biāo)差值絕對(duì)值最大為0.2pixels，而理想條件下一空間點(diǎn)在兩幅校正圖像上的像素橫坐標(biāo)相等；標(biāo)定板內(nèi)相鄰兩個(gè)圓心之間的空間距離差最大為0.002mm，滿足檢測(cè)精度要求，如表3所示。

表3 左、右相機(jī)內(nèi)標(biāo)定板同一圓心橫坐標(biāo)差和相鄰圓心兩點(diǎn)距離Tab.3 Abscissa Difference of the Same Center of Circle and Distance Between Two Points of Adjacent Center of Camera Internal Calibration Plates

4 測(cè)量方式

根據(jù)工件大小和雙目系統(tǒng)公共視野大小關(guān)系，該文章將切割后的工件分為（1～8）次拍照，通過(guò)此種方法可將工件全部測(cè)量區(qū)域拍攝完成。

首先，將切好后的工件放在氣缸夾爪上，如圖4所示。夾爪兩端的氣缸選用的是伸出式氣缸，左端氣缸初始位置為收縮狀態(tài)，該氣缸氣壓為0.2MPa；右端氣缸初始位置為伸出狀態(tài)，氣壓為0.07MPa。

圖4 夾取測(cè)量裝置圖Fig.4 Diagram of Clamp Measuring Device

當(dāng)氣缸夾爪開(kāi)始夾取時(shí)，位于左端收縮狀態(tài)的氣缸推出，將工件夾住，頂在右側(cè)伸出狀態(tài)氣缸上，因右側(cè)氣缸所受氣壓較小，會(huì)使右端氣缸彈性回收。

如此設(shè)置手爪的優(yōu)勢(shì)在于可以使夾爪的加持力保持為定量。夾爪模型圖，該模型圖設(shè)計(jì)仿照工件形狀設(shè)計(jì)而成，因工件為柔性工件，此設(shè)計(jì)在夾持工件時(shí)可以使工件在夾持時(shí)受力面積增大，使工件被夾持后變形較小，減少測(cè)量中因工件變形造成的誤差干擾，如圖5所示。

圖5 夾爪模型圖Fig.5 Gripper Model Diagram

夾爪夾持住工件后，由PLC控制高精度滑臺(tái)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)拍照位置，滑臺(tái)到位后通過(guò)對(duì)相機(jī)外觸發(fā)進(jìn)行拍照，拍照完成后，滑臺(tái)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)拍照位，進(jìn)行下一次拍照，循環(huán)往復(fù)，進(jìn)行多次拍照，完成整體采圖工作。

5 圖像拼接

因雙目系統(tǒng)的工作空間限制，無(wú)法將工件整體一次拍攝完成，因此采用對(duì)圖像拼接擴(kuò)大集成成像范圍，如圖6所示。為了使系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到生產(chǎn)要求且具有良好的精度，特征點(diǎn)的提取采用在每幅圖像中通過(guò)圖像預(yù)處理的方法找出圖像拼接特征點(diǎn)［8-9］。在連續(xù)拍攝的圖像中，通過(guò)預(yù)處理提取出工件的波谷點(diǎn)，在連續(xù)兩幅圖像中通過(guò)PLC控制的高精度滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離與圖像像素成像關(guān)系，尋找出兩幅圖像中的同一個(gè)波谷點(diǎn)作為特征點(diǎn)，以此特征點(diǎn)作為連接點(diǎn)進(jìn)行圖像拼接。

圖6 工件采集圖像Fig.6 Image Acquisition of Workpiece

圖像拼接具體過(guò)程如下：

（1）上位機(jī)使用canny算子對(duì)如圖6中的每組采集圖片內(nèi)的工件邊緣亞像素輪廓進(jìn)行提取，將邊緣點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)信息，動(dòng)態(tài)截取圖像中的輪廓線，提取出每一組輪廓中的波谷點(diǎn)位置信息。

（3）根據(jù)提取出的波谷點(diǎn)坐標(biāo)信息和PLC精確控制高精度滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離關(guān)系，將兩幅圖像中同一特征點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行匹配結(jié)合，通過(guò)提取出的特征點(diǎn)信息，使用基于特征點(diǎn)的匹配算法，完成整體圖像拼接工作，拼接圖像，如圖7所示。

圖7 圖像拼接之后的圖像Fig.7 Image After Mosaic

6 測(cè)量點(diǎn)匹配

在雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)中，立體匹配是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它是通過(guò)兩個(gè)相機(jī)同時(shí)獲取同一個(gè)場(chǎng)景的左右兩幅圖像，尋求左右圖像內(nèi)點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，匹配兩個(gè)圖像上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，從而根據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)視差關(guān)系，求得空間坐標(biāo)信息［10］。

而在該測(cè)量系統(tǒng)中，圖片環(huán)境中只有夾爪和工件，而按照兩個(gè)相機(jī)的安裝方式和選取的條形漫反射光源效果，左右相機(jī)在采集圖像中相同點(diǎn)的灰度值相差較大，對(duì)特征點(diǎn)的選取工作采用分別對(duì)單幅圖像特征進(jìn)行提取的方法，將兩幅圖像提取出的兩個(gè)感興趣點(diǎn)作為同一特征點(diǎn)，通過(guò)式（1）求出每個(gè)提取點(diǎn)的深度信息，進(jìn)而求取工件壁厚。具體過(guò)程如下：

（1）分別求出塑膠防塵套橫切面上兩端的邊緣輪廓線，使用canny 算子，對(duì)兩幅圖像進(jìn)行邊緣亞像素提取，提取出邊緣輪廓線，將輪廓線上點(diǎn)的坐標(biāo)信息記錄存儲(chǔ)。

（2）采用動(dòng)態(tài)切割方法，分別對(duì)兩條輪廓線進(jìn)行切割處理，切割出含有波峰、波谷的多段輪廓線，分別對(duì)兩幅圖像中的多段輪廓線進(jìn)行極值提取，求出輪廓線中待測(cè)的所有波峰、波谷點(diǎn)。

（3）將求出的所有波峰、波谷點(diǎn)通過(guò)圖像拼接協(xié)議逐個(gè)投影到單幅圖像中其所在的坐標(biāo)位置，以同一個(gè)波峰、波谷點(diǎn)在兩幅圖像中的縱坐標(biāo)差值為視差，通過(guò)式（1）求取該點(diǎn)在空間中的深度信息，提取完成后通過(guò)空間點(diǎn)與點(diǎn)求距公式進(jìn)行工件壁厚求取。

同一個(gè)工件的六次測(cè)量數(shù)據(jù)，如表4 所示。測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量10mm量塊的數(shù)據(jù)記錄，如表5所示。根據(jù)用該系統(tǒng)測(cè)量工件數(shù)據(jù)和用游標(biāo)卡尺對(duì)工件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并且通過(guò)對(duì)量塊測(cè)量數(shù)據(jù)分析得出，其絕對(duì)精度達(dá)到±0.05mm，并且通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較表明，該測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性精度非常高，滿足測(cè)量要求。

表4 工件測(cè)量結(jié)果Tab.4 Measurement Results of Workpiece

表5 兩塊測(cè)量結(jié)果Tab.5 Measurement Results of Two Pieces

7 結(jié)論

這里基于雙目立體視覺(jué)測(cè)量原理，主要研究如何用雙目立體視覺(jué)高精度測(cè)量柔性塑膠防塵套工件壁厚。主要闡述了對(duì)大焦距、高精度雙目相機(jī)的標(biāo)定，相機(jī)校正與標(biāo)定精度驗(yàn)證，檢測(cè)方式，圖像拼接和測(cè)量點(diǎn)匹配等方面進(jìn)行了研究。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)絕對(duì)精度達(dá)到±0.05mm，滿足測(cè)量要求。