结构光三维视觉检测中光条椭圆拟合方法与仿真研究

　　1　引　　言

　　一些圆柱类工件如长钢管、轴等,往往需要对其直线度、同轴度等形位误差进行检测[1]。结构光三维视觉检测在此类形位误差检测中具有广阔的应用前景[2]。检测中需要获取这些圆柱类工件的多个截面中心的坐标。而这些截面是通过投射结构光平面与圆柱类工件表面相交,形成截面结构光光条产生的。实际测量中,由于结构光平面一般与圆柱类工件的轴线不正交,因此截面为椭圆面,相交结构光光条为椭圆曲线的一部分,椭圆截面的中心需要利用这些结构光光条拟合椭圆曲线获得。然而,这些用于椭圆拟合的结构光光条往往比较短,只占整个椭圆曲线的一小部分。因此,在测量数据含有噪声时,利用传统的无约束最小二乘法(无约束法)直接进行椭圆拟合,精度较低[3]。

　　针对以上问题,本文提出了一种新的基于短轴长度约束的最小二乘拟合方法(短轴约束法)。它是将椭圆短轴的长度作为一个已知条件,约束椭圆的拟合,提高了在短弧和噪声情况下光条椭圆拟合的精度和鲁棒性。

　　2　形位误差的结构光三维视觉检测原理

　　准确快速地形位误差检测是保证机械零件具有互换性的重要环节[1]。在众多检测方法中,结构光三维视觉检测方法以其速度快、量程大、非接触测量、精度较高等特点[2],很好地满足了检测要求。在形位误差的结构光三维视觉检测的关键是获取被测工件特征数据。图1以轴的同轴度检测为例说明了形位误差结构光三维视觉检测的基本原理。

　　图1中,1是被测工件,为圆柱形轴。2、4分别为两个线结构光视觉传感器中的激光投射器。3、5分别测量的基本原理为:激光投射器投射的结构光平面与圆柱形轴表面相交,形成椭圆弧形的结构光光条图样,由CCD摄像机获取在被测工件表面上的结构光光条二维图像,并重构出结构光光条上各点的三维世界坐标。然后由这些已知三维世界坐标的点拟合出结构光光条所在的椭圆曲线及其中心点三维坐标。沿轴向布置合适数量的线结构光传感器,就可以获取轴的多个截面的中心点坐标。

　　单个线结构光视觉传感器能够对三维物体实现两维半描述。但由于受激光投射器投射角、传感器工作位置和工作距离等的限制,形成的椭圆弧形结构光光条较短,只占其所在椭圆曲线的一小部分。由结构光视觉传感器重构出的结构光光条上各点的三维坐标数据,必然含有一定程度的噪声。如何在较短椭圆弧的情况下用这些含有噪声的数据以较高精度拟合出椭圆,成为圆柱类工件的形位误差结构光三维视觉检测中一个迫切需要解决的问题。