大型回转工件直线度的在线测量

　　0 引 言

　　随着计算机技术的快速发展和数字图像技术的日趋成熟[1],超大规模集成电路和高分辨力摄像器件的问世,计算机视觉的测量方法从理论到实践都得到了成功的应用。如,医学图像的处理与理解、被测件在线检测质量的优劣、卫星图像的理解等,在物体的三维空间坐标测量中尤其表现出它的优越性[2]。

　　在航空、航天、造船、石油天然气、钢铁、涡轮机、发电机等领域[1],大量需要进行大尺寸几何量的测量。目前,大尺寸几何量的测量还主要是以坐标测量技术为先,通过软件评定获取大尺寸工件的几何参数,主要采用经纬仪和激光跟踪仪进行三维坐标测量,这些方法的测量精度比较高,然而,需要粘贴标志物或者目标跟踪,使得测量过程复杂而耗时费力。

　　采用计算机视觉测量的方法,一次标定后就可以进行实时在线的测量,甚至通过准直技术调整被测量工件的空间姿态,进行直接装配。本文用点结构光扫描系统引入大尺寸视觉准直技术中,完成了对大尺寸回转体工件直线度的自动测量。

　　1 测量系统构成

　　整个系统由多台面阵CCD摄像机和点激光投射器组成的点结构光传感器、1块图像采集卡、1台PC机、控制模块组成。点结构光传感器均匀布置于被测量工件的两侧。其基本测量原理如图1所示,采用多个激光点光源对工件进行扫描投射,得到被测工件长度方向上若干个截面的椭圆弧离散点(大尺寸工件横截面往往是椭圆形)。由CCD摄像机接收各椭圆弧离散点的图像,经图像采集卡送入计算机。经分析和处理求得各点光斑中心在系统坐标系中的坐标,进而计算得到椭圆弧中心的坐标。经误差评定算法求出直线度误差,将椭圆弧投影到轴线的正交平面上可以计算出工件的横截面几何形状。

　　2 主要流程

　　计算机视觉测量的过程包含数据的采集、摄像机标定、特征点提取和三维参数计算等几个主要的内容。这里,采用点结构光传感器实现大型工件表面轮廓离散点坐标采集,摄像机将采集到的视频信号送入图像采集卡内,经过滤波,A/D变换为8 bit信号,通过PCI数据总线传输到计算机内存。

　　摄像机的标定,又称摄像机的校准。对摄像机的标定就是确定摄像机的模型,它是将计算机视觉技术用于真实环境的前提,包括确定摄像机的坐标系,多台摄像机相对位置关系摄像机的等效焦距和其他比例参数。

　　本系统中,所提取的是激光投射在曲面上的点光,只需要找到点光斑的中心即可,处理起来比较容易,且精度很高,定位精度为亚像素分辨力。

　　在实际测量中,激光投射器的聚焦位置对图像的光斑大小影响很大,聚焦不好,将导致光斑边缘模糊或者过大,影响中心提取精度。这样会对图像处理带来不利的影响。光源的理想角度或亮度需要通过反复调整来确定,激光光源的稳定性也应得到保证。同时,还必须注意到:即便是在很理想的光照条件下,图形的边缘也会有一些噪声,表现为一些细小的毛刺和离散点。这些噪声会对结果产生一定的歪曲,所以,需要提供合适的手段对其加以消除。采用平滑滤波算子,处理结果还是比较令人满意的。