（测试计量技术及仪器专业论文）基于视觉检测的三维图形定位技术的研究.pdf

中文摘要 在汽车白车身测量中有越来越多的白车身整体误差检测站投入使用，在检测 站中要设置很多的视觉传感器，如何准确定位视觉传感器是白车身检测技术的关 键。针对这一关键技术，提出了对多维参数进行综合调整的图形定位方法，在该 方法中采用了空心正四面体的棱边代表标准汽车车身的棱边来设置传感器，即在 没有标准车身的情况下，由正四面体的棱边画出了虚拟的标准车身，故又称为虚 拟定位技术。 虚拟定位技术的特点是：( 1 ) 视觉传感器在检测中被确定于唯一的测量位 置：( 2 ) 无需全局标定过程，测量精度不受全局标定影响；( 3 ) 利用一条虚拟的 棱边代替理想车身的棱边，虚拟棱边的坐标位置直接与图纸设计参数相对应；( 1 1 ) 图形显示，使综合调整的过程优于数字式显示，而且观察方便。 本文在已有基础上对视觉传感器和虚拟定位技术进行了深入的研究，其中的 主要： 作包含以下几个方面： 1 、对二维视觉传感器的标定进行了研究，根据测量标定理论，结台仪器自 身特点提出一种新的便捷的标定调整方法，并进行r 标定实验。 2 、针对二维视觉传感器的调整，设计了光面位置测量仪，其中包括机械设 计和电路设计。 3 、标定后的二维视觉传感器可用于简单的二维长度测量，进行了误差鉴定。 4 、针对虚拟定位技术，设计了用于定位和鉴定精度的多自由度工作台，此 工作台可实现空心四面体在定位中的多自由度变化。 5 、研究了本系统中需要的图像处理算法，并详细介绍了虚拟定位技术中运 用的一种高速、有效的图像处理算法。另外，设计了各种简便的操作界 面。 6 、介绍了鉴定虚拟定位技术重复性误差的方法，著进行了实验，得出 实 验数据。 7 、基于本论文的研究和实验，对系统进行了重新设计和组装，并设计了应 用于训练学生综合实验技能的实验台和教程。 关键词：视觉检测图像处理虚拟定位图形定位空心j e 四面体 a b s t ra c t m o r ea n dm o r ev i s u a li n s p e c t i o ns t a t i o n sa l e p u ti n a s ei nt h ea u t o m o b i l e b o d y i nw h i t em e a s u r e m e n t t h e r e a r e m a n y v i s u a ls e n s o r si n e v e r y v i s u a l i n s p e c t i o ns t a t i o n i na j la u t o m o b i l eb o d y _ i n w h i t ei n s p e c t i o ns t a t i o n ，h o wt ol o c a t e v i s u a ls e n s o rp r e c i s e l yi so n ek e yp r o b l e m i nt h i sd i s s e r t a t i o nag r a p h i cp o s i t i o n i n g m e t h o di sp r o p o s e dt oa d j u s ta l lt h em a n yd i m e n s i o n a lp a r a m e t e r ss y n t h e t i c a l l y 、a h o l l o wt e t r a h e d r o ni su s e df o rap o s i t i o n i n gt a r g e tt or e p l a c ea l lt h ee d g e so fa s t a n d a r da u t o m o b i l eb o d y s oi t sp o s s i b l et ot r a c eav i r t u a ls t a n d a r da u t o m o b i l eb o d y w i t h o u tar e a lb o d y t h i st e c h n o l o g yi sc a l l e dv i r t u a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y t h ef e a t u r e so fv i r t u a ll o c a t i o nt e c h n o l o g ya r e ：( 1 ) t h ep o s i t i o no ft h ev i s u a l s e n s o ri nt h ew o r l dc o o r d i n a t ef r a m ei su n i q u ed e t e r m i n e d ；( 2 ) n on e c e s s a r yo f p r o c e d u r eo fg l o b a lc a l i b r a t i o n ；( 3 ) o n ev i r t u a le d g ei su s e dt os u b s t i t u t ef o re d g eo f r e a lb o d y ，t h ev i r t u a le d g ec a r lh a sr e l a t i o n s h i pt od r a w i n gd i r e c t l y ；( 4 ) g r a p h i c a l d i s p l a y , w h i c hm a k e st h ec o m p o s i t i v ea d j u s t m e n te a s i e rt od i g i t a ld i s p l a y , a n de a s yt o o b s e r v e ， t h ed i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h es t u d yo fv i s u a ls e n s o ra n dv i a u a o c a t i o n t e c h n o l o g y t h em a i na n dc r e a t i v ew o r k si nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 t h ec a l i b r a t i o no ft h et w o d i m e n s i o r m lv i s u a ls e n s o ri ss t u d i e d an e w c a l i b r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h ec a l i b r a t i o nt h e o r yo fm e a s u r e m e n ta n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n s t r u m e n t ，a n dt h ep r i m a r yc a l i b r a t i n ge x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t 2 i no r d e rt oc a l i b r a t et h et w o - d i m e n s i o n a lv i s u a ls e n s o r 。a ni n s t r u m e n ti s d e s i g n e dt om e a s u r et h ep l a n eo fl i g h t ；t h ed e s i g ni n c l u d e st h em e c h a n i c a ld e s i g na n d t h ec i r c u i td e s i g n 3 a f t e rc a l i b r a t i o n ，t h et w o - d i m e n s i o n a lv i s u a ls e n s o rc a l lb eu s e dt os i m p l y m e a s u r et h el e n g t ho ft w o d i m e n s i o n a lo b j e c t ；t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e dt om e a s u r e t h ee r r o r 4 1 1 0r e a l i z et h ev i r t u a ll o c a t i o n am a n yd i m e n s i o n a lw o r k t a b l ei sd e s i g n e d ；t h e e q u i p m e n t c a r lr e a l i z et h eh o l l o wt e t r a h e d r o nt om o v ei nm a n yd i r e c t i o n s 5 t h ei m a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t h m sn e e d e di nt h es y s t e ma r es t u d i e d ；a h i g h s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n c yi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o di sa d v a n c e d i na d d i t i o n ， 。1 1 m a n ys i m p l eo p e r a t ei n t e r f a c e sa r ed e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o n 6 am e t h o dt om e a s u r et h er e p e a t a b i l i t ye r r o ro f v i r t u a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi s p r e s e n t e d ，t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l ti so b t a i n e d 7 t h es y s t e mi sr e d e s i g n e da n dr e a l i z e db a s e do na l lt h es t u d ya n de x p e r i m e n t s o ft h ed i s s e r t a t i o n ，a n dt h ee x p e r i m e n tw o r k t a b l ea n dt u t o r i a la r ed e s i g n e dt ot r a i nt h e s t u d e n t s s k i l lo fs y n t h e t i c a l l ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v i s u a li n s p e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，v i r t u a ll o c a t i o n ，g r a p h i c a li o c a t i o n h o l l o wt e t r a h e d r o n 1 1 i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞表茎一或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：硝年 月翻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤空盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行稳 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名：多寥免 签字日期：2 占年 f 月二日 签字日期：硝年j月歹r i i 天津大学硕士学位论文 第章绻论 1 1 技术背景 1 1 1 概述 第一章绪论 “多维坐标系统中复杂形体的虚拟定位技术”是国家自然基金项目，研究 内容为利用计算机虚拟技术对处于多维坐标系统中的复杂形体进行图形瞄准定 位。其核心是利用了代表复杂形体空间位置的某一特征形体，根据这一特征形体 在三维空间中的理想位置，用计算机虚拟出此特征形体的三维标准图形：再根据 实际特征形体的三维信息虚拟出此特征形体的三维实际图形，通过调整空间物体 使两个图形在计算机屏幕上精确重合，达到对复杂形体的瞄准定位的目的。这 方法是针对传统数字瞄准定位方法的缺陷提出来的，因为传统数字方法只适用于 单参数的定位调整，而空间复杂形体的运动引起的是多参数的综合变化，即个 参数的变化往往会连带其它参数的变动，若采用多个数字设备监视多个参数，往 往会顾此失彼，调整起来非常困难，有时几乎无法完成。采用计算机虚拟定位技 术，对多维参数进行综合动态调整，可以解决传统定位方法与多维坐标快速定位 之间的矛盾，使仪器的调整与操作更加方便，测控过程更加直观、快捷。 此研究的一个主要应用是汽车白车身整体误差的检测。汽车白车身整体误差 测量是国内外汽车工业的一项重要课题，由于汽车车身复杂，特征点、线、面多 因此白车身检测的难度较大。目前，发达国家采用的方法是在生产线上建立车身 整体误差测量站，针对重要的车身特征点、线、面，设置相应的二维视觉传感器。 但是，由于要设置几十至上百个二维视觉传感器，因此快速调整、离精度定位二 维视觉传感器便成为国内外该领域内攻关的关键技术。“虚拟定位技术”正是针 对这一问题而提出的一种新方法，用来满足汽车自车身整体误差测量的技术要 求。虚拟定位技术是一种多维参数的综合调整方法，又是一种空间图形定位方法， 即在计算机屏幕上虚拟出视觉传感器的理想位置和实际位置，通过调熬两个位置 的重合达到对传感器定位的目的，因此调整直观、便捷、精度高。【l 】 1 1 2 自车身测量方法的发展 用于白车身尺寸检测的方法有：手工测量法( m a n u a lg a u g e s ) 、划线机法 ( l a y o u tm a c h i n e ) 、通用机器人法( g e n e r a lp u r p o s er o b o t s ) 、坐标测量机法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 、白车身检测机器人法( b o d y i n w h i t ei n s p e c t i o n r o b o t s ) 和最毅发展的视觉测量法( v i s i o nm e a s u r i n gs y s t e m ) 。 专用手工测量法是应用最广的，但由于造价昂贵、不可编程且速度幔，尤其 是它需要人工重复调整、操作，其应用在逐渐减少。计算机控制的测绘缩放仪具 有柔性和足够的精确度，但没有足够的速度，通常把它们用于很精确的离线检测 和车身装配夹具的检测。通用机器人装载个测量探头( 有时是非接触的) ，可 以完成车身的在线检测，这种方法具有柔性、快速、结构紧固等优点；缺点足： 精度不高、缺乏强有力的检测路线和数据处理能力。通用坐标测量机( c m m ) 精确、柔性，并提供出色的数据处理能力，但速度慢，造价高，且不适合于在工 厂车间环境中工作。白车身检测机器人属于专用机器人，意大利的d e a 公司率 先使用了b r a v o 检测机器人；这种方法类似于c m m ，但速度比较快；它测点时， 需已知该点的法矢量，而法矢量的确定要测该点邻近的三点，三点确定一个平面， 这样，测量效率就大大降低。 视觉检测设备展现了车身测量的最新方法，它通常被认为是评价窀问形位误 差的最新技术。摄像机安装在测量站的机械框架上，可以完成单个点或线的探测， 检测过程是通过与一个参考基准比较而完成的。从总体来看，实现1 0 0 在线车 身或分总成的检测，视觉方法无论从性能、造价和技术等方面考虑都是最佳的选 择。【2 】 1 2 虚拟定位技术的研究应用现状 虚拟定位技术现在主要的应用领域是在医学上，很多情况下使用圈形定位技 术可以使手术更加智能化，如介入式核磁共振( m r ) 成像仪， 3 3 一种机器人辅 助的摄4 , 6 , 1 伤神经外科手术法中，1 4 种通过分析三维图形来分析人体运动的 系统等1 5 1 都运用了虚拟定位技术。虚拟定位技术应用于汽车白车身整体误差的检 测中，另外也用于快速实现两个相互独立的多维坐标系之间的整体校准。所谓整 体校准就是确定两个坐标系之间的转换关系，从而达到对被测物测量坐标上的统 一。传统的校准方法往往是在两个坐标系中分别测量同标准具上的多个点来实 现转换，测量参数多且非常耗时。如果采用虚拟定位技术，则只用调节其中一个 坐标系，使标准具上特征形状的三维实际阉形与三维标准图形重合。由于此特征 形状同时处于两个多维坐标系之中，因此以此特征形状为媒介即可通过内部程序 完成转换关系。 在美国，某些计量测试仪器采用了二维图形虚拟定位方法来进行测量。例如 美国a p i 公司使用电容测微仪进行轴系误差的测量时，电容测微仪与旋转轴之间 天津大学硕士学位论文 笛一毒绪论 ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 、白车身检测机器人法( b o d y i n w h i t ei n s p e c t i o n r o b o t s ) 和最新发展的视觉测量法( v i s i o nm e a s u r i n gs y s t e m ) 。 专用手工测量法是应用最广的但由于造价昂贵、不可编程且速度幔，尤其 是它需要人工重复调整、操作，其应用在逐渐减少。计算机控制的测绘缩放仪具 有柔性和足够的精确度，但没有足够的速度，通常把它们用于很精确的离线检测 和车身装配夹具的检测。通用机器人装载一个测量探头( 有时是非接触的) ，町 以完成车身的在线检测，这种方法具有柔性、快速、结构紧固等优点；缺点足： 精度不高、缺乏强有力的检测路线和数据处理能力。通用坐标测量机( c m m ) 精确、柔性，并提供出色的数据处理能力，但速度慢，造价高，且不适合予在 厂车间环境中工作。白车身检测机器人属于专用机器人，意大利的d e a 公司率 先使用了b r a v o 检澜4 机器人；这种方法类似于c m m ，但速度比较快：它测点时， 需已知该点的法矢量，而法矢量的确定要测该点邻近的三点，三点确定一一个甲面， 这样，测量效率就大大降低。 视觉检测设备展现了车身测量的最新方法，它通常被认为是评价空间形位误 差的最新技术。摄像机安装在测量站的机械框架上，可以完成单个点或线的探测， 检测过程是通过与一个参考基准比较而完成的。从总体来看，实现l ( 1 0 在线车 身或分总成的检测，视觉方法无论从性能、造价和技术等方面考虑都是嚣佳的选 择。f 2 】 1 2 虚拟定位技术的研究应用现状 虚拟定位技术现在主要的应用领域是在医学上，很多情况下使用图形定位技 术可以使手术更加智能化，如介入式榱磁麸振( m r ) 成像仪，j 一种机器人辅 助的最d , g , l 伤神经外科手术法中，1 4 1 一种通过分析三维图彤来分析人体运动的 系统等口1 都运用了虚拟定位投术。虚拟定位技术应用于汽车白车身整体误差的检 测中，另外也用于快速实现两个相互独立的多维坐标系之间的整体校准。所谓整 体校准就是确定两个坐标系之间的转换关系，从而达到对被测物测量堆标上的统 一。传统的校准方法往往是在两个坐标系中分别测量同标准具上的害个点柬实 现转换，测量参数多且非常耗时。如果采崩虚拟定位技术，则只用调节其中个 坐标系，使标准具上特征形状的三维实际圈形与三维标准图形重合。由于此特征 形状同时处于两个多维坐标系之中，因此以此特征形状为媒介即可通过内部程序 完成转换关系。 在美国，某些计量测试仪器采用了= 维图形虚拟定位方法来进行测量。倒蜘i 美国a p l 公司使用电容测微搜进行轴系误差的测量时，电容测微仪与旋转轴之问 美国a p l 公司使用电容测微仪进行轴系误差的测量时，电容测微仪与旋转轴之问 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的二维相对位置的变化可由图形变化而明显地观察到。使用该电容测微仪，电容 测头的安装和设定极为方便，因此很受用户的欢迎。 把图形定位方法扩展到三维空间，并使这l 技术产品化，必将有j j 泛豹应用 市场。例如测量复杂的曲面形状：轮船螺旋桨、飞机发动机叶片、石油钻井中的 抽油泵叶片及汽车车身模具等产品。根据国内外的这生产和高科技市场的需 求，我们认为该项研究将具有较大的经济效益和社会效益并具有广泛的应用前 景。 1 3 本论文的主要内容 本课题是一个基金课题的子课题的深入及应用研究，论文围绕虚拟定位技术 主要探讨了以下几个方面的内容： l 、二维视觉传感器是虚拟定位技术的关键部件，论文详细阐述了它的机械 结构、测量原理，并介绍了一种二维视觉传感器定标调整的新方法。 2 、在二维视觉传感器测量原理的基础上，介绍了虚拟定位技术的实现方 法。其中包括了虚拟定位技术如何应用于汽车白车身整体误差检测中并 使定位过程更加直观、快捷。同时也介绍了虚拟定位技术中理想三角形 和实际三角形的实现方法。 3 、介绍了虚拟定位技术的图像处理方法。虚拟定位中实际三角形的获取是 通过图像处理实现的，这也是实现虚拟定位技术的关键。因此本论文详 细地对虚拟定位技术的图像处理方法进行了阐述。 4 、对虚拟定位技术中涉及的机械部分进行了设计，并给予详细介绍：另外 标定调整部分涉及到的电路，论文也给予了原理介绍和实现。 5 、屏幕上的理想三角形和实际三角形是很难达到完全重合的，因此必须给 出一个适合虚拟定位的评定实际三角形和理想三角形重合的位置误差 评定方法。论文介绍了双三角形重合的误差评定方法，最终采用了最小 二乘法。 6 、虚拟定位技术作为一种空间图形定位方法，必须达到一定的精度才能应 用于实际中，同时研究虚拟定位技术也才有意义。本论文设计了运用多 自由度工作台进行重复性精度实验的新方法，其结果证明虚拟定位技术 有很高的重复性精度。 7 、对系统进行了重新设计，整套装置已经加工实现，并设计了应用于训练 学生综合实验技能的实验台和教程。 天津大学硕士学位论文第二章二二维视觉传感器的结构及模型与原理 第二章二维视觉传感器的结构及模型与原理 2 1 二维视觉传感器的结构 2 1 1 结构光传感器 线结构光传感器是一种轮廓传感器，主要用于测量定点位置、法向截面尺0 及棱边位置等。它主要有两部分组成，即c c d 摄像机和光带发生器，如图2 l 所示。结构光传感器通过激光器发射一光带到物体表面，散射光被c c d 摄像机 接收，从而获得物体表面的截面形状或轮廓。通过分析光带在像空问的坐标，可 以得到物体截面在物空闯的坐标。f q c c d 摄像机 光带发生器 侍感嚣 图2 1 线结构光传感器的结构图 2 1 a l 二维视觉传感器 虚拟定位技术中所用的二维视觉传感器主要由两部分组成：线光发生系统和 成像系统。线光发生系统由激光光源与柱面镜组成，成像系统由平丽镜l 与面阵 c c d 摄像机组成，所有的装置都固定在底板上，其结构如图2 - 2 所示。 光平 被测 图2 - 2 二维视觉传感器的结构 板 阵c c 嘴像机 天津大学硕士学位论文 第二章二维视觉传感器的结构及模型与原理 面阵c c d 摄像机、平面镜1 与平面镜2 相对底板位置固定且不可调；激光 光源与柱面镜的相对位置固定，但它们组成的线光发生系统与底板的角度可调， 激光光源发出的激光经过柱面镜形成一条光带，它对应于下面介绍的线结构光模 型中的光平面p 。平面镜2 用于反射光线，通过调整线光发生系统，呵以调整光 平面的方向。 实验中应用的面阵c c d 是敏通公司的m s 3 6 8 p ，其规格为7 6 8 ( h ) x5 7 6 ( v ) 象素，成像面积为4 9 r a m 3 ，7 m m ，水平方向上的相邻两缘素之间的距离为6 3 8 卢m ，垂直方向上相邻两象素之间距离为6 4 2 。镜头选用的是精工 f 2 5 3 8 4 1 m m 。激光光源用的是半导体激光器，波长范围为6 3 0 r i m ，6 8 0 r m a ，并将 其发光面元放在柱面镜的焦线上，使其在一个方向( 光斑短轴方向或发散较小的 方向) 进行准直，而在另一个方向( 长轴方向或发散较大的方向) 让它自由发散， 即在空间形成光平面。 c - - - ，i 亩h 图2 3 图像经平面镜折射及计算机采集后的翻转 由于成像系统中使用了平面镜l ，图像坐标系将发生相应的镜像变化，由折 射前的右手坐标系变化为折射后的左手坐标系，如图2 3 所示( 线结构光模型见 下节) 。同时图像由面阵c c d 采集到计算机的过程中还发生了图像翻转变化，最 终采集到计算机屏幕上显示的图像如图2 - 3 所示，图像中x i 轴方向向上，轴 方向向左，坐标原点在图像几何中一t 3 处。但计算机在存储图像数据时是用二维数 据点阵按从上到下，再从左到右来存储的，此点阵的原点在图像左上角，向右为 x 轴正方向，向下为y 轴正方向，如图2 - 4 中( 1 ) 所示。i 图2 - 4 中( 2 1 对应下一节介绍的线结构光模型中的图像坐标系，假设图像大小 为m x n 个像素，则把计算机数据点阵坐标( x ，y ) 转换为图像坐标系坐标( 斯，y 一) 的 转换公式为： 天津大学硕士学位论文第二章二维视觉传感器的结构及模型与燎理 旧= ( 恍一y ) o 0 0 6 4 2 i y i = ( 一x ) o 0 0 6 3 8 实际应用中m 取4 8 0 ，n 取6 4 0 一匕式改写为： = ( 2 4 0 一y ) o 0 0 6 4 2 l y 一( 3 2 0 一x ) o 0 0 6 3 8 j i x 1 0 ( x l ，y i ) 图2 - 4 计算机数据点阵坐标到图像坐标系坐标的变换 2 2 二维视觉传感器的模型与原理 2 2 1 二维视觉传感器的模型 二维视觉传感器是一种基于线结构光法的视觉检测器件，所以是一种轮廓传 感器。它通过在被测区域投射一个高对比度的激光带，用面阵c c d 摄像机接收 散射光，从而获得表面截面形状或轮廓。建立线结构光模型，如图2 5 所示。 图2 5 线结构光模型 模型中有两个坐标系：( x g ，y g ，z g ) 和( x i ，y i ，z i ) ，前者表示物体坐标的模 块坐标系，后者表示物体成像的图像坐标系。( x i ，1 n ，z i ) 成右手系，o 。为像平 面的中心。物体坐标的模块坐标系( x g ，y g ，z g ) 是由图像坐标系( x i ，y i ，z i ) 与线 天津大学硕士学位论文 第二：章二维视觉传感器的结构及模型与原理 结构光面p 唯一确定的。z ，轴斜向下，它与光平面p 的交点即为坐标原点o 。； z 。轴在光平面p 内，且在图像坐标系z 。轴和x ，轴所决定的平面内，方向朝上； 轴在光平面p 内；x 。轴垂直于光平面p 。这样模块坐标系( x g ，y g ，z g ) 就唯一 确定下来了。但在此线结构光模型中，有一个附加结构要求，即匕平行于， 这是为了简化结构的需要。 8 1 1 9 l 2 2 2 二维视觉传感器的原理 二维视觉传感器是进行虚拟定位的关键部件，现对其测量原理基于t 面的数 学模型进行介绍。 假定被测物体的表面形状为简单曲面：z = f ( 爿，) 该函数单值、连续、且不出现盲区。则曲面与光平面相交的曲线a b 的方程为： 胆2 0 f 2 _ l 忍= f ( x g ，增) 。 它在视场内的线段经透镜成像于像平面x i o c y i 上，如图2 - 6 所示： b 。 o c i 一 天津大学硕士学位论文第三章二维视觉传感器的标定 t g p = 一m2 x r n f m 可弼而 再将( 3 7 ) 式及竹 f ( m 2 一l q2 ) 等代入( 3 - 3 ) 式可得 d 。= n ( x mc o s 3 + f s i n 毋1 + f s i np ( 3 7 1 ( 3 8 1 综上所述，只要测出x ”x 。和r 的值，再加上已知的k 、a z 。，我们 就可以算出二维视觉传感器的结构参数，从而唯一的确定出我们所构造的测头模 块的各种空间尺寸。 1 9 1 ( 2 。1 3 2 2 定标方法 在定标原理中，假设的定标条件是：光平面垂直于标准块的棱边a 、b 入射 且z g 轴垂直于基准平面。式( 3 3 ) 中蚱的大小代表的是像为线段l l 的交线的原 始长度，它必须是预先可测量的，在此取标准块上表面两平行棱a 、b 之间的垂 直距离，所以光平面与标准块的交线必须符合这个要求，即垂直于棱边a 、b ； 另一方面，在公式( 3 - 4 ) 中，z 。也必须是预先可测量的，在此取标准块的高h ， 为了使标准块的高h 能正确代表模块坐标系( x g ，y g ，z g ) 中z g 轴方向的增 量z 。的大小，要求z g 轴垂直于基准平面，即垂直于标准块的一卜i 下底面。 根据上面两个要求，我们的定标实验分两步进行，首先调整光平暖与基准平 面之间的关系，即调整二维视觉传感器，使z g 轴垂直于基准平面，此时光平面 也垂直于基准平谣；然后再调整标准块与光平露之间的关系，即调整标准块，使 光平面垂直于标准块的棱边a 、b 入射。 1 调整光平面与基准平箍的位置关系： 在以前的研究中，调整光平面与基准平面垂直采用的是自准直仪法，其中 要用到几组平晶，调接非常复杂，而且观察的图像非常模糊所以调整很费力。 为达到调整目的，我们设计了一套简单的调整装置即光面位置调整仪，此 方法的原理是光电二极管对光强的感应，光强不同，则光电二极管输出电压不 同，下面进行详细介绍。 调整原理如图3 1 0 所示，图中反射镜与基准面的夹角为4 5 0 ，光平面经反射 镜反射，如果入射面垂赢基准面，则反射面平行于基准丽。在靠近反射镜的位嚣 一放一个光电二极管电路，在较远的位置并排放置两个光电二极管电路，如图所 示的位置二和位置三，三个电路装置的光强接收部位高度相同。如果反射光平面 与基准面平行，在光平面的同一高度上光的强度柱同，即知入射到三个光电二极 管的光强相同，则光电二：极管的输出电压也相同，详细结构和原理在第五章介绍。 天津大学硕士学位论文 第三章二维视觉传感器的标定 根据以上原理，不断调整传感器和反射镜的位置，当三个位置的电压输出相同f f l 反射光平谣与基准平面平行，那么反射前光平面就垂直于基准平面。 2 1 - 2 4 1 图3 1 0 调整原理图 2 调整定标标准块与光平面之间的位置关系： 调整光平面与基准平面垂直之后，移去调整装置，将定标标准块放在基准平 面上，并使其上表面与光平面相交，然后调整标准块的位置，使标准块上表面的 a 、b 两条棱边与光平面垂直。调整过程在c c d 像面上的成像如图3 1 1 所示。 y 图3 1 1 调整光平面与标准块相对位置所成的像 一c i - ， l y i ， ( 1 )( 2 ) 图3 1 2 调憨光平面与标准块相对位置的过程 通过图像处理，提取出光平面与定标标准块上表面交线的直线段l ，荐提 取出标准块上表面棱边c 的直线段c ，并在计算机屏幕上画出此两线段， 其中 1 8 天津大学硕士学位论文 第三章二维视觉传感器的标定 l 始终在同一直线上，如图3 ，1 2 中( 1 ) 所示。调整标准块的位置，使c7 与l 平 行，如图3 1 2 中( 2 ) 所示，这时光平面与标准块的a 、b 两条棱垂直。 3 2 3 定标过程 将光平面调至与基准平面垂直后，符合所建模型，也即达到了标定的条件。 调整定标标准块，使光平面垂直上表面两平行棱边后，就可以根据光平面与标准 块的交线所成的像( 如图3 9 ) ，测出x 。、工，和f 的值。又因为、皑。是 事先已经测好的值，我们可以根据( 3 7 ) 式与( 3 8 ) 式计算出结构参数声与d p c 的 值。从而唯一的确定出模块坐标系( x g ，y g ，z g ) 与图像坐标系( x i ，y i ，z i ) 的转换关系。 3 2 4 定标结果 用上述方法对传感器进行校准和定标，需要测出彳”。和r 的值，测量 通过软件实现，由工作界面显示记录x 舻x 。和l 的实验数据，如表3 - 3 所示。 表3 - 3 标定实验数据记录 x i o ( m m )x i l ( m m ) a x i ( m m )y i ( m m l 10 3 1 50 4 8 10 7 9 71 7 4 5 2 0 - 3 1 60 4 8 10 7 9 71 7 4 6 3 一o _ 3 1 60 4 8 20 7 9 61 7 4 6 4一o 3 1 6 0 4 8 10 7 9 71 7 4 7 5o _ 3 1 70 4 8 1 0 7 9 81 7 4 6 60 3 1 60 4 8 00 7 9 7 1 7 4 4 7o 3 1 70 4 8 10 7 9 91 7 4 6 8 o _ 3 1 60 4 8 30 7 9 71 7 4 6 9一o 3 1 5 0 4 8 10 7 9 71 7 4 8 1 0o 3 1 6 0 4 7 90 7 9 51 7 4 6 平均 一o 3 1 60 4 8 1 0 7 9 71 7 4 6 匕、z 。的值已知，它们是标定前就已经测量好的，当x ”x n 和r 的 数值测出眺后，我们就可以根据公式( 3 7 ) 与公式( 3 8 ) 算出二维视觉传感器的结构 参数声与d p c 的值，然后就可以得到二维视觉传感器的坐标转换方程。最后的 数据结果见表3 - 4 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章二维视觉传感器的标定 表3 - 4 标定实验的结果 面阵c c d 的透镜焦距( 标定值)f = 2 5 3 8 4 m m 定位量块上表面a 、b n 棱之间的距离( 事先可测) a 匕= 3 8 3 3 r r m l 定位量块的高( 事先可测) a z g 。= 4 01 5 m m x 。( 取1 0 次结果的均值) 肖j 0 2 0 3 1 6 m m 鼻，( 取1 0 次结果的均值)，l2 0 4 8 i r r m l 世( g s ( 1 0 次结果的均值) a x = o 7 9 7 m m z x r , ( 取1 0 次结果的均值) y ：= 1 7 4 6 m m 芦 1 3 = 一2 6 9 1 6 。 d d 2 2 4 6 8 9 6 m m 将以上数据带入( 3 一1 ) 式和( 3 - 2 ) 式可以得n - 维视觉传感器的坐标转换 方程： 3 3 定标误差鉴定与测量 对定标后的二维视觉传感器，为了鉴定标定和测量精度，我们可以进行一一系 列实验来验证。在此主要进行了重复性误差实验，对= 维视觉传感器的标定误差 进行鉴定。另外，标定后的传感器可以进行简单的二维长度测量，并可以鉴定测 量的精度。 1 重复性误差实验： 把一上表面为平面的标准块放在二维视觉传感器的测量范围内，并通过调整 使其上表面垂直于光平面且与y i 轴平行。保持标准块的位置不动并对其j 二表面 的z g 坐标值进行5 次测量，5 次数据的最大值与最小值之差的绝对债即为二二维 视觉传感器的重复性误差。重复以上实验三次，取三次实验中重复性误差的最大 值作为二二维视觉传感器的重复性误差。 误差实验的测量也是通过软件实现的，根据界面的显示记录数据，最终的实 验数据如表3 - 5 所示： 一一一一一 天津大学硕士学位论文 第三章二维视觉传感器的标定 表3 - 5 ：重复性误差实验数据( 单位：m m ) l2345 i a z g l 。、 第一次实验 1 5 1 1 01 5 1 1 71 5 1 1 11 5 1 0 91 5 1 0 60 o l l 第二次实验 2 0 - 3 1 52 0 ，3 0 3 2 0 - 3 1 02 0 3 0 82 0 3 1 2o 0 1 2 第三次实验 3 0 8 8 53 0 9 0 33 0 8 8 03 0 8 9 63 0 8 8 700 2 3 重复性误差 0 0 2 3 由以上实验数据可以看出，二维视觉传感的重复性误差能达到o0 2 r n m 。 2 精度实验： 标定后的二维视觉传感器可以进行简单的二维测量i 但位置要固定，即为标 定时确定的位置。如果位置改变，要重新调整光平面与基准平面垂直，再用橱准 块进行标定。由于光面位置调整仪的运用萃软件的成功编制，此调整标定过程很 简单很方便。 二维视觉传感器标定以后，不改变传感器的位置，将一高度固定( h = 2 5 1 m r a ) 上表面为正方形( a = 4 9 9 r a m ) 的标准块放在基准平面上，若置于二维视觉传感 器的测量范围内，调整标准块的位置使光平面垂直上表面的两条平行棱边。然后 通过软件运行，可以对标准块的高度和上表面的长度即边长进行5 次测量。通过 界面显示记录数据，最终实验数据如表3 - 6 所示： 表3 - 6 ：精度实验数据( 单位：m m ) 123 45 i h h i 。l n 一。i h 2 5 0 7 2 2 5 0 9 42 5 1 6 22 5 0 2 32 5 0 8 6 0 0 7 7 a ， 4 9 8 8 04 9 8 5 04 9 9 1 04 9 9 8 5 4 9 9 2 50 0 8 5 由以上实验数据可以看出，二维视觉传感器标定好以后，可以进行简单的2 2 2 维长度测量，并且测量的精度能达到o ，t r n n z t 。 天津大学硕士学位论文 第四章虚拟定位技术的介缁 第四章虚拟定位技术的介绍 汽车自车身整体误差测量是国内外汽车工业的项重要课题，由于汽车车身 形状复杂，特征点、线、面多，因此白车身检测的难度较大。目前，发达国家采 用的方法是在生产线上建立车身整体误差测量站，针对重要的车身特征点、线、 面，设置相应的二维视觉传感器。但是，由于要设置几十乃至上百个1 1 2 维视觉传 感器，因此快速调整、高精度定位二维视觉传感器便成为国内外该领域内一项关 键技术。“虚拟定位技术”正是针对这一问题而提出的种新方法，用来满足汽 车自车身整体误差测量的技术要求。虚拟定位技术是一种多维参数的综合调整方 法，它不同于传统的数字调整方法，它又是一种空间图形定位方法，即在计算机 屏幕上虚拟出视觉传感器的理想位置和实际位置，通过调整理想位置和实际位置 的重合来达到精确定位的目的，因此调整直观、便捷、精度高。 4 1 虚拟定位技术的原理 4 1 1 虚拟三角形 根据前面对二维视觉传感器的讨论，二维视觉传感器从像空间坐标系到物空 间坐标系的转换表达式为： x g = 0 t ：一凳= 鲁r ( 4 - 1 ) 1g x j c o s8 s i n8 。； z 。：i 善坐笔 二= 一 8 s 岫声( ，c o s p + f s i n 声) 由于x g 始终为零，从像平面坐标系x i m 到物空间平面坐标系y g z g 的 变换表达式为： ，：一 ! ! 翌生二竺丝 r 1 。x r c o s ，p + f 。s i n 。p 。 ( 4 2 ) 驴互篙坐煞置 一 8 s i n 卢( x ，c o s + f s i n 卢) 1 其中y g z g 平面坐标系在二维视觉传感器的光平面内。对于已经调整和定 标好的二维传感器，表达式中参数d p c 和为已知，对于像平面x i y if 二任何 天津大学硕士学位论文 第四章虚拟定位技术的介绍 点，在物空间y g z g 平面上有唯一一点与之对应，因此只要求出像面的坐标 ( x i ，y i ) ，就可以根据公式( 4 2 ) 求出其在物空间的坐标( y g ，z g ) ，这就是二维视 觉传感器的测量原理。对( 4 2 ) 式求逆变换，得到从物空间y g - - z g 平面坐标映射 到像平面x i 一坐标的数学表达式： 对于图2 - 5 中所示的线结构光模型，如果在物空间y g - - z g 平面上设定一个 三角形，如图4 1 中的虚线三角形a b c ，则可以由公式( 4 - 3 ) 在像平面x i m 上 虚拟出一个对应的三角形a b c ，如图4 2 中虚线三角形所示。虚拟定位技术正 是利用此原理在面阵c c d 的像平面上虚拟出二维视觉传感器对应的调整参照物 ( 正四面体) 在空间中的理想位置( 理想三角形) ，并将此理想三角形在计算机 屏幕上画出且让其固定保持不动。 图4 - 1 在物空间设定出一个三角形 y i a f c ， 、， b 7 图4 2 物空间设定三角形在像空间中对应的虚拟像 天漳大学硕士学位论文第四章虚拟定位技术的介绍 4 。1 2 虚拟定位技术的原理 为实现在没有标准车身的情况下，快速、准确地将视觉传感器定位到理想的 位置上，我们设计了两种系统的总体方案柬建立主坐标系： 一种方案为采用激光跟踪仪建立六维空间