[发明专利]一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法

权利要求书

1.一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)相机标定阶段：采用标定模板，对相机进行畸变校正；

b)图像预处理阶段：打开线激光器照射标定模板，并采集有激光光条的标定模板图像，对图像进行灰度化处理，然后再进行二值化处理，得到光条图像；

c)激光光条中心坐标亚像素精度提取阶段：计算步骤b)得到的光条图像与二维高斯函数模板的卷积，然后计算Hessian矩阵得到光条法线方向的单位向量，并将光条横截面上任一点为基点，将光条图像的灰度分布函数做二阶泰勒级数展开，最终得到光条横截面上中心点的精确位置；

d)激光光平面标定阶段：根据相机标定结果和激光光条坐标，得到激光线的真实世界坐标，并采用最小均方拟合方法，求得激光光平面方程；

e)待测工件三维轮廓重建与测量阶段：使用相机和线激光器，对传送带上的待测工件重复步骤b)、c)，然后根据步骤d)中得到的激光光平面方程，得到待测工件的真实三维世界坐标，并将全部图像中光条纹中心的三维坐标按平移台的运动方向和间距拼接，获取被测物体表面整体的视差图像，将被测工件表面的三维数据点组成三维点云图像，然后进行Delaunay三角剖分轮廓重建，最终获得待测工件的三维重建模型；

所述相机标定阶段，包括如下步骤：

步骤1：基于张正友平面标定法，采用9×6的标准黑白棋盘格，假设棋盘格位于Z＝0的平面上，每个棋盘格的尺寸为25mm，将棋盘格标定模板放置于传送带上，标定过程中使传送带保持静止，并变换棋盘格在不同的摆放位置，通过CCD相机获取一组不同摆放位置下的标定模板图像；

步骤2：提取棋盘格角点，获取角点的图像坐标；

步骤3：输入棋盘格角点的三维坐标以及获取的图像坐标，进行相机标定，计算出焦距，畸变系数并对输入图像进行畸变校正；

步骤4：考虑径向畸变和切向畸变的影响，对输入图像进行畸变校正；

所述图像预处理阶段，包含如下步骤：

步骤1：关闭线激光器，控制相机拍摄一张标定棋盘格标定模板图片并保存为I₁，作为激光光条中心提取的参考图片；

步骤2：打开线激光器，控制相机拍摄一张包括激光光条的棋盘格标定模板图片并保存为I₂，用于激光光条中心位置的提取；

步骤3：读入I₁和I₂，创建一幅与I₁和I₂尺寸相同的目标图像I₃；并将I₁和I₂在RGB三个通道的灰度值相减，得到每个通道的灰度差值为r，g，b；根据公式mag＝(r*r+g*g+b*b)/(255*3)计算出mag值，

步骤4：如果mag值大于220，则将I₃中每个通道赋值为mag，否则，从通道0到通道2分别赋值为[0，mag，mag]；

步骤5：将I₃灰度化，得到灰度图像I₄；

步骤6：对I₄进行3×3中值滤波，得到图像I₅，以降低光条中心点像素领域内孤立的噪点影响，提高激光光条中心提取的精度；对图像I₄，(i,j)表示像素点位置，I₄(i,j)表示该像素点的灰度值，W_n(i,j)表示中心为(i,j)，大小为n的滤波模板；当n＝3时，中值滤波的模板为：

输出图像中I₅(i,j)的灰度值等于该模板中元素值的中值；

步骤7:二值化处理

设中值滤波后图像为I₅，选取阈值Th来对图像I₅进行二值化分割，则分割后的图像为：其中1为白色，0为黑色，I₅(i,j)为灰度图像I₅中点(i,j)的像素值；阈值Th通过采用OTSU方法确定；

所述激光光平面标定阶段，包含如下步骤：

步骤1：假设提取的激光光条坐标为(u,v),结合相机标定结果，则可以计算出激光线在相机坐标系中的坐标；

步骤2：求出激光线的真实世界坐标[X,Y,Z]为：

步骤3：确定激光平面方程AX+BY+CZ+D＝0；使用最小均方拟合即LSF的方法计算A，B，C，D，通过最小化从所有真实世界坐标系下三维点[X,Y,Z]到光平面距离的平方和，来决定最佳拟合的平面参数；令第i个点到光平面的法线距离为P_i，且m是点的数目；由此，即可求得激光光平面方程；

所述待测工件三维轮廓重建与测量阶段，包括如下步骤：

步骤1：移除标定棋盘格模板图片，使用CCD相机获取传送带上待测工件的图像，并重复上述图像预处理过程；

步骤2：从预处理后图像中，重复上述激光光条中心提取过程，进一步提取出待测工件图像中激光光条中心的坐标位置；

步骤3：根据所求激光光平面方程，以及待测工件真实三维世界坐标计算公式：

即可求出待测工件的真实三维世界坐标；

步骤4：计算出每一幅图像中光条纹中心的三维坐标，并将全部图像中光条纹中心的三维坐标按平移台的运动方向和间距拼接，即可获取被测物体表面整体的视差图像，

步骤5：将获得的被测工件表面的三维数据点组成点云图像；对获得的三维点云图像进行Delaunay三角剖分轮廓重建，即可获得待测工件的三维重建模型。