一种小空间复杂精密工件几何尺寸在线动态视觉测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及小空间复杂精密工件几何尺寸在线动态视觉测量技术，尤其涉及一种 在狭小空间内基于单个摄像机和光条投射器形成的多视点测量的小空间复杂精密工件几 何尺寸在线动态视觉测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、船舶、汽车、能源设备等国家重点行业中，重大装备关键核心精密机 械工件的高质量、高精度加工对实现我国国民经济发展和国防现代化建设具有重要意义。 在重大装备关键核心精密机械工件的加工过程中，在线实时测量机械工件关键部位尺寸并 反馈指导加工，可显著提高机械工件的加工效率及加工质量，降低废品率。
[0003] 目前复杂精密工件几何尺寸测量主要包括接触式和非接触式两种。接触式检测技 术是目前生产中较多采用的一种测量方法，但存在效率低、精度差等问题。尤其是在测量内 腔尺寸、孔洞尺寸是存在困难，更无法实现在线动态测量。非接触式检测技术主要有激光跟 踪仪、3D激光测距仪、全站仪、经炜仪、视觉检测技术等。随着计算机技术、电子学、光学技术 的日趋完善以及图像处理、模式识别等技术的不断进步，视觉测量技术得到快速发展。线结 构光法和光栅结构光法是目前应用最广泛的三维动态视觉检测方法。线结构光法和光栅结 构光法具有设备简单、自动化程度、光条投射器功率和波长可灵活选择、适合动态测量等优 点。两者的主要区别是：线结构光法投射一根光条，测量物体一个表面轮廓；光栅结构光法 投射多根光条，测量物体多个表面轮廓，光栅结构光法更具效率。
[0004] 以上结构光视觉检测法中介绍的测量系统都是单视点测量，只可以测量摄像机前 方有限区域，无法实现多视点测量。但是在测量复杂精密机械工件的几何尺寸时，尤其是测 量机械工件内腔宽度、高度，或孔径等几何尺寸时，单视点测量系统由于受视场限制和物体 遮挡等因素无法完成测量任务，因此需要测量系统具有多视点测量功能。
[0005] 目前，根据全局统一方式的不同，多视点测量主要分为两大类：流动式视觉检测法 和多传感器视觉检测法。流动式视觉检测法通过单个三维扫描仪以流动方式测量整个工 件，通常以粘贴在工件上的标志点或放置在工件前的靶标为中介，将所有流动测量得到的 子区域局部数据统一到全局坐标系。也有将三维扫描仪与机器人或高精度三维移动台结合 将每次三维扫描仪测量的局部数据统一到全局坐标系。该类方法优点是适合工业现场静态 测量，但无法实现狭小空间内部尺寸测量，也无法实现动态测量。多传感器视觉检测法在测 量前完成多视觉传感器全局标定，测量时根据全局标定结果，将每个视觉传感器测量的子 区域数据统一到全局坐标系下。该方法原理简单，可以实现整个工件几何尺寸测量，但存在 多视觉传感器现场全局标定困难，全局标定后各传感器之间位置容易发生移动导致测量精 度下降或失效等局限性。
【发明内容】
[0006] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仅采用单个摄像机和光条 投射器就可以在狭小空间内进行多视点测量的小空间复杂精密工件几何尺寸在线动态视 觉测量系统及方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种小空间复杂精密工件几 何尺寸在线动态视觉测量系统，所述复杂精密工件是指形状和结构复杂精致细致的工件， 多存在内腔和孔洞，测量时需要进入内腔和孔洞之中，因此测量空间狭小受限，为了能在狭 小受限空间内测量内腔、孔洞等的几何尺寸，所述测量系统包括：多视点光栅式立体视觉传 感器光学探头、光栅光条投射模块、光栅图像成像及采集模块、包含图像分析及数学计算模 块和标定模块的测量系统软件、计算机以及相关附件。计算机通过光栅光条投射模块将光 条图像投射在光学探头底部的多平面反射镜片上反射到被测工件上，光栅图像成像及采集 模块将通过光学探头形成的多视点立体视觉光路将立体视觉图像传送到计算机内存中，计 算机内测量系统软件中的图像分析及数学计算模块处理光条图像，并结合标定结果计算出 被测工件的几何尺寸。
[0008] 所述多视点光栅式立体视觉传感器光学探头下部为一个四平面反射镜，上部为一 个五平面反射镜片。通过光学探头下部四平面反射镜和上部五平面反射镜构成具有较大基 线距的四个立体视觉光路。同时，下部四平面反射镜中有通孔，内放置摄像机用的微型镜 头；上部五平面反射镜片中也有一通孔，内放置光条投射器用的微型镜头。经光纤传输，光 条投射器发出的光条图案通过底部四平面反射镜照射在被测工件上。通过光纤传输立体视 觉图像到摄像机成像芯片上，再传送到计算机内存中。
[0009] 所述光栅光条投射模块主要包括光条投射器、转接镜头和传输投送光条图像的光 纤传输线。光栅图像成像及采集模块主要包括摄像机、控制器、转接镜头和传输图像的光纤 传输线。光栅光条投射模块中的光条投射器将光条图像经过转接镜头通过光纤传输线传送 到多视点光栅式立体视觉传感器光学探头上的光条投射器用微型镜头上，再经过微型镜头 投射到被测机械工件上。光栅图像成像及采集模块中的摄像机通过控制器控制，采集经过 多视点光栅式立体视觉传感器光学探头上的图像，再将图像传送到计算机内存中。
[0010]图像分析及数学计算模块，主要负责分析和处理传送到计算机内存中的光条图像 数据，得出匹配好的光条图像后代入系统数学模型，计算出被测工件的几何尺寸。
[0011] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中的多视点光栅式立体视觉传感器光 学探头设计是一种简单、紧凑的光学结构，仅采用一个摄像机和光条投射器就可以实现小 空间多视点光栅式双目立体视觉测量。光栅光条投射模块设计和光栅图像成像及采集模 块设计是采用小型镜头和光纤结合的方式，通过设计相应光路将光条投射器的光条图像投 射到被测工件上，同时将光学信号传导到摄像机成像芯片上实现成像并传送到计算机内存 中。图像分析及数学计算模块是系统软件结构，通过分析内存中的图像数据，提取图像特征 并结合系统标定结果实现狭小空间复杂精密工件几何尺寸在线动态测量。该系统具有结构 紧凑小巧、测量自动化程度、系统组成简单等特点，非常适合在狭小空间内实现复杂精密工 件几何尺寸的在线动态测量。
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例的一种基于单摄像机的小空间复杂精密工件几何尺寸在线 动态多视点视觉测量系统的结果示意图；
[0013] 图2为本发明实施例中多视点光栅式立体视觉传感器光学探头的结构示意图；
[0014] 图3为本发明实施例中光栅式双目视觉传感器的测量模型示意图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
[0016] 如图1所示，本发明提供了一种仅采用单个摄像机和光条投射器就可以在狭小空 间内进行多视点测量的小空间复杂精密工件几何尺寸在线动态视觉测量系统。该系统包 括：多视点光栅式立体视觉传感器光学探头1、光栅光条投射模块2、光栅图像成像及采集 模块3、包含图像分析及数学计算模块4和标定模块5的计算机6 ;计算机6通过光栅光条 投射模块2将光条图像投射在多视点光栅式立