基于机器视觉的线激光扫描技术与应用.docx

    基于机器视觉的线激光扫描技术与应用    Summary:线激光扫描技术是获取物体信息的重要手段之一，要在短时间内准确掌握测量物体的形状、距离、高度等高精度信息且不受物体材质、颜色光泽的影响是目前测量检测领域急需的技术对此，本文提出了一种基于机器视觉的线激光扫描技术，结合三角测量原理与图像处理技术，实现了不同材质物体的高精度稳定测量具体的研究内容有:对线激光测量原理分析，采用直射式激光三角法搭建线激光扫描实验装置，确定装置硬件部分的具体选型，完成数据采集装置的实际搭建描述相机成像模型中像素坐标系到世界坐标系的映射关系，完成线激光扫描实验装置的标定选定张正友标定法对相机进行标定，得到相机的参数矩阵对线激光平面进行标定，确定线激光平面在相机坐标系下的位置提出了改进的Steger亚像素提取算法，实现了物体表面特征信息的高精度提取考虑到线激光照射区域图像灰度值要高于同列其他区域灰度值这一特性，提出了分段式最优阈值分割算法，将灰度图像纵向平均分为n段，计算每段的最优阈值T，从而提高了线激光扫描位置的分割准确率，最后根据线激光扫描位置的分割宽度，设置恰当的高斯方差σ进行Steger算法提取。

对比其他算法，本文算法提取的中心线更加平滑，中心线提取位置更为精确Keys：线激光扫描技术；测量物体；相机成像模型；Steger算法Technology and application of line laser scanning based on machine visionAbstract:Line laser scanning technology is one of the important means to obtain object information, to accurately grasp the shape, distance, height and other high-precision information of the measurement object in a short time without being affected by the material, color gloss of the object is an urgent technology in the field of measurement and detection. In this paper, a line laser scanning technology based on machine vision is proposed, which combines the principle of triangulation and image processing technology to achieve high-precision and stable measurement of objects of different materials. The specific research contents are as follows:Based on the analysis of the principle of line laser measurement, the linear laser scanning experimental device is set up by direct laser triangulation, the specific selection of the hardware part of the device is determined, and the actual construction of the data acquisition device is completed. The mapping relationship between pixel coordinate system and world coordinate system in camera imaging model is described, and the calibration of line laser scanning experimental device is completed. Zhangzhengyou calibration method is selected to calibrate the camera, and the parameter matrix of the camera is obtained. Calibrate the line laser plane and determine the position of the line laser plane in the camera coordinate system. An improved Steger subpixel extraction algorithm is proposed to achieve high precision extraction of surface feature information. Considering that the gray value of the image in the region irradiated by the line laser is higher than that of other regions in the same column, a segmented optimal threshold segmentation algorithm is proposed, which pides the gray image into n segments vertically and calculates the optimal threshold T of each segment, thereby improving the segmentation accuracy of the line laser scanning position. Finally, according to the segmentation width of the line laser scanning position, Appropriate Gaussian variance σ is set for Steger algorithm extraction. Compared with other algorithms, the center line extracted by the proposed algorithm is smoother and the center line extracted position is more accurate.Key words: line laser scanning technology, Measuring objects, Camera imaging model, Steger algorithm1.引言1.1研究背景随着5G时代的高速发展以及科学技术的不断创新进步,基于机器视觉技术、测量科学技术、图像处理技术的智能化技术也在持续发展。

在生产制造过程中运用现代智能化技术对产品进行检验检测是当前常采取的检测手段之一，这也进一步推动了工业制造生产领域的发展与进步例如汽车行业中车门面板间隙测量、印刷电路板芯片高度测量、金属加工端面形状测量、智能装配精度确认等在工业实际生产和检验检测领域，传统测量技术主要通过平面视觉传感器获取物体的平面信息，即被测物在X轴、Y轴方向的信息，显然单纯依靠二维视觉检测方法已经不能满足当前生产制造需求为了弥补二维视觉检测深度信息缺失，无法精确获取物体表面轮廓信息的问题，依靠机器视觉的测量技术可以有效解决以上问题基于机器视觉的测量技术是目前最直接、最有效的自动化检测方法获取被测物体表面轮廓信息可分为接触式测量与非接触式测量!，接触式测量如三坐标测量机，其测量方式简单但精度需要定期校准并且售价高，用户在一定程度觉得华而不实，因此并未广泛推广使用非接触测量技术主要是依靠声学与光学，常用的技术有超声波测量、双目立体视觉测量、线激光视觉测量超声波测量通过计算超声脉冲的收发时间差值进而获取物体的三维信息四,测量精度取决于测量时间的精度，此方法成本高且难以做到对时间的精准计量，并不适用工业测量领域双目立体视觉测量通过计算两张存在视差的二维图像从而获得被测物体表面的深度信息，此方法原理简单，适用性较广，缺点是特征点匹配算法复杂且计算量大。

线激光视觉测量通过线激光照射测量物体，物体表面形成的反射光由此被聚集在工业相机上成像,再结合图像处理相关知识以及激光测距原理实现对被测物体表面轮廓三维点云数据的获取，此方法以稳定性好、测量速度快、精度高等优点，在工业中广受青睐，多被应用于三维数字化领域1.2研究现状1.2.1 国内研究现状基于机器视觉的线激光扫描技术在获取被测物体表面深度信息有很大的优势,为获取更为精准的三维测量信息,国外学者对此进行了诸多研究HC.Nguyen等人研究了一套视觉检测系统，用于无损焊缝测量和缺陷检测作者提出一种快速可靠的滑动矢量法对激光条纹轮廓特征点进行提取,从而实现焊缝尺寸与焊后缺陷检测在该系统下对小尺寸焊缝进行一些尺寸测量和缺陷检测实验，得到高度误差在0.1mm以内，宽度误差在0.18mm以内，结果表明该系统具有较高的精度，并且实时性达到了要求A.V.Leonov等人利用线激光扫描技术对城市内建筑进行扫描测量，将测得的三维数据信息进行可视化还原，经实验验证得到测量精度在1cm 以内Tran ThiTrang 等人!7]为实现两面板之间缝隙宽度测量以及两表面对齐度检测,搭建了一套由高分辨率相机与多线激光器组成的视觉测量系统。

将采集的被测物体表面激光条纹图像导入计算机间隙与对齐度测量软件处理模块进行分析，通过丢弃不符合的图像，使用合格图像进行预期计算实验测得模具任意两个平面之间的差异值在0.07mm以内，与传统测量传感器相比，该测量系统提高了在工业噪声环境复杂表面的测量精度He ZaiXing等人针对因被测物体表面反射所产生的干扰影响被测物体表面轮廓信息获取的问题,首先利用极值法提取线激光条纹种子点，然后对其连通分量分析，确定线激光条纹方向，最终迭代生长线激光条纹中心线根据灰度重心法得到精确的中心点，经实验验证，该方法具有较高的测量精度与较好的稳定性1.2.2 国外研究现状相较于国外，国内对线激光扫描技术的研究起步较晚在20世纪70年代才成功研究出第一台激光测距仪,由此逐步展开相关技术研究与系统开发近年来国内涌现出一批自主知识产权的激光扫描设备，目前较为成熟的设备主要有:深视智能研发的线激光3D轮廓测量仪、深圳思看科技开发的SIMSCAN 便携式蓝光三维扫描仪、海康威视的3D激光轮廓测量仪等这些设备虽然能实现物体的高精度测量，但针对特殊物体的测量，如物体表面反射率过低导致线激光条纹亮度较暗、物体表面反射率过高导致采集的图像出现严重反光，其测量精度、稳定性还不够理想。

1.3研究内容通过分析国内外技术研究成果，由于不同材质检测对象存在差异性，要实现这类对象的高精度稳定测量仍是需要研究的重点本课题的关键技术问题是如何不受被测物体材质、颜色光泽的影响，快速精确掌握测量物体形状、距离、高度等信息需要重点研究因被测物体对光照敏感程度不同所造成线激光中心线提取不精确的问题利用激光三角法搭建一个线激光扫描装置，结合标定参数矩阵，将提取的被测物体线激光中心线特征点转化为物体三维点云数据,为工业中短距离测量场景提供参考1.4论文组织2.图像获取2.1 采集图像参数分辨率（Resolution）：。