基于结构光和机器视觉的尺寸测量及其误差分析（精）

包装工程 P A CK A GIN G EN G IN EERI NG Vo l. 32N o. 92011. 05 66

收稿日期:2011 03 01

基金项目:湖北省自然科学基金项目(2009CDB313 ; 湖北省教育厅项目(Q 20091404

作者简介:钟飞(1970- , 男, 武汉人, 硕士, 湖北工业大学副教授, 主要研究方向为包装过程检测与控制。

基于结构光和机器视觉的尺寸测量及其误差分析 钟飞, 吴雪茹

(湖北工业大学, 武汉430068

摘要:为了解决流水线上产品的尺寸自动测量难的问题, 基于目前机器视觉在尺寸测量方面的应用, 介绍了用机器视觉来检测线圈绕线质量的方案。采用简化了的针孔模型对相机进行标定, 并针对CCD 成像元的不均匀性, 提出改进方案并对测量结果进行误差修正, 通过实验完善并验证了该方案的可行性, 为机器视觉测量尺寸提供理论基础。

关键词:误差分析; 机器视觉; CCD; 结构光

中图分类号:T B486; T B487 文献标识码:A 文章编号:1001 3563(2011 09 0066 04 Size M e asure me nt and Error Analysis of Machine Visio n Base d on Structured Light

ZH ON G F ei, W U X ue ru

(H ubei U niver sity o f T echnolog y, Wuhan 430068, China

Ab stract:A project o f using machine vision to detect the quality of coil w inding was intro duced based o n cur rent applicatio n o f machine vision in size measurement to solve the difficulty of measur ing pro duct size on product ion line. A simplified pinho le mo del was applied t o calibr ate camer a. Impr ovement method to co rr ect measurement er ror was put forw ar d to so lv e the no nunifor mity pro blem of CCD imag ing unit. T he feasibilit y o f the method w as v erif ied. T he pur po se w as to pro vide reference for size measurement by machine vision. Key word s:erro r analysis; machine visio n; CCD ; structured lig ht

在自动化进展迅速的流水线生产领域, 需要不断开发出各种自动测量装置, 然后向中心处理装置输入单件产品的各种数据。从测量技术方面看, 自动测量物件的外形尺寸和体积是该领域的难点, 在计算批量产品的仓储容量从而进行有效地包装运输以及存放时, 该技术就成为了一门关键技术。文中研究的视觉测量系统适用于非接触式以及各种图像传感的在线监测, 不但解决了流水线领域的产品尺寸在线测量, 近年来在包装印刷领域对比较精细印刷品进行监测控制方面得到了广泛的应用[1]。在诸多的视觉方法中, 结构光三维视觉还扩展了大量程、大视场、较高精度、光条图像信息的易于提取、实时性强及主动受控等特点。

CCD 电荷耦合器件于1969年在贝尔实验室研制成功以后, 由日商开始量产, 其发展过程历经30多

年。由于其具有高灵敏度、低噪声、长寿命、低功耗和高可靠性等优点, 得到了广泛应用。CCD 的几何精度高, 像素间距小, 如果配置适当的光学系统, 就可以获得很高的分辨率。结构光视觉方法的研究最早出现于20世纪70年代。为了得到产品某一方面的特征信息, 在CCD 的图像传感技术上结合结构光来得到可以更加明确的图像信息, 一定意义上改进了成像质量。

文中设计了一套基于CCD 以及结构光的机器视觉测量系统, 通过提取经CCD 成像后图像的清晰边缘, 对测量结果进行拟合, 以获得被测物边缘的准确信息; 同时

通过概率论知识使用数据处理的手段来进行误差修正, 从而提高了测量精度。其中相机的标定技术是整个系统研究的理论基础和核心内容。

钟飞等 基于结构光和机器视觉的尺寸测量及其误差分析 67

1 CCD 工作原理

机器视觉中, 相机标定常用的相机模型有:针孔模型、正交投影模型及拟透视投影模型[2]。其中针孔模型是最常用的相机模型, 在大多数场合下可以满足要求。针孔成像模型见图1, 其中:X c Y c Z c 为相机坐标系; X Y

为物理坐标系。

图1 CCD 相机的针孔模型F ig. 1Pin hole model of CCD camera

图中:像点坐标为X Y -f

; 投影中心坐标为0 00 ;

P 点坐标为X c Y c Z c 。