CN119901227A - 一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置及方法，该方案利用投影灯将条纹投影至待测结构表面，用于测量垂直于投影面的尺寸参数；利用设置好采集参数的二维相机对待测结构进行图像采集，将采集得到的图像信息通过数据线传输至图像处理单元；所述图像处理单元对图像信息进行处理分析，以得到待测结构的三维尺寸及缺口角度参数。本发明结合投影条纹的测量方法，实现了通过一张二维图像测量冲击试样的三维尺寸参数，有效提高了冲击试样的检测效率，提升了测量精度，实现了对冲击试样尺寸、缺口角度参数的高效率、高精度测量。

Description

一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉三维检测技术领域，特别是一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置及方法。

背景技术

夏比冲击试验对试样的几何形状和尺寸有严格的要求，如V型口或U型口的深度、角度和根部半径等，这些参数的微小变化都可能影响后续冲击试验的测量结果，因此，冲击试样尺寸与缺口角度参数检测具有非同寻常的意义。

当下对冲击试样的检测主要依赖于工作人员使用游标卡尺进行测量，这样的测量方式较为繁琐，且人工测量所带来的操作误差较大除了人工测量的方法外，还有使用冲击试验缺口投影仪进行缺口检测的方法，该方法利用光学放大原理，将试样缺口成像在投影屏上，并与测量样板对比，以判断缺口是否合格。但这样的方法仅仅测量了试样缺口的相关参数，对三维尺寸参数并没有进行测量，且测量设备昂贵，操作繁琐，测量效率低。

同时随着视觉技术的发展，基于机器视觉的测量方法应用越来越广泛，但在常见的视觉测量方法中，需要对相机进行标定且标定过程较为繁琐复杂，存在数据处理速度较慢的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置及方法，大幅降低了硬件成本，通过对条纹图像的投影来获得垂直于投影面的尺寸参数，解决了一张二维图像只能获得两个维度的尺寸参数的问题，同时提升了数据处理效率，实现了对三维尺寸与缺口角度参数的高效率、高精度测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，包括投影灯、二维相机、摆放平台、分光镜、数据线和图像处理单元；所述投影灯投射正弦条纹于冲击试样及摆放平台的表面，用以测量冲击试样垂直于投影面的尺寸参数；所述二维相机对冲击试样和摆放平台的投影表面进行图像采集，并将采集到的图像信息由数据线传输至图像处理单元；所述图像处理单元对所采集的图像进行处理分析，以获取冲击试样的三维尺寸及缺口角度参数。

在一较佳的实施例中，所述投影灯包括LED光源和条纹薄片，所述LED光源通过照射条纹薄片将条纹图像投影至待测结构表面。

在一较佳的实施例中，所述二维相机包括面阵传感器、集成电路板、成像镜头、设备接口和电源。成像范围可以根据投影条纹所在像素区域进行缩小，以提高相机的采样帧率。所述二维相机对投影条纹进行采集时其成像光轴与投影条纹平面垂直，将投影条纹置于二维相机图像的中心位置成像。

在一较佳的实施例中，所述投影灯的投影方向与分光镜的反射面呈45°，投影光经过分光镜反射，投影至冲击试样的表面以及摆放平台的表面。投影图像为单密度投影条纹，条纹的密度恒定不变；当投影面与投影灯的距离不同时，其投影面上的投影条纹密度也会随之发生改变，利用条纹信号的特点能够精准测量投影面与参考面之间的距离，通过求解待测结构上的投影条纹密度得到待测结构的高度尺寸。

本发明还提供了一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，采用所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，包括以下步骤：

步骤S1：利用投影灯将条纹图像投影至冲击试样及摆放平台，设置好二维相机的采集参数，设置二维相机的安装位置并固定好，使投影条纹成像于二维传感器的中心位置；

步骤S2：通过二维相机对图像信息进行记录；

步骤S3：将二维相机中的图像信号传输至图像处理单元，由图像处理模块进行分析，从采集图像中提取冲击试样的三维尺寸和缺口角度参数。

在一较佳的实施例中，所述步骤S3具体为：

步骤S31：对投影到摆放平台面上的条纹信号进行截取，对条纹信号进行运算，得到的条纹密度作为参考条纹密度，记为d_r；

步骤S32:冲击试样放至指定位置后，对投影到冲击试样上的条纹信号进行截取并通过程序进行运算，得到条纹密度，记为d_i，并通过公式计算得到冲击试样的高度尺寸信息；

步骤S33:对采集图像进行图像处理，提取冲击试样的轮廓信息，结合所测得的高度尺寸信息，通过机器视觉算法运算得到冲击试样的长度与宽度，同时得到缺口的角度参数信息。

在一较佳的实施例中，所述冲击试样的高度的尺寸计算公式：

其中H为结构的高度尺寸，D为成像系统的成像物距，d_r和d_i分别为参考条纹密度和结构上的投影条纹密度。

在一较佳的实施例中，所述冲击试样的长度的尺寸计算公式：

其中L为结构的长度尺寸，F为相机镜头焦距，N_L为结构轮廓在图像中沿长度方向上所占的像素点个数。

在一较佳的实施例中，所述冲击试样的宽度的尺寸计算公式：

其中W为结构的宽度尺寸，F为相机镜头焦距，N_W为结构轮廓在图像中沿宽度方向上所占的像素点个数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用机器视觉投影条纹结合图像处理系统相结合的结构，提升了检测效率。

本发明实现对待测结构的三维尺寸及缺口角度参数的测量，有效降低了硬件成本，同时提升了测量的效率与精度。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构示意图；图中1-二维相机，2-分光镜，3-待测结构，4-摆放平台，5-数据线，6-计算机，7-条纹投影灯。

图2是本发明实施例的高度尺寸测量原理；其中F为二维相机焦距，D为摆放平台的成像距离，D_i为待测结构的成像距离，H为待测结构的高度尺寸。

图3是本发明实施例的模拟实验中摄像头所采集到的图像信号，从图中可以看出摆放平台上的投影条纹密度与待测结构上的投影条纹密度有所差别。

图4是本发明实施例对条纹信号进行运算后所得到的条纹密度变化曲线。

图5是本发明实施例对不同高度的试样进行仿真后，所得到条纹密度和高度尺寸数据进行曲线拟合，所得的拟合曲线以及残差图。

图6是本发明实施例对图像信号进行图像处理的结果图，图像处理程序实现了对待测结构的识别并框选，同时通过图像运算得到待测结构在图像上沿长度方向与宽度方向的像素尺寸。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

请参照图1-6，本发明提供一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，如图1，包括二维相机(1)、分光镜(2)、待测结构(3)、摆放平台(4)、数据线(5)、计算机(6)、条纹投影灯(7)。条纹投影灯投射正弦条纹于待测结构(3)及摆放平台(4)的表面，用以测量待测结构垂直于投影面的尺寸参数。二维相机(1)用以对完成投影后的待测结构(3)及摆放平台(4)进行连续图像拍摄，将图像信号通过数据线(5)传输到计算机(6)进行存储与处理。计算机(6)用以控制二维相机的信号采集，并且在计算机(6)内置有图像处理软件模块，可对传输至计算机(6)的图像信号进行预处理并执行相关计算，以获得待测结构(3)的三维尺寸与缺口角度参数。

在本实施例中，参考图2-图5，如图2所示，当待测结构到达投影区域时，投影至待测结构表面的条纹图像宽度方向中心线处的条纹密度与摆放平面表面条纹图像宽度方向中心线处的条纹密度不同，通过计算机程序对条纹信号进行处理分析，得到如图3所示的条纹密度分析图，其原理如图4所示，图中，D为成像系统与摆放平台之间的成像物距，D_i为成像系统与待测结构之间的成像物距，F为成像系统的焦距，H为待测结构的高度尺寸。根据投影表面条纹的密度差对待测结构的高度进行计算，高度尺寸数学计算公式为：

其中H为结构的高度尺寸，D为成像系统与摆放平台之间的成像物距，d_r与d_i分别为参考条纹密度和结构上的投影条纹密度。

通过对不同高度的待测结构进行投影仿真，并使用模拟相机对待测结构的表面进行图像采集，将得到的图像进行图像处理，得到图像中的条纹密度信息，对得到的多组数据进行分析并拟合曲线，得到了如图5所示的拟合曲线以及残差图，从图中可知，待测结构表面的条纹密度与结构高度尺寸呈线性关系。

在本实施例中，参考图6，得到结构的高度尺寸信息后，可以得到待测结构表面距离二维相机的距离，使用机器视觉算法对图像信息进行图像处理后，实现对待测结构的识别与框选，并输出待测结构在图像中上的像素尺寸信息，如图6所示。结合待测结构的高度尺寸信息，通过以下公式得到待测结构的长度信息与宽度信息：

其中L为结构的长度尺寸，F为相机镜头焦距，N_L为结构轮廓在图像中沿长度方向上所占的像素点个数，W为结构的宽度尺寸，N_W为结构轮廓在图像中沿宽度方向上所占的像素点个数。

Claims (9)

1.一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，其特征在于，包括投影灯、二维相机、摆放平台、分光镜、数据线和图像处理单元；所述投影灯投射正弦条纹于冲击试样及摆放平台的表面，用以测量冲击试样垂直于投影面的尺寸参数；所述二维相机对冲击试样和摆放平台的投影表面进行图像采集，并将采集到的图像信息由数据线传输至图像处理单元；所述图像处理单元对所采集的图像进行处理分析，以获取冲击试样的三维尺寸及缺口角度参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，其特征在于，所述投影灯包括LED光源和条纹薄片，所述LED光源通过照射条纹薄片将条纹图像投影至待测结构表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，其特征在于，所述二维相机包括面阵传感器、集成电路板、成像镜头、设备接口和电源。

4.根据权利要求1所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，其特征在于，所述投影灯的投影方向与分光镜的反射面呈45°，投影光经过分光镜反射，投影至冲击试样的表面以及摆放平台的表面。

5.一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，其特征在于采用权利要求1-4任一所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测装置，包括以下步骤：

步骤S1：利用投影灯将条纹图像投影至冲击试样及摆放平台，设置好二维相机的采集参数，设置二维相机的安装位置并固定好，使投影条纹成像于二维传感器的中心位置；

步骤S2：通过二维相机对图像信息进行记录；

步骤S3：将二维相机中的图像信号传输至图像处理单元，由图像处理模块进行分析，从采集图像中提取冲击试样的三维尺寸和缺口角度参数。

6.根据权利要求5所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤S31：对投影到摆放平台面上的条纹信号进行截取，对条纹信号进行运算，得到的条纹密度作为参考条纹密度，记为d_r；

步骤S32:冲击试样放至指定位置后，对投影到冲击试样上的条纹信号进行截取并通过程序进行运算，得到条纹密度，记为d_i，并通过公式计算得到冲击试样的高度尺寸信息；

步骤S33:对采集图像进行图像处理，提取冲击试样的轮廓信息，结合所测得的高度尺寸信息，通过机器视觉算法运算得到冲击试样的长度与宽度，同时得到缺口的角度参数信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，其特征在于，所述冲击试样的高度的尺寸计算公式：

其中H为结构的高度尺寸，D为成像系统的成像物距，d_r和d_i分别为参考条纹密度和结构上的投影条纹密度。

8.根据权利要求6所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，其特征在于，所述冲击试样的长度的尺寸计算公式：

其中L为结构的长度尺寸，F为相机镜头焦距，N_L为结构轮廓在图像中沿长度方向上所占的像素点个数。

9.根据权利要求6所述的一种基于投影条纹的冲击试样视觉检测方法，其特征在于，所述冲击试样的宽度的尺寸计算公式：

其中W为结构的宽度尺寸，F为相机镜头焦距，N_W为结构轮廓在图像中沿宽度方向上所占的像素点个数。