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CN111207695A - 一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法 - Google Patents

一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法 Download PDF

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CN111207695A
CN111207695A CN202010038079.2A CN202010038079A CN111207695A CN 111207695 A CN111207695 A CN 111207695A CN 202010038079 A CN202010038079 A CN 202010038079A CN 111207695 A CN111207695 A CN 111207695A
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张飞
王迪
周鹏
凌智
肖雄
王磊
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University of Science and Technology Beijing USTB
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Abstract

本发明属于机器视觉领域，具体涉及一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法。所述方法主要采用双线结构光方法对热轧生产线上速度达到120m/min高速运行的带钢端部形状进行三维轮廓测量，包括如下操作步骤：1)系统搭建；2)相机标定；3)光平面标定；4)三维空间坐标求解；5)图片采集预处理；6)光条图像处理；7)建立三角关系；8)三维重建，得到带钢的三维点云图。本发明通过向带钢端部平面投射双线结构光，经过图像处理检测线结构光与带钢边缘的交点，根据结构光三角测量理论将点从二维坐标系换算到三维坐标系下，得到带钢端部形状并计算带钢宽度。

Description

一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法
技术领域
本发明属于机器视觉领域，具体涉及一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法。
背景技术
在热轧生产工艺中，热轧带钢钢坯在经过粗轧机组轧制后，由于粗轧辊对带钢产生的压力不平均，带钢的头部和尾部易发生变形及延伸，为了保证后续生产的稳定性，在进入精轧机组前需要对带钢头尾进行切除。
由于热轧带钢生产线环境恶劣，所以在热轧优化剪切过程中，传统的带钢端部形状检测都使用离线、人工的方法进行抽检，抽检取样时间长，工人劳动强度大，测量信息与生产状态不能及时对应，不能实时反应生产线的状态，不能有效的实现生产的闭环控制，降低了轧机的有效作业率，增加了带钢的废品率。针对这种恶劣的环境和检测的不确定性，近年来逐渐提出了一种基于机器视觉的检测方法，在线、实时检测带钢端部形状的视觉系统，以提高带钢生产过程的产品质量，保证生产出高品质和高附加值的带钢，对于带钢的优化剪切有重要意义。
在已有论文和专利方面，现有技术中带钢端部形状检测方案有以下几种：华中理工大学谢图强等人采用面阵列摄像机对带钢端部形状进行检测；北京科技大学李毅杰用线阵列摄像机获取板坯头部形状，用线性回归获得板坯头部边缘形状的数学表达式；浙江大学傅新等人采用图像增强、分割技术提取了带钢头尾图像的偏心率、穿越点数目、宽度梯度等特征参数，通过神经网络进行处理；专利“一种热轧带钢端部形状在线视觉测量装置”采用双目视觉对带钢端部形状进行测量。以上方法都只使用单目视觉或者双目视觉对带钢端部进行检测，无法测量存在厚度变化、振动、倾斜条件下的带钢宽度，得到完整的带钢端部形状的三维信息。专利“一种热轧板带三线结构光机器视觉测宽方法”采用双目视觉结合三线结构光的方法对带钢宽度进行测量，但对于存在圆角的边缘，双目相机中的边缘点不匹配，对宽度测量产生的误差影响较大。专利“一种双线激光的三维轮廓扫描装置及方法”介绍了一种针对光滑金属表面的三维轮廓扫描方法，采用两条互不平行的激光光条进行检测，并分别采用两条激光线条进行三维建模，然后进行比对两次结果点云融合。
将结构光轮廓实施测量技术应用于优化剪切领域，克服了传统的二维图像轮廓提取方法对于厚度变化、跳动、旋转等三维变量对于轮廓测量的干扰；相对于其他轮廓测量方法，能够测量带钢的弯曲截面宽度，且在测量具有圆角的板面宽度时更为精确。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，该方法结合双线结构光和单目视觉的方法对带钢端部三维轮廓进行测量，具有测量速度快、非接触式的特点，能在恶劣的环境中使用，实现对生产线上速度达到120m/min高速运行的热轧带钢端部形状进行三维轮廓测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，所述方法基于双线结构光单目视觉的测量方法，利用激光三角测量原理，能够在不接触带钢端部的情况下，实现带钢端部三维轮廓形状的测量并得到带钢端部宽度。
进一步地，所述方法包括如下步骤：
(1)搭建测量系统：在带钢端部放置1个CCD面阵相机以及双线激光投射器；所述双线激光投射器用于向带钢端部表面发射两道平行激光，两道激光平面投射到带钢端部表面后，在带钢端部表面形成两个激光光条，所述两个激光光条因带钢端部表面深度的变化而受到调制，所述CCD面阵相机从另外一个位置采集含有激光光条的图像；
(2)相机标定：利用采集到的图像对CCD面阵相机进行标定，得到相机内部参数、外部参数；
(3)光平面标定：利用采集到含有激光光条的图像、相机参数(包括相机内部参数及外部参数)对激光平面进行标定，得到双线结构光的光平面参数；
(4)三维空间坐标求解：根据步骤(2)及步骤(3)中得到的相机的内部参数、外部参数和双线结构光的的光平面参数，得出像素坐标系和相机坐标系之间的转化关系，推导出热轧带钢端部三维轮廓测量模型；
(5)图片采集预处理：采集被测带钢端部表面含有激光光条的图像后，对采集到的含有激光光条的图像进行二值化，然后采用高斯滤波降噪，最后进行带钢边缘提取；
(6)光条图像处理：对激光光条中心坐标进行拟合；
(7)建立三角关系：建立CCD面阵相机、双线激光投射器与待测带钢之间的三角关系；
(8)三维重建：根据所述热轧带钢端部三维轮廓测量模型计算待测带钢端部表面激光光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下，得到带钢端部的三维点云图，在此基础上进行三维重建并对带钢宽度进行测量，最终获得热轧带钢端部的三维轮廓及带钢宽度。
进一步地，所述双线激光投射器是2个独立的一字线型激光器的组合。
进一步地，考虑热轧带钢的颜色，所述双线激光投射器所投射激光颜色为绿色，以减少热轧带钢本身颜色对于激光线的干扰。
进一步地，所述2个独立的一字线型激光器平行排列，并垂直于待测带钢的表面。
进一步地，所述CCD面阵相机安装于带钢生产线斜上方，且所述CCD面阵相机同所述双线激光投射器所发射的激光线成30～60°夹角。
进一步地，步骤(2)中，所述CCD面阵相机的内部参数包括内部参数矩阵及畸变系数，外部参数包括旋转矩阵和平移矩阵参数。
进一步地，步骤(6)中，对激光光条中心坐标进行拟合，具体是采用高斯曲线拟合来获取条纹中心的坐标。
进一步地，步骤(7)中，基于激光测量原理，根据针孔相机模型和投射投影理论，所述热轧带钢端部三维轮廓测量模型为：
Figure BDA0002366742470000051
Figure BDA0002366742470000052
式中：ρ是所述CCD面阵相机的比例因子，K为所述CCD面阵相机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，(Xw,Yw,Zw)是相机坐标系下的坐标，(u,v)是图像像素坐标系下坐标；a1，b1，c1，d1为一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数，a2，b2，c2，d2为另一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数。
进一步地，步骤(8)中，由两条激光光条的像素坐标建立两个激光光条直线方程，解出两个激光光条直线方程同两个光平面方程的交点，得到相机坐标系下的带钢端部形状三维坐标，将两条激光线扫描得到的三维轮廓信息进行比对分析，对齐相同轮廓的数据，比对去除干扰点，得到真实的带钢端部三维轮廓信息。
进一步地，当热轧带钢被测板面存在上下振动、倾斜、板面瓢曲时，激光线相应产生位移、旋转、弯曲，还原激光线在三维空间中的坐标，通过计算激光线的曲线长度，得到待测板面的宽度。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法克服了现有技术中带钢端部形状检测速度慢、效率低和精度不够的技术问题，通过还原激光线在三维空间中的坐标，可以消除热轧生产过程中带钢厚度、弯曲、跳动、旋转等三维变化对宽度和轮廓测量等不良影响造成的测量误差，能够极大地提高测量精度，保证测量结果的有效性，满足实时性要求，同时算法复杂度较低。
综合以上对带钢端部进行形状检测的方法，本发明提出的方法能够实现带钢端部轮廓的在线、实时、自动、非接触测量，有利于形成生产、测量闭环控制，测量速度快，能在恶劣的环境中使用、具有较高的测量精度且设备简单，可以提高生产效率和产品质量，有效地降低工人劳动强度，满足带钢轧制过程需要。
附图说明
图1为本发明实施例中双线结构光的热轧带钢端部轮廓测量系统的原理图。
图2为本发明实施例中激光三角测量原理图。
图3为本发明实施例中的热轧带钢端部轮廓测量方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明实施例提供一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，图1为本发明所述方法的测量原理图，如图1所示，通过向带钢端部平面投射双线结构光，两个激光平面投射到物体表面后，在物体表面就会形成激光光条，这两个光条都会因为物体表面深度的变化而受到调制，相机从另外一个位置采集含有激光光条的图像。经过图像处理检测线结构光与带钢边缘的交点，根据结构光三角测量理论将点从二维坐标系换算到三维坐标系下，通过相机参数以及激光平面参数的标定，能够得到调制图像光条上的三维信息，进而能够得到带钢端部形状并计算带钢宽度。本发明所述方法算法复杂度低，能够消除轧件厚度、弯曲、跳动、旋转等三维变化对宽度和轮廓测量的不良影响，满足实时性要求。
在本实施例中，所述方法具体包括如下步骤：
(1)搭建测量系统：在带钢端部放置1个CCD面阵相机以及双线激光投射器；所述双线激光投射器用于向带钢端部表面发射两道平行激光；具体地，所述双线激光投射器是2个独立的一字线型激光器的组合，所述2个独立的一字线型激光器平行排列，并垂直于待测带钢的表面；激光投射器平行放置并向带钢表面发射两道平行激光，两道激光平面投射到带钢端部表面后，在带钢端部表面形成两个激光光条，所述两个激光光条因带钢端部表面深度的变化而受到调制，所述CCD面阵相机从另外一个位置采集含有激光光条的图像；测量时将所述CCD面阵相机安装于带钢生产线斜上方，且所述CCD面阵相机同所述双线激光投射器所发射的激光线成30～60°夹角进行图像采集，所述CCD面阵相机为单目视觉系统。
(2)相机标定：利用采集到的图像对CCD面阵相机进行标定，具体地，采用张正友相机标定方法进行标定，得到相机内部参数、外部参数，内部参数包括内部参数矩阵及畸变系数，外部参数包括旋转矩阵和平移矩阵参数；由相机的参数可知世界坐标系与相机坐标系，相机坐标系和像素坐标系之间的关系。
(3)光平面标定：利用采集到的含有所述激光光条的图像和相机参数(包括相机内部参数及外部参数)对激光平面进行标定，得到双线结构光的光平面参数；
(4)三维空间坐标求解：根据步骤(2)及步骤(3)中得到的相机的内部参数、外部参数和双线结构光的的光平面参数，得出像素坐标系和相机坐标系之间的转化关系，推导出热轧带钢端部三维轮廓测量模型；
(5)图片采集预处理：采集被测带钢端部表面含有激光光条的图像后，对采集到的含有激光光条的图像进行二值化，然后采用高斯滤波降噪，最后进行带钢边缘提取；在实际测量过程中，图像信息会受到周围环境的影响，因此需要对图像进行预处理消除噪声；
(6)光条图像处理：激光光条中心提取算法主要包括阈值法、极值法、重心法、曲线拟合法等，本实施例中采用高斯曲线对激光光条中心坐标进行拟合；
(7)建立三角关系：建立CCD面阵相机、双线激光投射器与待测带钢之间的三角关系；具体地，采用激光三角测量原理，根据针孔相机模型和投射投影理论，建立双线结构光测量系统的整体模型。
(8)三维重建：根据所述热轧带钢端部三维轮廓测量模型计算待测带钢端部表面激光光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下，得到带钢端部的三维点，在此基础上进行三维重建并对带钢宽度进行测量，最终获得热轧带钢端部的三维轮廓及带钢宽度。
在本实施例中，步骤(7)中采用激光三角测量方法建立三角关系，图2为激光三角测量原理图。激光三角测量基本思想是利用结构光中的几何信息帮助提供景物中的几何信息，根据相机，结构光，物体之间的几何关系，来确定物体的三维信息。根据图2中几何关系，结构光平面与相机光轴夹角为α角，取世界坐标系Ow-XwYwZw的原点Ow位于相机光轴与结构光平面的交点，Xw轴和Yw轴分别与相机坐标系Xc轴和Yc轴平行，Zw与Zc重合但方向相反。Ow与Oc的距离为l。则世界坐标系与相机坐标系有如下关系：
Figure BDA0002366742470000091
A的像为A′，在世界坐标系中，则OA′的方程为：
Figure BDA0002366742470000092
在世界坐标系中，结构光平面的方程为：
Xw＝Zwtgα (3)
解得：
Figure BDA0002366742470000093
由于数字图像上定义直角坐标系Op-uv，每一像素的坐标(u,v)分别是该像素在图像数组中的列数与行数，(u,v)是像点在数字图像坐标系中以像素为单位的坐标。像点在像平面上的物理位置，建立以物理单位表示的像平面二维坐标系Oi-xy，该坐标系x轴和y轴分别与u轴和v轴平行，原点为相机光轴与像平面的交点，一般位于图像中心，但在实际情况下会有小的偏移，在Op-uv中的坐标记为(u0,v0)。每一像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸为Sx和Sy，则图像中任意一个像素在两个坐标系下的坐标采用齐次坐标和矩阵形式表示，有如下关系：
Figure BDA0002366742470000101
逆关系为：
Figure BDA0002366742470000102
可以得到像素点一世界坐标点之间的对应关系为：
Figure BDA0002366742470000103
根据针孔相机模型和投射投影理论，双线结构光测量系统的整体模型如下：
Figure BDA0002366742470000104
Figure BDA0002366742470000111
式中：ρ是所述CCD面阵相机的的比例因子，K为所述CCD面阵相机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，(Xw,Yw,Zw)是相机坐标系下的坐标，(u,v)是图像像素坐标系下坐标；a1，b1，c1，d1为一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数，a2，b2，c2，d2为另一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数。
图3为本发明实施例中所述方法的整体流程图。双线式激光发射器发射的激光线投射到物体表面时，激光线被带钢端部形状调制，工业相机详细进行拍摄并传至计算机内，在计算机内经过图像处理模块进行图像二值化、噪声滤波、激光条中心提取等，然后，根据标定得到的相机参数(包括内部参数和外部参数)和光平面参数建立双线结构光模型，结合测量数据得到带钢端部三维点云数据并对带钢宽度进行测量。
由于轧件厚度变化、弯曲、跳动、旋转等三维扰动，对热轧带钢端部的宽度和轮廓测量产生不良影响。本发明所述方法采用三维轮廓测量算法，将三维扰动后的轮廓还原到测量基准面上，消除了轧件厚度、跳动、弯曲、旋转等三维扰动的影响。双线结构光测量方法采用激光三角测距原理，使用两束激光线投射到被测表面上，采用一个面阵相机拍摄激光投影线的位置和形状；对于被测板面存在的上下振动、倾斜、板面瓢曲及边缘圆角，激光线会相应产生位移、旋转、弯曲，还原激光线在三维空间中的坐标，通过计算激光线的曲线长度，可以得到板面的宽度。

Claims (10)

1.一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)搭建测量系统：在带钢端部放置1个CCD面阵相机以及双线激光投射器；所述双线激光投射器用于向带钢端部表面发射两道平行激光，两道激光平面投射到带钢端部表面后，在带钢端部表面形成两个激光光条，所述两个激光光条因带钢端部表面深度的变化而受到调制，所述CCD面阵相机从另外一个位置采集含有激光光条的图像；
(2)相机标定：利用采集到的图像对CCD面阵相机进行标定，得到相机内部参数、外部参数；
(3)光平面标定：利用采集到含有激光光条的图像、相机参数对激光平面进行标定，得到双线结构光的光平面参数；
(4)三维空间坐标求解：根据步骤(2)及步骤(3)中得到的相机的内部参数、外部参数和双线结构光的的光平面参数，得出像素坐标系和相机坐标系之间的转化关系，推导出热轧带钢端部三维轮廓测量模型；
(5)图片采集预处理：采集被测带钢端部表面含有激光光条的图像后，对采集到的含有激光光条的图像进行二值化，然后采用高斯滤波降噪，最后进行带钢边缘提取；
(6)光条图像处理：对激光光条中心坐标进行拟合；
(7)建立三角关系：建立CCD面阵相机、双线激光投射器与待测带钢之间的三角关系；
(8)三维重建：根据所述热轧带钢端部三维轮廓测量模型计算待测带钢端部表面激光光条的空间位姿坐标，并转换到全局测量坐标系下，得到带钢端部的三维点云图，在此基础上进行三维重建并对带钢宽度进行测量，最终获得热轧带钢端部的三维轮廓及带钢宽度。
2.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，所述双线激光投射器是2个独立的一字线型激光器的组合。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，所述双线激光投射器所投射激光颜色为绿色。
4.根据权利要求2所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，所述2个独立的一字线型激光器平行排列，并垂直于待测带钢的表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，所述CCD面阵相机安装于带钢生产线斜上方，且所述CCD面阵相机同所述双线激光投射器所发射的激光线成30～60°夹角。
6.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，步骤(2)中，所述CCD面阵相机的内部参数包括内部参数矩阵及畸变系数，外部参数包括旋转矩阵和平移矩阵参数。
7.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，步骤(6)中，对激光光条中心坐标进行拟合，具体是采用高斯曲线拟合来获取条纹中心的坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，步骤(7)中，基于激光测量原理，根据针孔相机模型和投射投影理论，所述热轧带钢端部三维轮廓测量模型为：
Figure FDA0002366742460000031
Figure FDA0002366742460000032
式中：ρ是所述CCD面阵相机的比例因子，K为所述CCD面阵相机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，(Xw,Yw,Zw)是相机坐标系下的坐标，(u,v)是图像像素坐标系下坐标；a1，b1，c1，d1为一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数，a2，b2，c2，d2为另一个一字线型激光器发出的激光平面的平面方程系数。
9.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，步骤(8)中，由两条激光光条的像素坐标建立两个激光光条直线方程，解出两个激光光条直线方程同两个光平面方程的交点，得到相机坐标系下的带钢端部形状三维坐标，将两条激光线扫描得到的三维轮廓信息进行比对分析，对齐相同轮廓的数据，比对去除干扰点，得到真实的带钢端部三维轮廓信息。
10.根据权利要求1所述的一种基于双线结构光的热轧带钢端部三维轮廓测量方法，其特征在于，当热轧带钢被测板面存在上下振动、倾斜、板面瓢曲时，激光线相应产生位移、旋转、弯曲，还原激光线在三维空间中的坐标，通过计算激光线的曲线长度，得到待测板面的宽度。
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