郝福龍 宋亞男 徐榮華

摘要：木材噴涂是一個傳統(tǒng)的加工行業(yè)，文章主要在木材噴涂行業(yè)中運用機器視覺的方法實現(xiàn)由數(shù)控工作的方式向自動化加工方式的轉(zhuǎn)變。在整個過程中，利用單相機加線激光的方法實現(xiàn)整個木材窗框的三維信息的測量。其中激光線亞像素坐標的提取是影響整個系統(tǒng)測量精度的重要因素。文章采用灰度質(zhì)心法來獲取激光線的亞像素中心坐標，很好地解決了系統(tǒng)測量精度的問題。

關鍵詞：灰度質(zhì)心；三維工件；亞像素提取

木材的噴涂加工有史以來都是人們極為關注的，從以前的手動加工方式到數(shù)控化加工方式，極大地改進的人們的加工水平，促進了經(jīng)濟的發(fā)展。但是，有了數(shù)控加工方式之后，人們又開始轉(zhuǎn)而尋找實現(xiàn)自動化加工方法[1]?，F(xiàn)在機器視覺技術得到了很好的發(fā)展，以其實時性好、非接觸、可視化、可自動化等優(yōu)勢，成為在高科技領域中被廣泛應用的技術，為國民經(jīng)濟的提升帶來良好的效果[2]。在噴涂行業(yè)中，應用三維測量可以提高整個行業(yè)的工作效率。目前，國內(nèi)許多研究人員對三維測量原理及方法進行了深入的探討與研究，從而使其廣泛應用于多個領域，從激光光源所投射的結構光形式上來看，國內(nèi)的測量方法主要采用的是線結構光和結構光光柵的形式。本文通過對測量技術的改進和應用來使木材噴涂行業(yè)實現(xiàn)自動化實施。在對激光線的亞像素坐標提取的過程中，通過使用二分法、形心法、質(zhì)心內(nèi)插法和灰度質(zhì)心法不同算法的結果比較，得出在該環(huán)境下，灰度質(zhì)心法求取出的亞像素坐標是有助于提高整個系統(tǒng)的精度的。

1 系統(tǒng)原理

在整個系統(tǒng)中，首先通過OPENCV對相機鏡頭標定得到整個相機的內(nèi)外參數(shù)矩陣，通過參數(shù)矩陣對輸入圖片進行校正，然后再利用灰度質(zhì)心法計算激光線的亞像素坐標，最后利用經(jīng)典的激光三角測距來獲得物體的深度信息。

1.1硬件系統(tǒng)

木材線激光系統(tǒng)原理如圖l所示。要實現(xiàn)物體表面輪廓的三維掃描，線結構光與物體之間需要相對運動。假定線激光發(fā)射器與攝像機的位置保持不變，不論光平面在世界坐標系中的位置如何變化，都可以通過坐標系之間的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣得到世界坐標系下的測量值。為了簡化測量模型，假設線結構光平面位于世界坐標系的ow-xwzw平面上[3]。假設尸為線激光平面與被測的三維表面的交線上某一點，設其在測量坐標系ow-xwzw的坐標尸（xwywzw），（xwywzw）待求。г1為攝像機的成像平面，oc為攝像機的主點。根據(jù)小孔成像模型，被測三維表面上的點P在攝像機中的像點即為г：上的一點，設為ρ，ρ即為直線poc與平面г1的交點。oco1為攝像機的光軸，o1為光軸與平面г1的交點[4]。

1.2單目相機的標定

在圖像的采集過程中，由于相機光學原因，我們會發(fā)現(xiàn)相機的成像是存在畸變的[5]。那么單目相機的標定就是為了獲取攝像機的內(nèi)外參數(shù)矩陣，同時也會獲得每一幅標定圖像的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，內(nèi)參數(shù)矩陣和畸變向量，這些參數(shù)可以對之后相機拍攝的圖像進行矯正，得到畸變相對較小的圖像。本文在標定的過程中采用的相機標定的輸入為11X7，單位長度為1 mm/格的棋盤格圖像。

標定的步驟為：

第一步，通過單目攝像頭拍攝16張不同角度的棋盤格的照片。

第二部，通過opencv尋找出棋盤格中的角點。

第三步，通過基于zhang和Brown的算法求出攝像頭的內(nèi)參數(shù)矩陣和畸變向量。 標定的輸出為：內(nèi)參數(shù)矩陣fx，fy，Cx，Cy）和畸變向量（k1，k2，P1，p2，p3）（注意，這里有兩個不同的焦距fx，fy。因為單個像素點在低價成像儀上是矩形而不是正方形。實際上，焦距fx=f×Sx，f為實際的物理焦距長度，Sx為x方向的像元尺寸[6]。同理，fy=f×S）。

1.3激光三角測距的算法

相機激光示意如圖2所示，A為整個測量的基準平面，B是物體靠經(jīng)激光透鏡一定距離后的平面。當被測物體表面移動x，反應到光敏面上像點位移為x'。a為接收透鏡到物體的距離（物距），6為接收后主面到成像面中心的距離（一般去焦距月，臼為激光束光軸與接收透鏡之間的夾角。D為激光光束軸到透鏡中心的距離。接收透鏡的焦距為f，其余的參數(shù)如圖2所示[7]。

在△ABC中，由正弦定理得：

在直角三角形△CDE（∠CDE=90°，中，ctgθx=b/x′，將其帶入到上式，得：（2）

以上就是整個算法的推導過程和機械結構示意[8]。

2 激光線亞像素提取

制作好固定架和安裝好攝像機與激光器，并在后面保持不再變動[9]。三維掃描時，激光線投射在物體表面，攝像機從另外一個角度獲得被測物體表面調(diào)制后的激光線圖像。從三維掃描數(shù)學模型可知，激光線在攝像機中的坐標提取的偏差，將直接影響物體三維坐標的獲取精度[10]。所以，如何穩(wěn)定可靠地提取出激光線條紋圖像的位置，是三維掃描中的關鍵。

像素定位細分算法包括以下幾種。

2.1形心法

對于圖像中以圓、橢圓和矩形等對稱圖形，利用形心法求取圖像的亞像素坐標是首選方法。形心法的算法非常簡單明了，但該算法只有對灰度對稱分布的目標才能有較好的效果[11]。如果目標靠投影等方法形成或當目標平面有較大夾角時，形心會偏移。因此，該法通常只適合目標圖像本身不變形的場合。

2.2質(zhì)心內(nèi)插法 該方法適用的前提是圖像成像分布基本是正態(tài)分布[12]，并且CCD成像的光電效應保證在現(xiàn)行端段。

2.3灰度質(zhì)心法

對于亮度不均與的目標，灰度重心法可按目標光強分布求出光強權重質(zhì)心坐標作為跟蹤點，也叫密度質(zhì)心算法[13]。本文就是通過灰度質(zhì)心法來求取圖像中每一行的激光線的質(zhì)心。對于一幅M×N大小的圖像，f為像素的灰度值，凡超過閾值T的均參與重心處理，于是重心坐標為：

xi表示第i行的坐標，yj表示第j行的坐標，fij表示第i行第j列的像素值。

對于一副激光線的圖片，因為激光線的寬度，它在圖像上是占有10-20個像素值的寬度。這在實際的處理過程中，對于測量窗框的深度坐標精度存在很大影響，對與固定區(qū)域的質(zhì)心坐標可以作為我們整個計算深度坐標的輸入信息。這對于整個系統(tǒng)的測量精度有較大的提高。

3 實驗及結果分析

在實驗設計過程中，本文采用螺旋測微儀為移動模塊[14]，測微儀的最小位移為0.01 mm，通過采樣頻率為0.1 mm逐步采樣。通過式（2）計算位移，其中a=143.616，θ=3.147 17（弧度制）。測量數(shù)據(jù)誤差對比如表1所示，可以觀察到，在采用灰度質(zhì)心法求取深度位移時，最大偏大誤差在位移為1.3 mm時偏大0.0 611 mm，以及最大偏小誤差出現(xiàn)在位移為0.1 mm時，偏小0.055 5 mm?？梢钥闯觯ㄟ^用灰度質(zhì)心法[15]求取激光線的亞像素坐標對于系統(tǒng)的測量精度的提高有很大效果。

4 結語

本課題主要研究了木材噴涂行業(yè)工件三維測量的自動測量，旨在利用圖像處理技術自動檢測定位代替以往的人工噴涂的模式，提高木材窗框噴涂的效率。利用VS2013軟件作為設計平臺，以數(shù)字圖像處理技術為核心，從定位測量檢測算法的實用性出發(fā)，設計了木材噴涂行業(yè)工件三維測量算法。該算法通過精確的區(qū)域定位，準確地判斷木材工件的位置，滿足了后續(xù)噴涂定位的要求。

[參考文獻]

[1]馬巖我國數(shù)控木工機械的發(fā)展現(xiàn)狀及自動化技術的研發(fā)方向[J].林業(yè)機械與木工設備，2012 （1）：4-9

[2]張國福，沈洪艷.機器視覺技術在工業(yè)檢測中的應用綜述[D].長春：長春工業(yè)大學，2013.

[3]陳建可.基于機器視覺的實時輪轂智能識別系統(tǒng)的研究[D].太原：太原科技大學，2014

[4]秦亞航，蘇建歡，余榮川機器視覺技術的發(fā)展及其應用[J].科技視界，2016（ 25）：12-35.

[5]林貽斌激光三維輪廓檢測技術研究[D].天津：天津理工大學，2005

[6]張文斌.基于線結構光的三維視覺關鍵技術研究[D].太原：中北大學，2013.

[7]王鵬光柵投影三維輪廓測量技術標定方法的研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[8]梁猛，方強等腰三角形結構光編碼的面形測量誤差分析[J].光學學報，2000 （11）：20-46.

[9]馮金城.高精度實時激光三角測距系統(tǒng)設計[D].南京：南京理工大學，2008

[10]李高勇.用光傳感器測量微小角位移的方法及裝置的研究[D].上海：東華大學，2007.

[11]KAZUHIKO I， HITOMI Y， KI-ICHIRO K， et al.Measurement of恤ickness of a thin film by means of laser interference at manyincident angles[J].Optics and Lasers in Engineering， 2004（1）：19-29

[12]ZHAOYU L，XU z L.Amelioration and precision improving of slitVVidth measurement system based on恤e orthogonal linear CCD[J].Infrared and Laser Engineering， 2006（1）：74-75