视觉检测技术及应用.doc

视觉检测技术及应用 视夤检洲技术殷应用 叶声华，邾继贵，王仲，杨学友 （天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２） ［摘要］ 视觉检测技术，尤其是基于三角法的主动和被动视觉检测技术具有非接触、速度快、柔性好等特点， 是一种先进的检测手段，适合现代制造业的需要。文章论述了视觉检测技术原理，讨论了已经研制的多个实际视觉检测系统，从不同角度展示了视觉检测技术在现代制造业中广阔的应用前景。 ［关键词］主动视觉；被动视觉；检测系统；现代制造 引言 检测技术是现代制造业的基础技术之一，是保 １ 视觉检测技术原理 视觉检测采用图像传感器（ＣＣＤ器件等）实 证产品质量的关键。近几十年来，制造业在新材料、新工艺、新设备等方面取得了巨大进步，许多 传统的检测技术已不能满足现代制造业的需要，表现在：现代制造产品种类有很大的扩充，许多新型 现对被测物体的尺寸及空间位姿的三维非接触测 量。理论研究中有许多视觉测试原理可用于视觉检 测，如纹理梯度法、莫尔条纹法、飞行时间法 等【１］，但实际研究中发现，在诸多测试原理中，基于三角法的主动和被动视觉测量原理具有抗干扰 能力强、效率高、精度合适、组成简洁等优点，非 产品没有相应的检测方法；现代制造强调实时、在 线、非接触检测，确保对制造过程实现全面控制，提高生产效率和产品的合格率，这是许多传统检测手段无法提供的；现代产品的制造精度大大提高，要求相应高精度的检测方法。 现代制造业的进步需要研究新型的产品检测技术，在已经研究的多种技术中…，视觉检测技术 常适合制造现场的在线、非接触产品检测及监控。 图１给出了基于三角法的主动视觉测量原理，即结构光传感器测量原理。传感器由光平面投射器 和ＣＣＤ摄像机组成。设摄像机坐标系为ＯＸＹＺ，光平面和被测物体相交形成光条ｚ，记光条上某特征点Ｐ在ＯＸＹＺ中的坐标为（ｚ，Ｙ，ｚ），光平面 具有非接触、速度快、精度合适、现场抗干扰能力强等突出的优点［２］，能很好地满足现代制造业的 需求，在实际中显示出广阔的应用前景。 在ＯＸＹＺ中的方程已知，特征点Ｐ在摄像机像素坐标系中的坐标为（．７１７。，Ｙｍ），由摄像机数学模 型㈦４Ｊ知 视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴检测技术，和计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉检测技术利用计算机视觉研究成果，重点研究物体的几何尺寸及 物体在空间位姿的三维测量技术。 羔Ｙ三麓２ 。＝＾（ｚ，ｙ，ｚ）， 又，Ｐ点在光平面 厶（ｚ，ｙ，ｚ）＝０ ㈤一７ （２） ［收稿日期］［作者简介】 １９９９一０６—２８ 叶声华（１９３４一），男，湖北沙市人，天津大学教授，博士生导师 ＊国家“八五”重点攻关项目（８５—７２５—０２—０２）；“八六三”高科技项目（８６３—５１２—３０—０１） 万方数据 ｉ霪蘸蠢愁ｌ荔癣ｉ滋囊灌羹纂！蠢豢黧蘸蒸黛骥装滏 ＠ 内。其中：．疋，．厂ｖ是摄像机的模型函数，在摄像砚ｍ 觇 ｍ ＝＝ 也抛勉 机标定中可以精确地求得；．厶为光平面在ＯＸＹＺ坐标系中的方程，在标定传感器时可精确地求得。 联立（１）（２）可解出被测物体上特征点Ｐ在坐标系ＯＸＹＺ中的三维坐标。 乜岛 ４ 现光勉式中厂。。，，ｔ，和厂２。，＾，分别为左、右摄像机的模 型函数，通过标定摄像机可以准确地求得。 设左、右摄像机坐标系０１ｘ】ｙ１ｚ１和 ０２Ｘ２ 双目立体视觉传感器是基于三角法的被动视觉 测量原理的典型应用，其测量原理如图２所示。传 ｙ２２２之间的关系可表示为 Ｘ２＝ＲＸｌ＋Ｔ， （５） 式中：Ｘ１＝（ｚ１，Ｙ１，ｚ１）和Ｘ２＝（ｚ２，Ｙ２，Ｚ２）７；Ｒ为３×３阶坐标系间旋转变换矩阵；Ｔ为 器 ３×１阶坐标系间平移变换矩阵。 Ｒ，Ｔ在立体视觉传感器中是已知的，通过传 感器标定可严格地求出＋。 由（３）、（４）、（５）解出被测空间点Ｐ在左摄像机坐标系０１ｘ１ｙ】ｚ１中的三维坐标。 图１结构光传感器测量原理 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌｉｇｈｔ Ｓｅｎｓｏｒ 视觉检测技术的应用非常灵活，能适用于不同类型的检测任务［５６】。通常单个视觉传感器实现较小测量空间内的测量，而由多个传感器组成的视觉 测量系统可实现较大空间内的测量任务［５＇６］。视觉检测系统原理如图３所示。 多个传感器安装在刚性支架上形成统一的视觉检测系统，每个传感器实现对大型被测物体一个局部区域的测量，所有传感器组合实现对物体多个不同区域的测量，从而实现对被测物体的整体测量。 ｏｌＹｌｚｌ 图２双目立体视觉测量原理 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃｖｉｓｉｏｎ 邕． 图３多视觉传感器组成的视觉检测系统 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｖｉｓｕａｌｉｎｓｐｅ