一種基于激光輪廓測量技術的型材自動檢測系統

吳秀才 宋建云

摘 要：本文采用激光輪廓測量方法，對型材的外觀尺寸進行自動測量;使用線激光器照射型材表面形成高亮的激光線輪廓，該輪廓線在相機中成像，再結合線激光器和相機的相對坐標以及相機的標定參數，采用攝影測量算法，計算出型材表面各點在空間坐標系下的坐標，最終設計出一套可自動測量型材外觀尺寸的型材自動檢測系統。

關鍵詞：輪廓測量;線激光器;標定;攝影測量

中圖分類號：TN491 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0036-02

0 引言

鋁材、鋼材等型材的外觀尺寸自動檢測是制約廠家提高產品質量的關鍵技術，目前主要通過人工抽樣的方式離線檢測型材尺寸，具有測量精度低，實時性差的缺點，造成不合格產品較多，浪費大;而歐美等國家已普遍采用激光三角輪廓測量技術，對生產線上的型材進行實時尺寸測量，并將型材的尺寸偏差及時反饋給型材生產機構，通過調整生產機構來修正尺寸偏差，從而保證生產出高精度型材。

1 激光輪廓測量技術介紹

激光輪廓測量技術通過測量型材的高度輪廓線重建它的表面[1]，進而實現型材自動檢測?；诩す廨喞獪y量技術的型材自動檢測設備包括一臺線激光器（其能夠投射出薄的激光線），一臺工業相機，一個編碼器，一個線性定位傳輸系統（例如，傳送帶）和一臺圖像測量處理設備。在系統標定過以后，線激光器，相機和線性定位系統之間的關系不能改變，而由該定位系統傳輸的物體位置，相對于線激光器和線陣相機變化，由于輪廓圖像一列一列的進行處理，輪廓必須定向為大致水平的，即，大致平行于圖象的行。

2 激光輪廓測量原理

通過標定激光輪廓測量設備可以獲得相機的內外參數，鏡頭的畸變參數，光平面在世界坐標系中的方向，以及在兩次連續測量之間的物體相對運動，如圖1所示。

2.1 標定相機

相機的標定包括相機外部參數標定和相機內部參數標定兩部分[2]。相機外部參數用于確定相機相對于世界坐標的位置。標定相機的內部參數時，兩個畸變模型可以使用：分割模型和多項式模型。

分割模型的優點是畸變可以被應用得更快，尤其是反向畸變，即，世界坐標被投影到像平面上。進一步，如果僅僅使用少數標定圖像或者視場沒有有效覆蓋，分割模型通常比多項式模型產生更穩定的結果。多項式模型的主要優點是它可以更精確的對畸變建模，因為它使用更高階的項對徑向畸變建模，并且它也對偏心畸變建模。多項式模型不能被反轉解析，因此反向畸變必須被迭代計算，這比使用（解析可逆）分割模型計算逆畸變要慢[3]。通常情況下，分割模式被用于標定。如果標定的精度不夠高，可以使用多項式模型。

測量平面可以被定義為z=0的世界坐標系（WCS）。在（眾多）用于確定相機內部參數的圖像中的一幅中，標定板必須直接放在測量平面上（在本測量設備中，測量平面為型材的生產流水線）。根據標定板位姿和在相機中的相應點的圖像坐標，可以計算相機的外部和內部參數。

2.2 確定光平面相對于所述WCS的取向

三個對應點代表了獲得一個平面的最少點數。為了增強標定精度，需要冗余的點;因此，需要測量多于三個對應點。然后，依靠擬合一個平面到獲得的點云中，該光平面被近似模擬出來。

2.3 標定物體相對于該測量設備的移動

為了描述的物體運動姿勢，標定線性定位系統的運動，至少需要兩張具有不同運動狀態的圖像[4]。為了提高精度，我們不使用相隔相鄰移動步數的圖像，卻要使用相隔已知移動步數的圖像（例如10步）?，F在，對于兩幅圖像來說標定板的姿勢都被推導出。然后，描述這兩個姿態之間的變換關系的姿勢被計算出來，這個變換即10步移動之間的變換。（這里假定沒有旋轉，因此所有的旋轉因素被設置為0。）為了得到單步運動姿態，描述多步運動轉換的元素，被按步數劃分。

3 設備組成及測量效果

本型材自動檢測設備由工業相機和鏡頭，線激光發射器，計算機和激光輪廓測量軟件組成。

3.1 相機

相機的參數指標如表1。

3.2 線激光器

線激光發射器發射一束光，在物體表面會形成一條亮線，從某已知角度觀測該線的扭曲變形情況就可計算出物體表面的高度變化。

3.3 激光測量軟件

激光輪廓測量軟件運行在計算機上，用于完成型材表面輪廓尺寸的實時測量，并依據輪廓線拼接出3D輪廓外觀，進而判斷其是否合格。它由Matlab軟件和QT兩部分軟件組成;利用Matlab實現相機的內外參數標定，和圖像處理[5]，進而計算型材的3D輪廓;用QT完成界面和通信設計。

實際測量效果如圖2和圖3。

將系統測量的物體尺寸數據與物體實際的尺寸相比較，測量誤差不大于0.1mm，經實際調研，該誤差滿足現有絕大多數型材尺寸測量的需要。

3.4 系統精度分析

實際測量中發現，有兩種因素會影響測量精度。第一種因素是由要重建的型材表面的幾何形狀。相對于平坦的型材，彎曲表面和具有明顯斜率的表面導致光線變寬，而且輪廓中的光線分布不再均衡，將導致測量精度降低。第二類因素是激光和物體表面的相互作用。當激光照射在粗糙的紋理表面上時，會產生干涉圖形，這些干涉圖形被稱為散斑并可以被認為是不會累加的噪聲，這意味著不能靠圖像采集期間的平均值來減少這種噪聲;在這種情況下，必須使用更高光圈的鏡頭進行圖像采集或低散斑的高質量線激光發射器。

4 結語

通過設計的基于激光輪廓測量技術的型材自動檢測設備，可以對型材進行輪廓尺寸實時測量，并對生產線上的型材產品進行實時糾偏。通過選用高質量的工業相機和線激光發射器，結合高精度相機標定方法，可將型材輪廓尺寸檢測誤差控制在0.1mm以內，滿足絕大部分型材檢測的需要。

參考文獻

[1] 韓成.基于結構光的計算機視覺[M].國防工業出版社，2015.

[2] 張汝婷.基于線激光掃描的全角度三維成像系統[D].杭州：浙江大學，2015.

[3] 周森.基于自動激光掃描技術的三維幾何在線測量系統研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[4] 金文燕.激光三角測距傳感器建模及參數優化研究[J].傳感技術學報，2006（04）：164-167.

[5] 王家文.Matlab 6.5圖形圖像處理[M].國防工業出版社，2004.

A Profile Automatic Detection System Based on Laser Profile Technology

WU Xiu-cai1， SONG Jian-yun2

（1. Zhengzhou Technology and Business University，Mathematics Teaching and Research Department，Zhengzhou Henan ?451400;2.China Electronic Science and Technology Group 27，Zhengzhou Henan ?450001）

Abstract：In this paper， the appearance dimensions of the profile are automatically measured by laser triangulation method， and the surface of the profile is irradiated by a wire laser to form a highlighted laser line profile， which is imaged in the camera， and combined with the relative coordinates of the wire laser and camera and the calibration parameters of the camera， the photogrammetry algorithm is used. Calculate the coordinates of each point of the profile surface under the spatial coordinate system， and finally design a profile automatic detection system that can automatically measure the appearance size of the profile.

Key words：profile measurement;line lasers;calibration;photogrammetry