基于PCA-ICP點(diǎn)云快速配準(zhǔn)的刀具磨損檢測(cè)技術(shù)

羅勇波，吳意囡，朱春燕，詹白勺

（1.臺(tái)州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

基于PCA-ICP點(diǎn)云快速配準(zhǔn)的刀具磨損檢測(cè)技術(shù)

羅勇波1，吳意囡1，朱春燕2，詹白勺2

（1.臺(tái)州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

在刀具的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中，圖像配準(zhǔn)是磨損檢測(cè)的關(guān)鍵。本文提出基于共聚焦技術(shù)獲取刀具三維點(diǎn)云坐標(biāo)，結(jié)合主元分析（PCA）和迭代最近點(diǎn)算法（ICP）對(duì)采集的刀具點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分步配準(zhǔn)，高精度配準(zhǔn)后可有效地測(cè)量微徑刀具的磨損量，為進(jìn)一步提高刀具磨損檢測(cè)的精度提供了可行途徑。

刀具磨損；點(diǎn)云；PCA；ICP

0 引言

機(jī)器視覺(jué)法可直接獲取刀具加工部位的表面圖像，與新刀圖像配準(zhǔn)后對(duì)比可磨損部位的幾何形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，這種方法直接快速、無(wú)接觸、精度高，已經(jīng)成為刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)研究的熱點(diǎn)。利用共聚焦顯微技術(shù)獲取刀具的三維數(shù)據(jù)，新舊刀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是磨損檢測(cè)的關(guān)鍵。常規(guī)配準(zhǔn)方法有重心重合法、標(biāo)簽法、提取特征法三種。重心重合法通過(guò)計(jì)算兩點(diǎn)云矩陣的重心使之重合，達(dá)到配準(zhǔn)效果。該方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，但無(wú)法縮小旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位，只是糾正了平移誤差。標(biāo)簽法在測(cè)量前人為制定一些特征標(biāo)記，使用這些特征標(biāo)記或特征點(diǎn)的位置對(duì)兩個(gè)點(diǎn)云矩陣進(jìn)行定位，這種方式依賴(lài)于測(cè)量?jī)x器的精度。提取特征法需要配準(zhǔn)的點(diǎn)云具有比較明顯的特征，否則配準(zhǔn)誤差較大。

1 刀具數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

1.1 刀具圖像獲取

利用CarlZeiss公司AxioCSM700共聚焦顯微鏡進(jìn)行刀具表面形貌數(shù)據(jù)的采集，可過(guò)濾焦點(diǎn)前和焦點(diǎn)后的探測(cè)反射光，增強(qiáng)焦點(diǎn)處的反射光強(qiáng)度，通過(guò)移動(dòng)透鏡系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行三維掃描，圖像以灰度圖形式的矩陣數(shù)據(jù)保存。

1.2 刀具圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理

共聚焦激光掃描顯微鏡采集圖像為高度信息用Z軸灰度圖形式保存的圖像。數(shù)據(jù)導(dǎo)出選用CSV表格的格式，方便Matlab進(jìn)行對(duì)點(diǎn)云讀取和處理，并在三維重構(gòu)和配準(zhǔn)的時(shí)候需要把點(diǎn)云文件預(yù)處理，轉(zhuǎn)化成通用點(diǎn)云儲(chǔ)存格式。

1.3 刀具點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)與降噪

將經(jīng)過(guò)上述轉(zhuǎn)換處理流程處理出來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入GeomagicStudio獲得的點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理并三維重構(gòu)。通過(guò)上述方法，對(duì)采集的點(diǎn)云進(jìn)行初步的預(yù)處理，降噪。降噪之后的輸出降噪后的點(diǎn)云，保存成HTX點(diǎn)云頂點(diǎn)格式，利于與Matlab讀取和處理。

2 PCA-ICP刀具點(diǎn)云配準(zhǔn)

2.1 刀具點(diǎn)云數(shù)據(jù)PCA初步配準(zhǔn)

PCA（PrincipalComponentAnalysis主元分析）是一種有效的減少維數(shù)、檢測(cè)及提取數(shù)據(jù)集特征，簡(jiǎn)化分析的方式，用于計(jì)算數(shù)據(jù)集對(duì)方差貢獻(xiàn)的最大特征。對(duì)于點(diǎn)集P(x1,x2,…,xi)，點(diǎn)云重心和協(xié)方差cov為：

2.2 刀具點(diǎn)云ICP精確配準(zhǔn)

兩片點(diǎn)云大致重合，仍然達(dá)不到精度要求。本文進(jìn)一步利用ICP精確配準(zhǔn)。ICP算法（迭代最近點(diǎn)算法）配準(zhǔn)算法的焦點(diǎn)在于尋找最小二乘逼近的坐標(biāo)變換矩陣。

TG71

A

1671-0711（2016）10（下）-0052-02

臺(tái)州市科學(xué)技術(shù)局工業(yè)類(lèi)一般項(xiàng)目(15GY48)，浙江省工量刃具檢測(cè)與深加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（ZD201302,ZD201303）。