機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法

高紅俐，朱亞倫，鄭歡斌，張兆年

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法

高紅俐，朱亞倫，鄭歡斌，張兆年

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

機(jī)器視覺檢測(cè)金屬疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中，需要先對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)計(jì)了機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裂紋測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，通過高斯平滑濾波和拉普拉斯圖像增強(qiáng)對(duì)標(biāo)定塊圖像預(yù)處理，采用亞像素邊緣檢測(cè)精確獲取圖像邊緣，根據(jù)標(biāo)定塊的特點(diǎn)，采用直線擬合法檢測(cè)標(biāo)定點(diǎn).建立針孔攝像機(jī)成像模型，并結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況采用一種改進(jìn)的Tsai標(biāo)定方法.在NI-Vision平臺(tái)上進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明本標(biāo)定算法達(dá)到了預(yù)期的功能和精度需求，為后續(xù)疲勞裂紋的測(cè)量奠定了基礎(chǔ).

攝像機(jī)標(biāo)定；數(shù)字圖像處理；疲勞裂紋檢測(cè)

在工程領(lǐng)域中，疲勞破壞已成為關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全的一個(gè)重要因素，為了研究金屬的抗疲勞破壞性能，往往要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[1-2].疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)[3-4]是通過研究試件在交變載荷作用下裂紋長(zhǎng)度的擴(kuò)展規(guī)律來材料的疲勞斷裂性能，一般是采用標(biāo)準(zhǔn)試件(如CT試件)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)要測(cè)量疲勞裂紋長(zhǎng)度，若要采用人工檢測(cè)，效率較低，且無法保證測(cè)量的精度和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的一致性，眾所周知，機(jī)器視覺已應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量，智能識(shí)別等各個(gè)領(lǐng)域，具有非接觸，高效快速，易于實(shí)現(xiàn)在線等優(yōu)點(diǎn)，因此采用機(jī)器視覺的方法提高疲勞裂紋的檢測(cè)精度和效率.

要通過機(jī)器視覺的方法完成對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)的測(cè)量，必須建立真實(shí)世界的坐標(biāo)與采集到圖像的像素坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也即是攝像機(jī)的標(biāo)定[5].攝像機(jī)標(biāo)定可分為傳統(tǒng)標(biāo)定方法、自標(biāo)定方法等，傳統(tǒng)標(biāo)定方法的主要工作是建立攝像機(jī)的成像模型，通過運(yùn)用標(biāo)定板的世界坐標(biāo)與其圖像的像素坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而求解出攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，典型方法有DLT，Tsai兩步法[6]等，其中Tsai兩步法求解速度快，精度較高.攝像機(jī)標(biāo)定對(duì)后續(xù)疲勞裂紋的測(cè)量精度有非常直接的影響.首先通過CCD相機(jī)采集高精度標(biāo)定塊圖像，為了獲取高精度的標(biāo)定點(diǎn)，采用亞像素邊緣檢測(cè)算法，并通過直線擬合法獲取標(biāo)定點(diǎn).然后，采用一種改進(jìn)的Tsai標(biāo)定算法，更適合于標(biāo)定點(diǎn)位于同一平面的情況.

1 機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裂紋測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)

機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)標(biāo)定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括疲勞試驗(yàn)機(jī)、圖像采集裝置、攝像頭安裝裝置及攝像頭運(yùn)動(dòng)控制器、計(jì)算機(jī)及其攝像機(jī)標(biāo)定相關(guān)軟件.圖像采集裝置包括CCD圖像傳感器、鏡頭、圖像采集卡和照明裝置.其主要工作原理是：將標(biāo)定塊裝夾到疲勞試驗(yàn)機(jī)上，打開照明光源，調(diào)節(jié)攝像機(jī)至合適位置[7]，然后拍攝標(biāo)定塊的圖像，通過圖像采集卡將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，在機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裂紋測(cè)量標(biāo)定系統(tǒng)軟件平臺(tái)上完成攝像機(jī)的標(biāo)定工作.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The block diagram of system

由于所設(shè)計(jì)的攝像機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)是高頻疲勞裂紋測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，標(biāo)定模板的選擇不同于常規(guī)攝像機(jī)標(biāo)定塊的形式，故自制一個(gè)“凸凹?jí)K”作為標(biāo)定塊，可以裝夾到高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上，其裝夾位置和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)試件在同一位置，標(biāo)定塊的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，各尺寸加工誤差在±0.02mm，選取圖中B～M共12個(gè)角點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn).

精確提取標(biāo)定試件的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，是研究攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的重要前提，關(guān)系到攝像機(jī)標(biāo)定的精確度，因此在進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定之前，需要對(duì)采集到的標(biāo)定試件圖像進(jìn)行圖像分析與處理，再利用相關(guān)算法來精確提取出標(biāo)定試件在圖像像素坐標(biāo)下的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過標(biāo)定算法求解出攝像機(jī)模型的內(nèi)外參數(shù).圖3為標(biāo)定系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu).

圖2 標(biāo)定塊結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.2 The dimensioned drawing of calibration block

圖3 標(biāo)定系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)Fig.3 The program structure of calibration system

2 基于亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)定點(diǎn)位置識(shí)別

基于亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)識(shí)別主要包括圖像預(yù)處理(圖像平滑去噪、圖像增強(qiáng))、邊緣檢測(cè)、亞像素邊緣檢測(cè)和標(biāo)定點(diǎn)檢測(cè).由于選用的標(biāo)定試件的邊緣為規(guī)則直線邊緣，灰度分布比較均勻，并且背景和目標(biāo)灰度差較大，噪聲較小.因此可采用簡(jiǎn)單的高斯平滑濾波和拉普拉斯圖像增強(qiáng)，圖4為圖像預(yù)處理結(jié)果.為了提高檢測(cè)精度，采用了亞像素檢測(cè)技術(shù)，在像素級(jí)邊緣的基礎(chǔ)上獲得了亞像素級(jí)的邊緣.標(biāo)定試件為一個(gè)“凹凸塊”，其標(biāo)定屬于直角型角點(diǎn)，在獲得邊緣位置的基礎(chǔ)上采用直線擬合法來求取標(biāo)定試件的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo).

圖4 標(biāo)定塊圖像預(yù)處理前后比較Fig.4 The comparison of before and after calibration block image preprocessing

2.1 標(biāo)點(diǎn)塊邊緣亞像素檢測(cè)方法

從圖4(b)中可以看出：預(yù)處理后圖像的邊緣較為規(guī)則，所采用的邊緣檢測(cè)方法是首先選取要進(jìn)行邊緣檢測(cè)的區(qū)域，然后在該區(qū)域內(nèi)的每一行或每一列的像素點(diǎn)沿著某一方向(水平方向或者豎直方向)逐像素掃描，每次掃描的過程中，記錄下那些與相鄰像素點(diǎn)亮度差值最大的像素點(diǎn)，這些點(diǎn)就是邊緣像素點(diǎn).亞像素邊緣檢測(cè)就是先將選取區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行亞像素插值，選用雙三次次插值方法，亞像素精度為1/6，再按上述的方法進(jìn)行掃描搜索，這樣可以獲得亞像素級(jí)別的邊緣，使得邊緣檢測(cè)的精度更高.

2.2 標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)檢測(cè)

直線擬合法標(biāo)定點(diǎn)檢測(cè)的原理是通過對(duì)目標(biāo)標(biāo)定點(diǎn)兩條相關(guān)邊緣進(jìn)行直線擬合，然后求出兩條直線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為要檢測(cè)的標(biāo)定點(diǎn).

其直線擬合原理是假設(shè)目標(biāo)標(biāo)定點(diǎn)其中的一條邊緣上有N個(gè)點(diǎn)(xi,yi)(i=1,2,…,N)，設(shè)其擬合直線的方程為

y=f(x)=ax+b

(1)

式中：a為直線的斜率；b為直線的截距，則最小二乘法的誤差方程表示為

(2)

由最小二乘擬合相關(guān)知識(shí)，知最優(yōu)直線方程相關(guān)參數(shù)滿足

(3)

求解出參數(shù)a,b，便可得到該條邊緣的直線方程.

獲取標(biāo)定點(diǎn)步驟是先令亞像素邊緣檢測(cè)沿豎直方向掃描，得到水平邊緣點(diǎn)，擬合成直線，然后再沿水平方向掃描，得到豎直邊緣點(diǎn)，擬合成直線，計(jì)算出兩條直線的交點(diǎn)就可以得到標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)，圖5為其中一個(gè)基于亞像素邊緣檢測(cè)的標(biāo)定點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果，該點(diǎn)的坐標(biāo)值是(661.51，266.03).

圖5 標(biāo)定點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果Fig.5 The image of calibration point detection

3 機(jī)器視覺疲勞裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)

3.1 機(jī)器視覺疲勞裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定模型

如圖6為機(jī)器視覺疲勞裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)的攝像機(jī)模型，設(shè)Xw=(xw,yw,zw)T為標(biāo)定試件的世界坐標(biāo)，Xc=(xc,yc,zc)T為攝像機(jī)坐標(biāo)，X=(x,y)T為理想CCD平面坐標(biāo)，各坐標(biāo)之間的變換關(guān)系[6]為

Xc=RXw+T

(4)

(5)

圖6 攝像機(jī)模型Fig.6 The camera model

以上模型的建立未考慮鏡頭畸變等相關(guān)因素，在考慮到畸變的情況下，設(shè)畸變后的CCD平面坐標(biāo)也就是實(shí)際CCD平面坐標(biāo)Xd=(xd,yd)T，在考慮二階徑向畸變和圖像的縱橫比畸變的情況下，理想CCD平面坐標(biāo)與實(shí)際CCD平面坐標(biāo)的關(guān)系[7]為

(6)

實(shí)際CCD平面坐標(biāo)離散化后得到像素坐標(biāo)Xu=(u,v)T，即

(7)式中：(u0,v0)為攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)；dx,dy為單個(gè)像素的物理尺寸，由相機(jī)廠家給出為4.65 μm×4.65 μm.

3.2 改進(jìn)的Tsai機(jī)器視覺疲勞裂紋測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定算法

本系統(tǒng)使用的標(biāo)定塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，需通過試件上的共面特征點(diǎn)來進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定.傳統(tǒng)的Tsai兩步法[6]精度高、操作簡(jiǎn)單，但是該標(biāo)定方法在求解參數(shù)Sx要求標(biāo)定點(diǎn)不共面.故采用一種改進(jìn)的Tsai標(biāo)定算法[8].其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)選取圖像中心為主點(diǎn)坐標(biāo)(512，384)(通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，u0和v0值的變化對(duì)總的標(biāo)定精度影響不大，可參見Tsai的相關(guān)研究[9]).

2)已知標(biāo)定試件平面上標(biāo)定點(diǎn)世界坐標(biāo)為(xw,yw,zw),由于所有標(biāo)定點(diǎn)是共面的,可令zw=0,對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)為(u,v),各標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示.假設(shè)鏡頭綜合畸變參數(shù)的初始值：Sx=1,k1=0,k2=0,根據(jù)式(7，6)可以計(jì)算出標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)際CCD平面坐標(biāo)(xd,yd)和理想CCD平面坐標(biāo)(x,y).

表1 標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)和像素坐標(biāo)

3)由式(4，5)可知

(8)

各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)和理想CCD平面坐標(biāo)帶入上式，整理可得線性方程組為

式(9)可看作一個(gè)線性方程組，有fr1/Tz,fr2/Tz,fTx/Tz,fr4/Tz,fr5/Tz,fTy/Tz,r7/Tz,r8/Tz共8個(gè)未知量，故只需要知道不少于4個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)即可通過最小二乘法求出全部的8個(gè)未知量.因?yàn)镽是正交矩陣，所以存在關(guān)系式

(9)

(10)

由此，可解出f/Tz,從而算出r1,r2,r4,r5,Tx,Ty.

4) 根據(jù)R的正交性，計(jì)算R的其余參數(shù)，即

(11)

若r1r4+r2r5的符號(hào)為正，則在r6前面冠以負(fù)號(hào)，即

(12)

再由r7/Tz和r8/Tz可算出Tz,最后由f/Tz可求出f.如果計(jì)算得到的焦距f為負(fù)號(hào),則r3，r6，r7，r8的符號(hào)與上面的相反.

5) 由解出的R，T可計(jì)算出(xc,yc,zc),代入式

(13)

6)用步驟5)中得到的Sx，k1，k2的值，代替步驟2)中它們的初始值，重復(fù)步驟3～5)進(jìn)行迭代，直到各畸變參數(shù)前后兩次迭代結(jié)果差值小于要求誤差.

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了完成標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和疲勞裂紋測(cè)量試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖7所示.本實(shí)驗(yàn)中的疲勞試驗(yàn)機(jī)為PLG-100諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī).CCD選用SONY公司生產(chǎn)的工業(yè)相機(jī)XC-HR70，其靶面尺寸是4.8mm×3.6mm，像素尺寸是4.65μm×4.65μm，分辨率是1 024×768，鏡頭選用Myutron公司生產(chǎn)的定焦工業(yè)鏡頭LM12NC3，其焦距為12mm.另外，光源對(duì)圖像的質(zhì)量檢測(cè)精度有較大的影響，要求其能夠?qū)⑽矬w圖像與背景圖像區(qū)分開來，且能夠使被照射問題邊緣輪廓清晰.在對(duì)比市場(chǎng)上各種類型光源，LED光源有更高的穩(wěn)定性更長(zhǎng)的使用壽命，實(shí)驗(yàn)選用德國(guó)WEILANG公司生產(chǎn)的HX-A30-D70-W-24V環(huán)形光源.數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)NI公司的PCI-1410圖像采集卡，可通過PCI總線插槽與計(jì)算機(jī)連接.另外，本系統(tǒng)采用的軟件開發(fā)平臺(tái)是美國(guó)NI公司的IMAQ-VISION平臺(tái)，一方面，方便與硬件設(shè)備的連接，另一方面，其內(nèi)部有較多的圖像采集與處理的相關(guān)函數(shù)方便調(diào)用.

1—攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器；2—攝像機(jī)云臺(tái)；3—攝像機(jī)組件；4—試驗(yàn)機(jī)；5—試驗(yàn)機(jī)載荷現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字控制器；6—上位計(jì)算機(jī)圖7 標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Setup for calibration system

經(jīng)過標(biāo)定之后，攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果如表2所示.

表2 攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)誤差來源分析

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，誤差產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾個(gè)方面：

1) 標(biāo)定試件誤差.本系統(tǒng)使用適用于高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)定試件，由于標(biāo)定試件制造和長(zhǎng)期使用會(huì)造成一定的磨損，影響標(biāo)定試件邊緣的準(zhǔn)確性和各個(gè)角點(diǎn)的物理坐標(biāo)，從而引起實(shí)驗(yàn)誤差.

2) 圖像采集系統(tǒng)誤差.光照的不均勻性，CCD的靶面尺寸與分辨率，以及圖像采集卡的采樣和量化誤差等都會(huì)影響測(cè)量的精度.

3) 圖像處理算法誤差.任何算法都有一定的缺陷，圖像預(yù)處理，亞像素檢測(cè)以及標(biāo)定點(diǎn)檢測(cè)選擇不同的算子不同的算法往往都會(huì)存在不同的誤差.

4 結(jié) 論

通過對(duì)機(jī)器視覺疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法的理論和實(shí)驗(yàn)研究，確定了標(biāo)定試件圖像的圖像處理方法，亞像素邊緣檢測(cè)以及亞像素標(biāo)定點(diǎn)的檢測(cè)方法.建立了攝像機(jī)的針孔模型和畸變模型，并采用一種改進(jìn)的Tsai標(biāo)定方法通過最小二乘法求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù).搭建機(jī)器視覺疲勞裂紋檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于NI-Vision平臺(tái)編制標(biāo)定程序，最后進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得到比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的可行性，為下一步的疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)的精確測(cè)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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Crack measurement system calibration method for the machine vision fatigue crack propagation test

GAO Hongli, ZHU Yalun, ZHENG Huanbin, ZHANG Zhaonian

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of Education, Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014, China)

In the machine vision metal fatigue crack propagation test, the camera should be calibrated firstly. The experimental device was designed for machine vision fatigue crack propagation test, and calibration block image was preprocessed with Gauss smoothing filter and Laplace image enhancement, in order to obtained the precision edge, sub-pixel edge detection was used. According to the calibration block structure, a method based on straight line fitting was proposed to get the calibration points. The camera imaging model is established, an improved Tsai calibration method is used in the calibration algorithm combined with the actual situation. Calibration experiment is conducted on NI-VISION software development platform. The result shows that the calibration algorithm achieves the expected function and precision, and it lays the foundation of fatigue crack detection.

camera calibration; digital image processing; fatigue crack detection

(責(zé)任編輯：劉 巖)

2016-03-21

高紅俐(1968—)，女，河北承德人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)閳D像處理、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與控制，E-mail：ghl_zjut@126.com.

TP242.6；TP391.7

A

1006-4303(2017)01-0099-05