基于自適應(yīng)數(shù)據(jù)擬合的3D視覺傳感器設(shè)計(jì)

武輝林，武文娟，李 晧,姜 靜

(1.河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，河北 石家莊 050081；2.河北省信息安全認(rèn)證技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050081；3.中國人民大學(xué)信息學(xué)院，北京 100872；4.河北燃?xì)庥邢薰?，河?石家莊 050051)

0 引言

針對(duì)國內(nèi)機(jī)器人的特性和應(yīng)用特點(diǎn)，本文研究設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)光的3D傳感器系統(tǒng)，利用線激光掃描物體從而獲得整個(gè)被測(cè)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1-2]，3D視覺傳感器的應(yīng)用對(duì)于工業(yè)機(jī)器人多場(chǎng)景的大規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)保障，同時(shí)大大豐富了機(jī)器人的信息感知手段。它可以與機(jī)器人緊密結(jié)合，廣泛應(yīng)用于焊縫跟蹤、輪廓檢測(cè)、散亂物品識(shí)別、無序抓取等場(chǎng)合。

1 3D傳感器視覺系統(tǒng)整體流程

3D傳感器依靠激光器與相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，激光器為線激光器，激光投射在目標(biāo)物上，在目標(biāo)物表面形成漫反射，被相機(jī)拍攝到通過偏振片和濾波片的激光線條，通過圖像處理得到光條中心(光條中心的精確獲取是傳感器高精度的重要保證)，通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制3D傳感器的運(yùn)動(dòng)拍攝，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理得到感興趣信息，交由執(zhí)行機(jī)構(gòu)去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[3]。整體流程如圖1所示。

圖1 傳感器視覺系統(tǒng)整體流程圖

圖2 激光三角測(cè)量示意圖

2 激光三角測(cè)量計(jì)算方法

3D傳感器依通過相機(jī)捕獲的激光器光線配合生成三維圖像，激光器為一字線型，激光打在被測(cè)物上，在被測(cè)物表面經(jīng)過反射被相機(jī)掃描到，通過相機(jī)采集到的光線數(shù)據(jù)與CCD和激光器的位置關(guān)系，計(jì)算出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。Og為光點(diǎn)入射點(diǎn)，Xg是定義的橫向方向、Yg為定義的縱軸方向、Zg為法線方向，相機(jī)入射光線與水平面法線角度為α，CCD坐標(biāo)系與法線角度為β角。

用公式表示為：

(1)

3 世界坐標(biāo)和相機(jī)坐標(biāo)的關(guān)系

三維世界的坐標(biāo)都由世界坐標(biāo)系來表示。攝像機(jī)可以放置在三維世界中的的所有位置，可以用世界坐標(biāo)系來描述攝像機(jī)的位置，并用它來描述三維世界中的相機(jī)拍攝到的物體的位置。相機(jī)坐標(biāo)系是以CCD為中心的坐標(biāo)系統(tǒng)，CCD的光軸為z軸，CCD中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。它們之間的關(guān)系用下列公式表示。

(1)世界和相機(jī)坐標(biāo)關(guān)系的矩陣如式(2)所示

(2)

(2)圖像和世界坐標(biāo)系的公式如式(3)所示

(3)

加入傾斜因子校正空間關(guān)系后，世界坐標(biāo)W(xw,yw，zw)和圖像坐標(biāo)W(u，v)的關(guān)系為：

(4)

4 自適應(yīng)窗曲線擬合法

3D傳感器在接收光線部分采用了濾波片和偏振片相結(jié)合的方式去掉部分雜光，但是在復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，雜光不可避免，為此，采用自適應(yīng)窗曲線擬合的方法提取光條中心[4]，提取過程如圖3和圖4所示。

①原始光條圖像

②低通中值濾波

③閾值分割

④濾波并初定位

⑤自適應(yīng)窗曲線擬合

圖4 圖像處理過程

5 3D視覺檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

5.1 硬件組成

傳感器采用相機(jī)和激光線成45°的布局方式，相機(jī)為dalsa5000線陣相機(jī)，采用630nm激光器，選擇630±10nm的濾光片和偏振片。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用3D相機(jī)采集產(chǎn)品的深度圖，通過圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系的建立、光條中心提取、模板設(shè)定和提取、坐標(biāo)系建立、各個(gè)檢測(cè)位搜尋、比對(duì)等完成對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)，并根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)、光線變化、ROI特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)算法的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)ROI高度的精確測(cè)量，為了更好地指導(dǎo)流水線上的生產(chǎn)工作，該軟件設(shè)計(jì)中把檢測(cè)結(jié)果在顯示屏中實(shí)時(shí)顯示，可以方便質(zhì)檢人員隨時(shí)方便查看檢測(cè)結(jié)果。

通過本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的3D視覺傳感器可以完成物體的掃描和點(diǎn)云的重建，并根據(jù)需求通過點(diǎn)云算法完成定位、識(shí)別、測(cè)量等工作。圖5和圖6是對(duì)Led燈電路板進(jìn)行掃描和重建的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，物距在1m范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于1mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 掃描重建效果圖

圖6 檢測(cè)后效果圖

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)光的機(jī)器人視覺傳感器在速度及精度上都可以得到保證，同時(shí)還可適應(yīng)多種不同的測(cè)量環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，與機(jī)器人結(jié)合最為緊密，可廣泛應(yīng)用于焊縫跟蹤、輪廓檢測(cè)、散亂物品識(shí)別、無序抓取等場(chǎng)合。