一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及机器视觉位移测量技术领域，更具体地说，它涉及一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备。

背景技术

随着机器视觉技术及人工智能算法的不断发展，机器视觉位移测量技术已经越来越具备可用性，且具备高速、多测点同步进行的优点。常规的机器视觉位移测量是采集标靶图像，计算标靶形心以得出标靶中心坐标，用于计算标靶间相对位置变化。常规的机器视觉位移测量存在一下问题：无法自动识别标靶编号，对于成像画面中相近标靶发生的交错移位情况难以处理；基于单一形式的标靶图案在形心法计算时容易受到成像缺陷影响，造成数据精度降低及数据波动。

有基于此，发明人提供一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备，解决上述问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备，解决目前的机器视觉位移测量中无法自动识别标靶，位移测量易受图像畸变影响的问题。本方案通过编码区域识别标靶编码，通过共心多图案区域实现图像畸变修复以及数据校验，提高计算精度。

本申请第一方面，提供一种基于标靶的机器视觉位移测量方法，包括：置于固定位置的参考标靶和置于待测位置的测量标靶，所述参考标靶和测量标靶均包括编码区域和共心多图案区域，所述编码区域包括一个标识点位和多个反光区域，所述共心多图案区域包括多个共心设置的中心对称图案，所述参考标靶和测量标靶平行设置，置于机器视觉采集仪的可视范围内；所述机器视觉位移测量方法，包括：在光线照射标靶时，采集可视范围内的多个标靶图像；根据标靶图像的编码区域识别标靶编码，根据标靶编码将多个标靶图像分为参考标靶图像和测量标靶图像；对参考标靶图像和测量标靶图像进行镜头畸变校正；根据共心多图案区域对校正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行透视成像变形修正；根据共心多图案区域对修正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行形心计算与校验，获得参考标靶形心和测量标靶形心；计算测量标靶形心相对于参考标靶形心的位移变化值，作为测量标靶位移值。

采用上述技术方案，基于机器视觉获取标靶图像，基于标靶图像自动识别各标靶编码，实现标靶编码识别、分组管理，可有效应对相近标靶交错移位时标靶的识别与位移测量。机器视觉可识别共心多图案，通过多个共心的中心对称图案实现标靶图像的变形修正，以及测量值校验，提高系统测量精度。

在一种可能的实施方式中，根据标靶图像的编码区域识别标靶编码，包括：从标识点位开始顺序读取每个反光区域状态，根据反光区域是否发光进行编码，组成多位二进制数作为标靶编码。

在一种可能的实施方式中，根据编码方式的不同将所述标靶编码分为：全序号编码、分组编码和校验编码；所述全序号编码是指多位二进制均用作序号编码；所述分组编码是指多位二进制中一部分用作组号编码，一部分用作序号编码；所述校验编码是指多位二进制中一部份用作编码，一部分用作校验码。

在一种可能的实施方式中，对参考标靶图像和测量标靶图像进行镜头畸变校正，包括：对参考标靶图像和测量标靶图像中的桶形畸变和枕型畸变进行校正。

在一种可能的实施方式中，根据共心多图案区域对校正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行透视成像变形修正，包括：从校正后的参考标靶图像和测量标靶图像的共心多图案区域提取多组对称点坐标，通过多组对称点坐标求解多个透视变换矩阵；对多个透视变换矩阵分别进行离群值筛选和剩余值平均，得到参考标靶图像和测量标靶图像均适用的图像透视变换矩阵；基于图像透视变换矩阵对参考标靶图像和测量标靶图像进行变形处理，获得透视成像变形修正后的参考标靶图像和测量标靶图像。

在一种可能的实施方式中，根据共心多图案区域对修正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行形心计算与校验，获得参考标靶形心和测量标靶形心，包括：从修正后的参考标靶图像和测量标靶图像中分别提取多个中心对称图案，根据中心对称图案分别计算参考标靶图像和测量标靶图像的中心点坐标；对参考标靶图像和测量标靶图像的中心点坐标按国标进行离群值筛选，对剩余中心点坐标值进行平均计算，得到参考标靶形心和测量标标靶形心。

本申请第二方面，提供一种基于标靶的机器视觉位移测量系统，包括：标靶和机器视觉采集仪；所述标靶包括置于固定位置的参考标靶和置于待测位置的测量标靶，所述参考标靶和测量标靶均包括编码区域和共心多图案区域，所述编码区域包括一个标识点位和多个反光区域，所述共心多图案区域包括多个共心设置的中心对称图案，所述参考标靶和测量标靶平行设置，置于机器视觉采集仪的可视范围内；所述机器视觉采集仪用于执行如上所述的一种机器视觉位移测量方法。

在一种可能的实施方式中，所述共心多图案区域包含共心设置的圆环图案、回形正方形图案和中心正方形图案，所述回型正方形图案水平布置，所述中心正方形图案旋转45度布置，所述中心正方形图案的对角线与所述回型正方形图案的边正交。

在一种可能的实施方式中，所述编码区域包含1个标识点位和8个反光区域。

在一种可能的实施方式中，所述编码区域环绕所述共心多图案区域设置。

在一种可能的实施方式中，所述标靶为正方形，所述编码区域置于标靶外围，所述共心多图案区域置于标靶内部，所述编码区域的标识点位置于标靶的一角，所述编码区域的多个所述反光区域两个一组，置于标靶的四个角。

在一种可能的实施方式中，所述参考标靶和测量标靶平面均与机器视觉采集仪光轴垂直。

在一种可能的实施方式中，系统还包括：远程信息服务平台，用于接收机器视觉采集仪计算得到的测量标靶位移值。

本申请第三方面，提供一种机器视觉采集仪，包括：采集模组，用于向标靶发射光线并采集多个标靶图像；处理器，用于执行如上任一所述的一种机器视觉位移测量方法；通信模组，用于向远程信息服务平台传输测量标靶位移值相；以及，电源模组，用于为所述采集模组、处理器以及通信模组供电。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：本发明提供的一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备，基于机器视觉获取标靶图像，基于标靶图像自动识别各标靶编码，实现标靶编码识别、分组管理，可有效应对相近标靶交错移位时标靶的识别与位移测量。机器视觉可识别共心多图案，通过正交及对称图案实现标靶图像的畸变校正与透视成像变形修正。计算标靶形心时还可以根据共心多图案进行测量值校验，提高系统测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明提供的基于标靶的机器视觉位移测量方法的流程图；

图2为本发明提供的标靶图像透视成像变形的示意图；

图3为本发明提供的基于标靶的机器视觉位移测量系统的结构示意图。

图4为本发明提供的标靶图像共心多图案区域的示意图；

图5为本发明提供的标靶图像编码区域的示意图；

图6为本发明提供的一种机器视觉采集仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。

目前的机器视觉位移测量无法自动识别标靶，位移测量易受图像畸变影响的问题。有基于此，本申请提供一种基于标靶的机器视觉位移测量方法、系统及设备，通过机器视觉识别编码区域自动获得标靶编码，通过机器视觉提取共心和正交的多个图案，实现形心计算与校验，从而提高位移测量数据的计算精度。

请参见图1所示，图1为基于标靶的机器视觉位移测量方法的流程图。实施例第一方面提供一种基于标靶的机器视觉位移测量方法。该方法基于：置于固定位置的参考标靶和置于待测位置的测量标靶，所述参考标靶和测量标靶均包括编码区域和共心多图案区域，所述编码区域包括一个标识点位和多个反光区域，所述共心多图案区域包括多个共心设置的中心对称图案，所述参考标靶和测量标靶平行设置，置于机器视觉采集仪的可视范围内；所述机器视觉位移测量方法，包括：

S1、在光线照射标靶时，采集可视范围内的多个标靶图像；

S2、根据标靶图像的编码区域识别标靶编码，根据标靶编码将多个标靶图像分为参考标靶图像和测量标靶图像；

S3、对参考标靶图像和测量标靶图像进行镜头畸变校正；

S4、根据共心多图案区域对校正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行透视成像变形修正；

S5、根据共心多图案区域对修正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行形心计算与校验，获得参考标靶形心和测量标靶形心；

S6、计算测量标靶形心相对于参考标靶形心的位移变化值，作为测量标靶位移值。

具体的，标靶(参考标靶和测量标靶)镂空设置有编码区域和共心多图案区域，标靶镂空部份为反光膜片，可经红外LED照射后反光。标靶上编码区域根据编码设置预安装有黑色遮盖膜片，黑色遮盖膜片可以控制各个反光区域是否反光，以实现标靶的独立编码。

测量前，将编码好的标靶布置于需要测量位移的部位作为测量标靶，另选取机器视觉视场内的固定点布置编码好的标靶作为参考标靶。各标靶要求平行布置，保证图像畸变近似。多个标靶设置在机器视觉的范围内。测量时，使用红外LED灯照射标靶，标靶的编码区域和共心多图案区域反射光线，此时可通过机器视觉采集标靶图像。识别标靶编码，按提前记录的参考标靶编码、测量标靶编码，区分测量标靶图像和参考标靶图像。对图像进行镜头畸变校正和透视成像变形修正，获得修正后的标靶图像。利用共心多图案区域进行多次形心计算，通过多次形心计算数据进行校验，获得标靶形心。基于测量标靶的标靶形心和参考标靶的标靶形心进行位移测量，获得精确的测量结果。

可以理解的是，本方法基于机器视觉获取标靶图像，基于标靶图像自动识别各标靶编码，实现标靶编码识别、分组管理，可有效应对相近标靶交错移位时标靶的识别与位移测量。机器视觉可识别共心多图案，通过多个中心对称图案实现标靶图像的畸变校正与透视成像变形修正。计算标靶形心时，根据共心多图案进行测量值校验，提高系统测量精度。

在一种可能的实施方式中，根据标靶图像的编码区域识别标靶编码，包括：从标识点位开始顺序读取每个反光区域状态，根据反光区域是否发光进行编码，组成多位二进制数作为标靶编码。

具体的，可以从标识点位开始顺时针、逆时针或者以人为设置的特定顺序读取每个反光区域的状态，状态包括发光和不发光，可用数字表示记为0或1，最终组成多位二进制数作为标靶编码。例如，8个反光区域，每个反光区域根据是否受黑色遮盖膜片遮挡，分为反光和不反光，反光记为1，不反光记为0。识别时，从标识点位开始，依次读取：编码0、编码1、编码2、编码3、编码4、编码5、编码6、编码7的反光区域状态，获取一串八位二进制数编码，作为标靶编码。

在一种可能的实施方式中，根据编码方式的不同将所述标靶编码分为：全序号编码、分组编码和校验编码；同样以8个反光区域为例：

(1)所述全序号编码是指8位二进制均用作序号编码，可编0-255共计256个号；

(2)所述分组编码是指8位二进制中一部分用作组号编码，一部分用作序号编码，如表1所示。

表1分组编码表

(3)所述校验编码是指8位二进制中一部份用作编码(全序号编码或分组编码)，一部分用作校验码。

在一种可能的实施方式中，对参考标靶图像和测量标靶图像进行镜头畸变校正，包括：对参考标靶图像和测量标靶图像中的桶形畸变和枕型畸变进行校正。

具体的，标靶布设时，不是完全垂直于相机光轴，而是存在一定角度，这样会造成标靶图像畸变，包含枕形、桶形畸变，可以通过常规镜头畸变方法(如标定靶等)对采集到的图像进行校正。此外，在测量前要求多个标靶平面平行安装，标靶平面与相机光轴线垂直，以使各标靶在成像中畸变情况一致，简化校正过程。

在一种可能的实施方式中，根据共心多图案区域对校正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行透视成像变形修正，包括：从校正后的参考标靶图像和测量标靶图像的共心多图案区域提取多组对称点坐标，通过多组对称点坐标求解多个透视变换矩阵；对多个透视变换矩阵分别进行离群值筛选和剩余值平均，得到参考标靶图像和测量标靶图像均适用的图像透视变换矩阵；基于图像透视变换矩阵对参考标靶图像和测量标靶图像进行变形处理，获得透视成像变形修正后的参考标靶图像和测量标靶图像。

请参见图2所示，图2为标靶图像透视成像变形的示意图。以圆环图案、回形正方形图案和中心正方形图案组成的共心多图案区域为例。从回形正方形区域和中心正方形区域提取三个方形F1、F2、F3，根据各个方形的四个角点求解透视变换矩阵；三个方形可以求出对应的三个透视变换矩阵，基于三个透视变换矩阵对矩阵的对应位置数据进行离群值筛选，剔除差异过大的无效数据，对剩余的有效数据求平均，得出最终的图像透视变换矩阵；基于图像透视变换矩阵对标靶图像进行变形处理，获得透视成像变形修正后的图像。

需要说明的是，以上以一个标靶为例说明透视成像变形修正过程，实际应用中视场范围内有多个标靶，可按前述过程求解所有标靶图像中的透视变换矩阵，经过离群值筛选后，剩余有效数值平均计算得出图像透视变换矩阵用于修复所有标靶图像的透视成像变形。

在一种可能的实施方式中，根据共心多图案区域对修正后的参考标靶图像和测量标靶图像进行形心计算与校验，获得参考标靶形心和测量标靶形心，包括：从修正后的参考标靶图像和测量标靶图像中分别提取多个中心对称图案，根据中心对称图案分别计算参考标靶图像和测量标靶图像的中心点坐标；对参考标靶图像和测量标靶图像的中心点坐标按国标进行离群值筛选，对剩余中心点坐标值进行平均计算，得到参考标靶形心和测量标标靶形心。

具体的，以圆环图案、回形正方形图案和中心正方形图案组成的共心多图案区域为例。从圆环区域、回形正方形区域和中心正方形区域中提取两个圆形C1、C2和三个方形F1-F3；计算出两个圆形和三个方形各自对应的中心点O1～O5坐标值，对5个中心点坐标值按国标对离群值进行筛选，获取剩余中心点数据并进行平均计算，得出标靶形心。

最后，通过步骤S6、计算测量标靶形心相对于参考标靶形心的位移变化值，作为测量标靶位移值。

实施例第二方面，提供一种基于标靶的机器视觉位移测量系统，请参见图3所示，图3为基于标靶的机器视觉位移测量系统的结构示意图。系统包括：标靶和机器视觉采集仪；所述标靶包括置于固定位置的参考标靶和置于待测位置的测量标靶，所述参考标靶和测量标靶均包括编码区域和共心多图案区域，所述编码区域包括一个标识点位和多个反光区域，所述共心多图案区域包括多个共心设置的中心对称图案，所述参考标靶和测量标靶平行设置，置于机器视觉采集仪的可视范围内；所述机器视觉采集仪用于执行如上所述的一种机器视觉位移测量方法。

具体的，参考标靶提供位移测量的参考位置，测量标靶跟随待测物体移动，机器视觉采集仪实现标靶图像的采集、校正、形心计算以及位移测量。

测量标靶固定在待测点上，随待测点移动；参考标靶固定在视场区域内一固定点上；机器视觉采集仪通过稳定机械装置固定在基准点上。通过机器视觉采集仪采集标靶图像，以及执行上述的机器视觉位移测量方法，计算参考标靶和测量标靶的标靶形心坐标，坐标之差即为测量标靶位移值Δx与Δy。

在一种可能的实施方式中，所述共心多图案区域包含共心设置的圆环图案、回形正方形图案和中心正方形图案，所述回型正方形图案水平布置，所述中心正方形图案旋转45度布置，所述中心正方形图案的对角线与所述回型正方形图案的边正交。

请参见图4所示，图4为标靶图像共心多图案区域的示意图。具体的，标靶从外到内依次共心设置：圆环图案、回形正方形图案和中心正方形图案。图中白色区域设置反光膜片，有利于机器视觉提取图案。

请参见图5所示，图5为标靶图像编码区域的示意图。所述编码区域包含1个标识点位和8个反光区域。从标识点位开始按顺序读取8个反光区域的状态，可以得到一串八位二进制数作为标靶编码，实现标靶的分组、管理与识别。

需要说明的是，图5仅为一个可用于实施的示例，反光区域的个数设置以及编码格式并不受本例的限制。

在一种可能的实施方式中，所述编码区域环绕所述共心多图案区域设置。编码区域可在共心多图案区域以外环绕，或在共心多图案区域以内环绕。其目的在于，使得编码区域与共心多图案区域保持紧凑，尽量在保证功能的同时缩小标靶面积。

在一种可能的实施方式中，为了进一步缩小标靶面积，紧凑布局。所述标靶为正方形，所述编码区域置于标靶外围，所述共心多图案区域置于标靶内部，所述编码区域的标识点位置于标靶的一角，所述编码区域的多个所述反光区域两个一组，置于标靶的四个角。

在一种可能的实施方式中，所述参考标靶和测量标靶平面均与机器视觉采集仪光轴垂直。

具体的，实际实用过程中标靶旋转角度过大可能导致机器视觉采集仪无法采集完整的标靶图像，因此，可以选择参考标靶和测量标靶均与机器视觉采集仪的采集面平行，确保图案的完整性。

在一种可能的实施方式中，系统还包括：远程信息服务平台，用于接收机器视觉采集仪计算得到的测量标靶位移值。

具体的，由标靶标记参考点位和测量点位，由机器视觉采集仪完成现场图像采集、图像分析、位移值计算及数据、图像存储等功能，最终位移值通过网络上传至远程信息服务平台；由远程信息服务平台实现机器视觉采集仪的参数远程配置、标靶编码设置、数据接收显示及远程图像调取等功能，可实现远程测量与管理。

实施例第三方面，提供一种机器视觉采集仪，请参见图6所示，图6为机器视觉采集仪的结构示意图。包括：采集模组，用于向标靶发射光线并采集多个标靶图像；处理器，用于执行如上任一所述的一种机器视觉位移测量方法；通信模组，用于向远程信息服务平台传输测量标靶位移值相；以及，电源模组，用于为所述采集模组、处理器以及通信模组供电。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。