视觉检测技术及应用

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1、1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文视蔻移例技术冬应用叶声华,郝继贵，王仲，杨学友（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072）摘要 视觉检测及术，尤茸妊基F三角法的主动和被动视觉检测技术具有非接触、速度快、柔性好等特点, 是一种先进的检测手段.适合现代制逍业的需要。文章论述了视觉检测技术原理，讨论了已经研制的多个实际 視觉检测系统，从不同角度展示了视觉检测技术在现代制造业中广阔的应用前景

2、。关键词） 主动视觉；被动视觉；检测系统；现代制造1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文引言检测技术是现代制宣业的基础技术之一，是保 证产品质量的关键。近几十年来，制造业在新材 料、新工艺、新设备等方面取得了巨大进步，许多 传统的检测技术已不能满足现代制造业的需要，表 现左：现代制造产品种类有很大的扩充，许多新型 产品没有相应的检测方法；现代制逍强调实时、在 线、非接触检测，确保对制造过程实现全面控制, 提高生产效率和产品的合格率，这是许多传统检测 手段无法提供的；现代产品的制造精

3、度大大提高, 要求相应高精度的检测方法。现代制造业的进步需要研究新型的产品检测技 术，在已经研究的多种技术中，视觉检测技术 具有非接触、速度快、精度合适、现场抗干扰能力 强等突岀的优点，能很好地满足现代制造业的 需求，在实际中显示岀广阔的应用前景。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础E 的一门新兴检测技术，和计算机视觉研究的视觉模 式识别、视觉理解等内容不同，視觉检测技术利用 计算机视觉研究成果，重点研究物体的几何尺寸及 物体在空间位姿的三维测鱼技术。1视觉检測技术原理视觉检测采用图像传感器（CCD器件等）实 现对被测物体的尺寸及空司位姿的三维非接触测 境。理论研究中有许多视觉测试原理可用于

4、视觉检 测，如纹理梯度法、莫尔条纹法、飞行时间法 等，但实际研究中发现，在诸多测试原理中, 基于三角法的主动和被动视觉测量原理具有抗干扰 能力强、效率高、精度合适、组成简洁等优点，非 常适合制造现场的在线、丰接触产品检测及监控。图I给出了基于三角法的主动视觉测量原理, 即结构光传感器测量原理。传感器由光平面投射器 和CCD摄像机组成。设摄像机坐标系为OXYZ, 光平面和被测物体相交形成光条Z,记光条上某持 征点P在OXYZ中的坐标为（z, y, z）,光平面 在OXYZ中的方程已知，挣征点P在摄像机像素 坐标系中的坐标为（工”，）,由摄像机数学模 型3,4知珀=人（2, z）f（ 、仃）% =

5、Z）,又，P点在光平面不（z,y,） = 0（2）1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文收稿8期】1999 - 06 - 28作者简介】 叶声华（1934-）,男.繭北沙市人，天潭大学教授.博士生导师国家“八五”复点攻关項目（85 - 725 - 02 - 02）;八次三”高科技项目（863-512-30-01）1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年笫1卷第I期Oct. 1999 Vol.l No.l学 术 论 文1999年第1卷第1

6、期Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文内。其中：仁、人是摄像机的模型函数，在摄像 机标定中可以精佛地求得；厶为光平面在OXYZ 坐标系中的方程，在标定传感器时可梢确地求得。联立（1） （2）可解出被测物体上恃征点P在 坐标系OXYZ中的三维坐标。双目立体视觉传感器是基于三角法的被动视觉 测量原理的典型应用，其测量原理如图2所示。传图1结构光传感器测量原理Fig. 1 The measuring principle of structure light sensor图2双目立体视觉测原理Fig.2 The measuring principle of binocularster

7、eoscopic vision感器由两台摄像机组成（分别称为左、右摄像机）, 记左摄像机坐标系为O|XYiZ“右摄像机坐标 系为o2x2y2z2,空间被测点p在左、右摄像机 坐标系中的坐标分别为（帀，力，“）和（工2, 力，勺），P点在左、右摄像机像索坐标系中的像 素坐标分别为Gm，ym）和（工2力由 摄像机模型知：f（3）yim =式中/lx，/匕和/2y分别为左、右摄像机的模 型函数，通过标定摄像机可以准确地求得。设左、右摄像机坐标系O.X, Y1Z1和 o2x2y2z2之间的关系可表示为X2 = RXx + T.（5）式中：Xi = （ X1，）和 X? = （ X2 2z2y； R为3

8、X3阶坐标系间旋转变换矩阵；T为 3X1阶坐标系间平移变换矩阵。R. T在立体视觉传感器中是已知的，通过传 感器标定可严格地求出。由（3）、（4）、（5）解出被测空间点P在左摄 像机坐标系OiXi 丫忆 中的三维坐标。视觉检测技术的应用非常灵活，能适用于不同 类型的检测任务”。通常单个视觉传感器实现较 小测蜀空间内的测疑，而由多个传感器组成的视觉 测量系统可实现较大空间内的测駅任务C5*61o视觉 检涮系统備理如图3所示多个传感器安装在刚性支架上形成统一的视觉 检测系统，每个传感器实现对大型被测物体一个局 部区域的测量，所有传感器组合实现对物体多个不 同区域的测量，从而实现对被测物体的整体测量

9、。图3多视觉传感器组成的视觉检测系统Fig. 3 The visual inspection system with multiple vision sensors在多传感器组成的视觉检测系统中，每个传感天津大学精仪学院.IVE8车身枕觉检测系统技术报吿.19991999年第1卷第1期Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文1999年第1卷第1期Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文器都有自身测虽坐标系0X,YZi （ = 1, 2, n）,应当研究适合全局的标定技术，将各个传感 器坐标系统一到视觉系统的测忻坐标系OXYZ中, 在统一的系统测最坐标系中给岀传感器的

10、测駅结 果。全局标定是多传感器视觉检测系统的关键技术 和难点，已经取得的研究成果成功地解决了这一难 题，实现了视觉检测系统的现场全局标定，使 视觉检测技术走向成熟和实用。2视觉检測技术在制造业中的应用基于三角法的视觉检测技术，因为具有非接 触、速度快、可在线、组建灵活等突出优点，非常 适合于现代制造业的产品检测。研究表明：视觉检 测技术在零件形位尺寸测量、模具测量、逆向工 程、机器人视觉引导、微电子器件检测、大型工件 三维尺寸检测等领域都有重要的应用价值。已经研 究的汽车车身视觉检测系统、无缝钢管直线度、截 面尺寸视觉检测系统、微电子器件封装（BGA）引 脚平面度视觉检测系统等实际应用系统从多

11、个方面 显示了视觉检测技术良好的应用前景。2.1汽车车身视觉检测系统在汽车制造过程中，车身总成上许多关键点的 三维尺寸需要检测，坐标测虽机（CMM）的传统 检测方法只能实现离线定期抽样检测，效率低，不 能全面反映车身生产的总体质量，更不能满足现代 汽车制造在线检测需求。视觉检测技术很好地解决 了这个问题，典型的汽车车身视觉检测系统如图4 所示。汽车车身视觉检测系统的主体是多个视觉传感 器，系统还包括机械运送机构、机械定位机构、电 气控制设备、计算机等相关部分。每个传感器对应 车身总成上一个被测点（或被测区域），传感器的 具体类型根据实际被测点（或被测区域）的实际状 态进行选择（结构光传感器或双

12、目立体視觉传感 器）。系统中，全部视觉传感器通过现场网络总线 连接到计算机上，计算机对每一个传感器的测量过 程进行控制。具体测議过程足：被测车身总成在屯气控制设 备的控制下，由机械运送机构和机械定位机构运送 并定位在测最状态。计算机控制视觉传感器按设定 顺序依次进行测虽,将传感器测量结果转换到视觉系统统一的测凰坐标系中。传送机构电气控制打印V网络控制I图像釆集计算机定位gg-图4汽车车身视觉检测系统组成原理Fig.4 The principle of visual inspection systemfor C&r-Body汽车车身视觉检测系统测量效率高，精度适 中，测凰工作在计算机控制下全部自

13、动完成。在通 常情况下，这个包含几十个测点的系统能在几分钟 内测址完毕，很好地满足了现代汽车制造对检测速 度和精度的需求。此外，车身视觉检测系统的组成 非常灵活，柔性好，系统中传感器的类型和传感器 的空间分布，可根据不同的车型进行不同的配置, 以适应具体的应用要求。这很大程度上减少了车身 视觉检测系统的使用维护费用，同时也适合现代汽 车产品换代更新速度快的待点。2.2无纯钢管直线度和截面在线视觉检测系统无缝钢管是一类重要的工业产品，在反应无缝 钢管质凰的参数中，钢管直线度及截面尺寸是主要 的几何参数。钢管直线度及截面尺寸的在线检测意 义重大，迢控制无缝钢管制造质量的关键。现代工 业技术已能实现

14、无缝钢管的大批量规模生产，但无 缝钢管直线度、截面尺寸的高效率检测一直没有得 到很好解决，原因可归结为：无缝钢管的制造环境 恶劣，不允许采用接触式的测量方法；无缝钢管的 空间尺寸大，大型无缝钢管长度达十几米，要求检 测系统具备很大的测量空间。视觉检测技术，非常 适合于无缝钢管直线度及截面尺寸的测童，视觉检 测原理如图5所示。由多个结构光传感器组成检测系统，传感器的 结构光投射器所投射的光平面和被测钢管相交，得1999年第1卷第1期Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文1999年第1卷第1期Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文程 科 学）佛1999年第1卷第1期

15、Oct. 1999 Voi.l No.l学 术 论 文图5无绫钢管直线度和截面视觉检测原理Fig. 5 The visual inspection principle for seamless steel pipe linearity and section size到钢管截面的部分圆周，传感器测量到该圆周在传 感器三维空间中的位置。系统中每一个传感器实现 对无缝钢管的一个截面上部分圆周的测量，通过适 当的数学方法，由載面上部分圆周拟合得到截面的 尺寸和截面圆心的空间位置。检测系统在计算机控制下，传感器顺序测量无 缝钢管的多个截面，综合所得到的多个截面尺寸和 截面圆心，给岀无缝钢管的直线度和截面尺寸。