基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法与流程

1.本发明涉及零件检测技术领域，具体是涉及基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法。


背景技术：

2.轴承作为各类机器的重要零部件，主要用于机器部件间的灵活配合，它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，使旋转更顺畅，降低能源的损耗，并保证其回转精度。轴承的尺寸精度会极大影响到轴承的使用性能，因此，轴承尺寸的测量是轴承生产环节中不可或缺的一个部分，如何准确、高效率检测轴承尺寸是目前面临的主要问题。目前的轴承尺寸检测主要以人工接触式检测为主，该方式不但检测效率低，并且接触式检测容易导致轴承表面损伤，影响轴承的质量。为了克服人工检测的弊端，依靠机器视觉的检测方式逐步投入到轴承检测当中；该方式因其非接触性以及检测速度快而备受关注，而其核心之一在于如何获取到高精度的轴承尺寸。受限于部分硬件设备与软件算法，依靠机器视觉的检测方式仍面临着检测精度不足，稳定性不高等问题。针对现有技术中存在的问题，急需提出一种检测精度高、检测效率高以及检测时的稳定性好的轴承尺寸检测方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法，该测量方法具有检测精度高、检测效率高以及检测稳定性好的优点。
4.本发明技术方案如下:
5.基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法，使用的硬件设备包括dlp投影仪、红外ccd相机以及主控计算机，所述dlp投影仪和红外ccd相机与主控计算机相连；主控计算机中设有系统标定模块、光栅编码模块、包裹相位展开模块、三维重建模块、拟合平面模块；
6.检测时，系统标定模块先获取红外ccd相机与dlp投影仪之间的标定关系；随后，光栅编码模块生成三幅正弦条纹图与三幅移动半周期相位编码图，主控计算机利用dlp投影仪进行投射，投射的编码结构光落在轴承的表面而发生调制，再利用红外ccd相机获取受调制的编码结构光条纹；接着，所述包裹相位展开模块利用轴承包裹相位配合条纹级次获取轴承三维重建所需的解包裹相位φ；然后，三维重建模块利用获取到的轴承解包裹相位图，以及之前获取的相机与投影仪之间对应的标定关系，通过相应的坐标系转换关系获取待测轴承的点云图；最后，拟合平面模块将轴承的平面点云进行拟合，对获取到的平面点集进行距离计算，并获取轴承具体的内外径尺寸大小；
7.其中，光栅编码模块与包裹相位展开模块中包括以下五个处理步骤：
8.步骤1、正弦条纹图与移动半周期相位编码图的生成：光栅编码模块生成三幅正弦条纹图与三幅移动半周期相位编码图，然后，dlp投影仪投射三幅正弦条纹图以获取受物体调制的轴承包裹相位图，dlp投影仪投射三幅移动半周期的相位编码图以获取与轴承包裹
相位的周期错开的条纹级次k1；
9.步骤2、轴承包裹相位的二值化处理：对已获取的轴承包裹相位进行二值化，利用该二值化图与移动半周期获取的条纹级次k1重新组合生成新的条纹级次k2，以获取与轴承包裹相位周期对应的条纹级次k2；
10.步骤3、条纹级次的膨胀与腐蚀操作：对获取的条纹级次k2进行膨胀腐蚀操作，以获取无跳变的条纹级次k3；
11.步骤4、条纹级次分割组合：将条纹级次k2与k3进行区域分割组合，得到最终正确的条纹级次k4；
12.步骤5、绝对相位的获取：利用轴承包裹相位与k4进行包裹相位展开，获取轴承三维重建所需的轴承解包裹相位φ。
13.与现有技术相比，本发明提供的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法，具有检测精度高、检测效率高以及检测稳定性好的优点；本发明在机器视觉的基础下，采用移动半周期相位编码结构光对轴承尺寸进行测量，并在传统相位编码的基础上做出了改进，克服传统相位编码解包裹存在的2π跳变的问题，利用包裹相位二值化与获取的移动半周期条纹级次组合出无跳变的条纹阶次，实现轴承包裹相位的准确展开，进而提高三维重建精度，保证轴承尺寸检测的准确性；另外，本发明的测量方法在不增加额外图片的情况下，实现条纹级次的重构，避开了边界跳变的问题，有效提高轴承解包裹相位的质量，以及轴承三维重建的精度，鲁棒性好，使得实际轴承尺寸测量检测效率高，更具稳定性。
14.作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，三幅正弦条纹图的生成与轴承包裹相位的获取采用三步相移算法：
15.光栅编码模块生成三幅正弦条纹图时，设第一幅相片上各点像素表示为i1(x,y)，第二幅为i2(x,y)，第三幅为i3(x,y)，则三幅照片上的各点的强度公式为：
[0016][0017][0018][0019]i′
(x,y)为像素的背景强度，i
″
(x,y)为调制项，为包裹相位，第一次拍照所有像素点的相位相对于包裹相位有-2π/3的附加相位，第二次是包裹相位，第三次则有2π/3的附加相位；得到了这样三幅正弦条纹图之后，利用三角函数和差化积公式推导前述的强度公式，即可得出，
[0020][0021]
通过该公式计算出的包裹相位其周期范围[0，2π]，也称截断相位。
[0022]
通过三步相移算法，能够准确高效地生成三幅正弦条纹图并获取轴承包裹相位
[0023]
作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，三幅移动半周期相位编码图的生成与条纹级次k1的获取采用移动半周期的相位编码算法，首先，用
阶梯相位函数将码字嵌入到相位中，
[0024][0025]
floor[(x-1)/p]表示向下取整；p为条纹间距，或每周期的像素数；n为边缘周期的总数；
[0026][0027]
δk代表相移，三步相移取值-2π/3、0、2π/3；
[0028]
从阶梯相位便能确定条纹级数k1：
[0029][0030]
round(x)表示最接近x的整数。
[0031]
通过移动半周期的相位编码算法，能够准确高效地生成三幅移动半周期相位编码图并获取条纹级次k1。
[0032]
作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，轴承包裹相位图选取阈值进行二值化，包裹相位的二值化公式为：
[0033][0034]
进一步的，轴承包裹相位二值化图与条纹级次k1采用分割组合构造条纹级次k2，公式为：
[0035][0036]
通过对轴承包裹相位图进行二值化，并采用分割组合构造条纹级次，能够进一步优化条纹级次k1。
[0037]
作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，进行膨胀与腐蚀操作时，使用模板大小为5*5的矩阵：
[0038][0039]
使用膨胀函数操作一次：
[0040]
k3＝imdilate(k2,zone)
[0041]
再使用腐蚀函数操作一次以上：
[0042]
k3＝imerode(k3,zone)
[0043]
对进行膨胀与腐蚀操作后，能够得到优化后的条纹级次k3。
[0044]
作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，k3与k2进行区域分割组合获取条纹级次k4，处理公式为：
[0045][0046]
对k3与k2进行区域分割组后，能够得到更加优化的条纹级次k4。
[0047]
作为优选，前述的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法中，拟合平面模块将轴承的平面点云采用最小二乘法进行拟合。
[0048]
采用最小二乘法进行拟合，能够准确高效地得到轴承的测量尺寸。
附图说明
[0049]
图1为本发明的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法的硬件设备关联图；
[0050]
图2为本发明的基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法的流程图；
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施方式(包括实施例)对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0052]
实施例1
[0053]
参见图1-2，本发明提供了基于相位编码结构光的轴承内外径尺寸测量方法，使用的硬件设备包括dlp投影仪、红外ccd相机以及主控计算机，所述dlp投影仪和红外ccd相机与主控计算机相连；主控计算机中设有系统标定模块、光栅编码模块、包裹相位展开模块、三维重建模块、拟合平面模块；
[0054]
检测时，系统标定模块先获取红外ccd相机与dlp投影仪之间的标定关系；随后，利用光栅编码模块和包裹相位展开模块进行处理，获取轴承三维重建所需的解包裹相位φ，并利用三角测量法进行往后的轴承三维重建；光栅编码模块与包裹相位展开模块中包括以下五个处理步骤：
[0055]
步骤1：正弦条纹图与移动半周期相位编码图的生成
[0056]
光栅编码模块生成三幅正弦条纹图与三幅移动半周期相位编码图，然后，dlp投影仪投射三幅正弦条纹图以获取受物体调制的轴承包裹相位图，dlp投影仪投射三幅移动半周期的相位编码图以获取与轴承包裹相位周期错开的条纹级次k1，包括以下两个步骤：
[0057]
①
三幅正弦条纹图的生成与轴承包裹相位的获取采用三步相移算法：光栅编码模块生成三幅正弦条纹图时，设第一幅相片上各点像素表示为i1(x,y)，第二幅为i2(x,y)，第三幅为i3(x,y)，则三幅照片上的各点的强度公式为：
[0058][0059][0060][0061]i′
(x,y)为像素的背景强度，i
″
(x,y)为调制项，为原始的包裹相位，第一次拍照所有像素点的相位相对于原始的包裹相位有-2π/3的附加相位，第二次是原始的包裹
相位，第三次则有2π/3的附加相位；得到了这样三幅正弦条纹图之后，利用三角函数和差化积公式推导前述的强度公式，即可得出，
[0062][0063]
通过该公式计算出的包裹相位其周期范围[0，2π]，也称截断相位。
[0064]
②
三幅移动半周期相位编码图的生成与条纹级次k1的获取采用移动半周期的相位编码算法：首先，用阶梯相位函数将码字嵌入到相位中，
[0065][0066]
floor[(x-1)/p]表示向下取整；p为条纹间距，或每周期的像素数；n为边缘周期的总数；
[0067][0068]
δk代表相移，三步相移取值-2π/3、0、2π/3；
[0069]
从阶梯相位便能确定条纹级数k1：
[0070][0071]
round(x)表示最接近x的整数。
[0072]
步骤2：轴承包裹相位的二值化处理
[0073]
对已获取的轴承包裹相位进行二值化，利用该二值化图与移动半周期获取的条纹级次k1重新组合生成新的条纹级次k2，以获取与轴承包裹相位周期对应的条纹级次k2；包括以下两个步骤：
[0074]
①
轴承包裹相位图选取阈值进行二值化，包裹相位的二值化公式为：
[0075][0076]
②
轴承包裹相位二值化图与条纹级次k1采用分割组合构造条纹级次k2，公式为：
[0077][0078]
步骤3：条纹级次的膨胀与腐蚀操作
[0079]
对获取的条纹级次k2进行膨胀腐蚀操作，以获取无跳变的条纹级次k3；进行膨胀与腐蚀操作时，使用模板大小为5*5的矩阵：
[0080][0081]
使用matlab中的膨胀函数操作一次：
[0082]
k3＝imdilate(k2,zone)
[0083]
再使用matlab中的腐蚀函数操作一次以上：
[0084]
k3＝imerode(k3,zone)
[0085]
步骤4：条纹级次分割组合
[0086]
将条纹级次k2与k3进行区域分割组合，得到最终正确的条纹级次k4，处理公式为：
[0087][0088]
步骤5：绝对相位的获取
[0089]
利用轴承包裹相位与k4进行包裹相位展开，获取轴承三维重建所需的轴承解包裹相位φ，处理公式为：
[0090][0091]
然后，三维重建模块利用获取到的轴承解包裹相位图，以及之前获取的相机与投影仪之间对应的标定关系，通过相应的坐标系转换关系获取待测轴承的点云图；最后，拟合平面模块将轴承的平面点云采用最小二乘法进行拟合，对获取到的平面点集进行距离计算，并获取轴承具体的内外径尺寸大小。
[0092]
上述对本技术中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本技术的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本技术保护范围之内的其它的技术方案。