一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统及方法

摘要

本发明公开了一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统，该系统包括平移机构控制模块、视觉成像模块和视觉图像拼接处理模块，平移机构控制模块与视觉图像拼接处理模块连接，视觉成像模块与视觉图像拼接处理模块连接；平移机构控制模块用于控制平移机构带动视觉相机使视觉相机与被测目标产相对位置平移，遍历需要测量全尺寸视觉图像的各个位置，视觉成像模块用于获取视场内的场景图像，并将场景图像发送给视觉图像拼接处理模块，视觉图像拼接处理模块用于完成高精度全尺寸视觉图像的拼接。本发明科学合理，使用方便，系统采用了粗定位及精定位两层操作，在保证系统实时性的基础上，扩展了系统的适用性，降低了系统的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及图像数据处理技术领域，具体为一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统及方法。

背景技术

在基于机器视觉技术的高精度工件或物体测量应用中，由于视觉成像分辨率高，常见一般可达10到50微米，甚至高至数微米，基于现有的成像芯片技术，其可覆盖的单视场测量范围以6K分辨率计约为60到300毫米，而被测量工件的尺寸往往大于这个单视场覆盖范围，在视觉工件测量应用中，一般均需要多个视场的图像的结合才可实现某个尺寸或形状的测量，目前有两类技术能够解决全尺寸景像图像的获取，一类是通过平移机构带动设备运动，使视觉相机与被测工件形成相对运动，在运动中获取各个视场的图像，以平移机构的运动距离，来换算到视觉图像的位置，从而拼接形成所需要的全尺寸图像，这种方法的全尺寸拼接精度依赖与运动机构的精度，无法达到像素级精度，如果需要达到高精度，平移机构的成本将会大大增加；另一类是采用多个视觉相机进行组合，根据被测工件尺寸的分布，由多个视觉相机从不同位置获取相应的视觉图像，利用视觉相机的关系，换算到视觉图像的位置，拼接形成所需要的全尺寸图像，这种方法一是需要多个视觉相机的配合，二是需要一种相机位姿的精密装调和测量方法，来保证拼接全景图像的精度，使用成本较高。因此，人们急需一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统，所述视觉图像获取系统包括平移机构控制模块、视觉成像模块和视觉图像拼接处理模块，所述平移机构控制模块与视觉图像拼接处理模块连接，所述视觉成像模块与视觉图像拼接处理模块连接；

所述平移机构控制模块用于控制平移机构带动视觉相机使视觉相机与被测目标产相对位置平移，所述视觉相机遍历需要测量全尺寸视觉图像的各个位置，同时，获取平移机构的实时位置以供视觉图像拼接处理模块进行粗定位使用，所述视觉成像模块用于获取视场内的场景图像并将场景图像发送给视觉图像拼接处理模块，所述视觉图像拼接处理模块用于完成高精度全尺寸视觉图像的拼接。

本发明利用平移控制模块控制平移机构带动视觉相机遍历需要测量全尺寸视觉图像的各个位置，在平移机构带动视觉相机与被测目标进行相对运动过程中，视觉图像拼接处理模块实时计算运动过程中相邻图像的偏移关系，依据平移机构控制模块给出的平移机构的实时位置，进行相邻图像关系的粗定位，在粗定位的基础上将两个相邻图像进行局部图像特征匹配，修正相邻图像的偏移量，从而提高计算速度、降低系统成本。

进一步的，所述视觉相机固定在平移机构上，所述平移机构与平移机构控制模块连接，所述平移机构与视觉成像模块连接。

本发明通过固定支架将视觉相机固定在平移机构上，利用单视觉相机配合平移结构，使视觉相机与被测目标产生相对位置平移，遍历需要测量的全尺寸视觉图像的各个位置，根据平移机构的位置的偏差将获取的相邻图像进行位置的粗拼接，粗拼接的精度仅作为后续算法的粗定位精度，并不影响最终获取的视觉全尺寸图像的拼接精度。

一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法，所述视觉图像获取方法包括以下步骤：

步骤S1：启动平移机构和视觉相机，平移机构带动视觉相机实时获取当前视场的局部图像，转步骤S2；

步骤S2：平移机构控制模块实时获取对应当前视场的平移机构位置，视觉图像拼接处理模块根据当前视场平移机构的位置将获取的当前视场一系列局部图像进行相邻图像的粗定位，并根据粗定位将相邻图像进行粗连接，转步骤S3；

步骤S3：视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上，利用图像相关特征匹配进行相邻图像像素关系检测，获得相邻图像的高精度像素级相对位置关系，转步骤S4；

步骤S4：根据相邻图像的高精度像素级相对位置关系，视觉图像拼接处理模块进行高精度图像拼接，形成高精度的全尺寸视觉图像。

本发明利用平移机构带动视觉相机完成所需多个视场的对应位置遍历，在平移机构带动视觉相机与被测目标进行相对运动过程中，由图像处理算法实时计算运动过程中相邻图像的偏移关系，算法依据平移机构控制模块给出的平移机构的实时位置，进行相邻图像关系的粗定位，在粗定位的基础上将相邻图像进行粗拼接，粗拼接完成后，视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上进行相邻图像像素关系的检测，将两个相邻图像进行局部图像特征匹配，修正相邻图像的偏移量，得到相邻图像的精确偏移量，由于此匹配是在粗定位的小区域范围内进行的所以能够提高计算速度，实时快速运算；相邻图片均采用粗定位和精定位进行拼接，从而完成大尺寸被测目标测量所需要的的全尺寸视觉图像的获取；在保证系统实时性的基础上，又扩展了系统的适用性，降低了系统的成本。

进一步的，所述步骤S2中视觉图像拼接处理模块根据当前视场平移机构的位置将获取的当前视场一系列局部图像进行相邻图像的粗定位还包括：

步骤S201：建立直角坐标系XOY，直角坐标系XOY原点为固定位置，直角坐标系XOY的X轴平行于视觉图像，直角坐标系XOY的Y轴垂直于X轴，平移机构带动视觉相机在直角坐标系XOY中移动，转步骤S202；

步骤S202:平移机构控制模块获取平移机构在直角坐标系XOY中的第一位置的坐标O1（x1,y1），平移机构控制模块获取平移机构在直角坐标系XOY中的第二位置的坐标O2（x2,y2），视觉图像拼接处理模块根据平移机构以第一位置O1为原点，建立直角坐标系X1O1Y1，直角坐标系X1O1Y1的X1轴平行于直角坐标系XOY的X轴，直角坐标系X1O1Y1的Y1轴平行于直角坐标系XOY的Y轴,视觉图像拼接处理模块以第二位置的坐标O2为原点，建立直角坐标系X2O2Y2，直角坐标系X2O2Y12的X2轴平行于直角坐标系XOY的X轴，直角坐标系X2O2Y2的Y2轴平行于直角坐标系XOY的Y轴，平移机构带动视觉相机在第一位置获取第一图像，平移机构带动视觉相机在第二位置获取第二图像，转步骤S203；

步骤S203：根据直角坐标系XOY中第一位置的坐标O1（x1,y1）和第二位置的坐标O2（x2,y2）计算出第一图像与第二图像的水平偏移量X和垂直偏移量Y,转步骤S204；所述第一图像与第二图像的水平偏移量X和垂直偏移量Y的计算公式分别为：

其中，所述X为第一图像与第二图像的水平偏移量，所述x2为第二位置的横坐标，所述x1为第一位置的横坐标，所述Y为第一图像与第二图像的垂直偏移量，所述y2为第二位置的纵坐标，所述y1为第一位置的纵坐标；

步骤S204：根据第一图像与第二图像的水平偏移量X和垂直偏移量Y将第一图像和第二图像进行粗定位，根据粗定位将第一图像与第二图像进行粗拼接得到粗拼接图像。

本发明先根据平移机构控制模块实时获取对应当前视场的平移位置，此平移位置的精度为平移机构精度，根据此精度可以对应当前视场的被测目标与视觉相机的相对位置，视觉图像拼接处理模块可以根据平移机构精度快速将获取的一系列相邻图像进行位置的粗拼接，粗拼接加快了全尺寸视觉图像的获取速度。

进一步的，所述第一图像和第二图像均由视觉成像模块生成，所述第一图像和第二图像的大小相同，所述第一图像位于直角坐标系X101Y1，所述第二图像位于直角坐标系X2O2Y2。

本发明视觉成像模块生成的图像为相同大小便于相邻图像的拼接，建立直角坐标系方便观察第一图像与第二图像之间的偏差量，能够快速进行粗拼接。

进一步的，所述第一图像与第二图像进行粗拼接后，第一图像与第二图像出现重合区域，所述重合区域在第一图像中记为第一区域，所述重合区域在第二图像中记为第二区域，所述重合区域为被测目标的相同部位。

本发明经过粗定位后，可以确定在第二区域中一定包含有一个子区域与第一区域中的子图是来自被测目标的同一个部位，缩小了精定位的检测范围，加快了精定位的计算速度，提高了系统的工作效率。

进一步的，所述步骤S3中视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上，利用图像相关特征匹配进行相邻图像像素关系检测还包括根据标准的图像相关匹配算法获取第一图像与第二图像的精确偏移量，所述精确偏移量包括第二图像相对第一图像的精确水平偏移量X1和第二图像相对第一图像的精确垂直偏移量Y1。

本发明经过粗定位后，可以确定在第二区域中一定包含有一个子区域与第一区域中的子图是来自被测目标的同一个部位，从而获取到第一图像与第二图像的精确偏移量，由于此偏移量来自图像精确相关匹配，因此其偏移量精度小于1个像素。

进一步的，所述步骤S3中标准的图像相关匹配算法还包括：

步骤S301：视觉图像拼接处理模块在第一图像的第一区域中选取一个子图T（m,n）作为匹配模板T，其中m、n为匹配模板T的长和宽，转步骤S302；

步骤S302：视觉图像拼接处理模块在第二图像的第二区域内寻找匹配模板T的匹配区域，记为搜索图S（w,h），其中w、h为搜索图S的长和宽，转步骤S303；

步骤S303：搜索图S(w,h)中被匹配模板T（m,n）覆盖的区域为子图S

其中，R(i,j)为相关系数，T(m,n)为匹配模板，S

步骤S304：第二图像的第二区域全部进行匹配搜索后，找出R的最大值R

本发明采用归一化相关系数计算第一图像与第二图像的精确偏差量，两个图像相似度越高，相关系数越接近于1，从而获取到第一图像与第二图像的精确偏移量，且由于此偏移量来自图像精确相关匹配，因此其偏移量精度小于1个像素。

进一步的，所述步骤S4中根据相邻图像的高精度像素级相对位置关系，视觉图像拼接处理模块进行高精度图像拼接还包括：

步骤S401：第一图像和第二图像的原始图像大小为M×N，获取步骤S203中第二图像相对第一图像的精确水平偏移量X1、精确垂直偏移量Y1，设置一个空白的图像，空白图像的大小为(M+X1)×(N+Y1)，转步骤S402；

步骤S402：将第一图像复制到空白图像的（0,Y1）坐标位置，将第二图像复制到(X1,0)坐标位置，完成第一图像与第二图像的高精度拼接，得到高精度的全尺寸视觉图像。

本发明获取相邻图像的高精度像素级相对位置关系后，视觉图像拼接处理模块即可开始进行高精度图像拼接，此时的图像拼接精度为像素级，在粗定位的基础上进行精定位，采用粗定位与精定位两层操作，在保证系统实时性的基础上，扩展了系统的适用性，降低了系统的成本，

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明利用平移机构带动视觉相机完成所需多个视场的对应位置遍历，在平移机构带动视觉相机与被测目标进行相对运动过程中，由图像处理算法实时计算运动过程中相邻图像的偏移关系，算法依据平移机构给出的实时位置，进行相邻图像关系的粗定位，在粗定位的基础上将两个相邻图像进行局部图像特征匹配，修正相邻图像的偏移量，得到相邻图像的精确偏移量，由于此匹配是在粗定位的小区域范围内进行的所以提高了计算速度，能够实时快速运算；局部区域匹配避免了相似形状或纹理区域对特征匹配的干扰，提高了精定位的鲁棒性；本发明在通常的带有运动平移机构的视觉测量系统中，实现了不依赖于平移运动精度的高精度拼接图像的获取；本发明利用单视觉相机配合平移机构实现了大范围全尺寸视觉图像的精确图像获取，降低了使用成本；本发明不依赖于平移机构的精度，平移机构只负责为图像处理算法提供粗定位信息；本发明采用了粗定位及精定位两层操作，在保证系统实时性的基础上，又扩展了系统的适用性，降低了系统的成本。

附图说明

图1是一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统的整体结构示意图；

图2是一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统的处理流程示意图；

图3是一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法的流程示意图；

图4是一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法中粗定位的流程示意图；

图5是一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法中粗定位示意图；

图6是一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法中精定位的流程示意图；

图7是一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法中精定位示意图。

图中：1、第一图像；2、第二图像；3、重合区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图7，本发明提供技术方案：

如图1所示，一种高精度的全尺寸视觉图像获取系统，该系统包括平移机构控制模块、视觉成像模块和视觉图像拼接处理模块，平移机构控制模块与视觉图像拼接处理模块连接，视觉成像模块与视觉图像拼接处理模块连接；

平移机构控制模块用于控制平移机构带动视觉相机使视觉相机与被测目标产相对位置平移，视觉相机遍历需要测量全尺寸视觉图像的各个位置，同时，获取平移机构的实时位置以供视觉图像拼接处理模块进行粗定位使用，视觉成像模块用于获取视场内的场景图像并将场景图像发送给视觉图像拼接处理模块，视觉图像拼接处理模块用于完成高精度全尺寸视觉图像的拼接。

如图2所示，平移机构带动视觉相机获取平移机构实时位置对应的当前视场的视觉图像，视觉成像模块将获取的一系列局部图像进行相邻图像粗定位，在粗定位的基础上采用标准的图像相关匹配算法获取相邻图像的精确偏移量，视觉成像模块根据相邻图像的精确偏移量对相邻图像进行精定位，并根据精定位将相邻图像进行拼接得到高精度的全尺寸视觉图像。

如图3所示，一种高精度的全尺寸视觉图像获取方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：启动平移机构和视觉相机，平移机构带动视觉相机实时获取当前视场的局部图像，转步骤S2；

步骤S2：平移机构控制模块实时获取对应当前视场的平移机构位置，视觉图像拼接处理模块根据当前视场平移机构的位置将获取的当前视场一系列局部图像进行相邻图像的粗定位，并根据粗定位将相邻图像进行粗连接，转步骤S3；

步骤S3：视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上，利用图像相关特征匹配进行相邻图像像素关系检测，获得相邻图像的高精度像素级相对位置关系，转步骤S4；

步骤S4：根据相邻图像的高精度像素级相对位置关系，视觉图像拼接处理模块进行高精度图像拼接，形成高精度的全尺寸视觉图像。

步骤S3中视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上，利用图像相关特征匹配进行相邻图像像素关系检测还包括根据标准的图像相关匹配算法获取第一图像1与第二图像2的精确偏移量，所述精确偏移量包括第二图像相对第一图像的精确水平偏移量X1和第二图像相对第一图像的精确垂直偏移量Y1。

如图4-图5所示，步骤S2中视觉图像拼接处理模块根据当前视场平移机构的位置将获取的当前视场一系列局部图像进行相邻图像的粗定位还包括：

步骤S201：建立直角坐标系XOY，直角坐标系XOY原点为固定位置，直角坐标系XOY的X轴平行于视觉图像，直角坐标系XOY的Y轴垂直于X轴，平移机构带动视觉相机在直角坐标系XOY中移动，转步骤S202；

步骤S202:平移机构控制模块获取平移机构在直角坐标系XOY中的第一位置的坐标O1（x1,y1），平移机构控制模块获取平移机构在直角坐标系XOY中的第二位置的坐标O2（x2,y2），视觉图像拼接处理模块根据平移机构以第一位置O1为原点，建立直角坐标系X1O1Y1，直角坐标系X1O1Y1的X1轴平行于直角坐标系XOY的X轴，直角坐标系X1O1Y1的Y1轴平行于直角坐标系XOY的Y轴,视觉图像拼接处理模块以第二位置的坐标O2为原点，建立直角坐标系X2O2Y2，直角坐标系X2O2Y12的X2轴平行于直角坐标系XOY的X轴，直角坐标系X2O2Y2的Y2轴平行于直角坐标系XOY的Y轴，平移机构带动视觉相机在第一位置获取第一图像1，平移机构带动视觉相机在第二位置获取第二图像2，转步骤S203；

步骤S203：根据直角坐标系XOY中第一位置的坐标O1（x1,y1）和第二位置的坐标O2（x2,y2）计算出第一图像1与第二图像2的水平偏移量X和垂直偏移量Y,转步骤S204；第一图像1与第二图像2的水平偏移量X和垂直偏移量Y的计算公式分别为：

其中，X为第一图像1与第二图像2的水平偏移量，x2为第二位置的横坐标，x1为第一位置的横坐标，Y为第一图像1与第二图像2的垂直偏移量，y2为第二位置的纵坐标，y1为第一位置的纵坐标；

步骤S204：根据第一图像1与第二图像2的水平偏移量X和垂直偏移量Y将第一图像1和第二图像2进行粗定位，根据粗定位将第一图像1与第二图像2进行粗拼接得到粗拼接图像。

第一图像1和第二图像2均由视觉成像模块生成，第一图像1和第二图像2的大小相同，第一图像1位于直角坐标系X101Y1，第二图像2位于直角坐标系X2O2Y2。

第一图像1与第二图像2进行粗拼接后，第一图像1与第二图像2出现重合区域3，所述重合区域3在第一图像1中记为第一区域，所述重合区域3在第二图像2中记为第二区域，所述重合区域3为被测目标的相同部位。

如图6-图7所示，步骤S3中视觉图像拼接处理模块在粗拼接的基础上，利用图像相关特征匹配进行相邻图像像素关系检测还包括根据标准的图像相关匹配算法获取第一图像1与第二图像2的精确偏移量，所述精确偏移量包括第二图像2相对第一图像1的精确水平偏移量X1和第二图像2相对第一图像1的精确垂直偏移量Y1。

步骤S3中标准的图像相关匹配算法还包括：

步骤S301：视觉图像拼接处理模块在第一图像1的第一区域中选取一个子图T（m,n）作为匹配模板T，其中m、n为匹配模板T的长和宽，转步骤S302；

步骤S302：视觉图像拼接处理模块在第二图像2的第二区域内寻找匹配模板T的匹配区域，记为搜索图S（w,h），其中w、h为搜索图S的长和宽，转步骤S303；

步骤S303：搜索图S(w,h)中被匹配模板T（m,n）覆盖的区域为子图S

其中，R(i,j)为相关系数，T(m,n)为匹配模板，S

步骤S304：第二图像2的第二区域全部进行匹配搜索后，找出R的最大值R

步骤S4中根据相邻图像的高精度像素级相对位置关系，视觉图像拼接处理模块进行高精度图像拼接还包括：

步骤S401：第一图像1和第二图像2的原始图像大小为M×N，获取步骤S203中第二图像2相对第一图像1的精确水平偏移量X1、精确垂直偏移量Y1，设置一个空白的图像，空白图像的大小为(M+X1)×(N+Y1)，转步骤S402；

步骤S402：将第一图像1复制到空白图像的（0,Y1）坐标位置，将第二图像2复制到(X1,0)坐标位置，完成第一图像1与第二图像2的高精度拼接，得到高精度的全尺寸视觉图像。

实施例一：

平移机构带动视觉相机在直角坐标系XOY中第一位置o1(790，680)处获取第一图像1，平移机构带动视觉相机在直角坐标系XOY中第二位置o2（880，760）处获取第二图像2，其中第一图像1与第二图像2的大小相同，计算第二位置o2相对于第一位置o1的水平偏移量X和垂直偏移量Y：

其中X为第一图像1与第二图像2的水平偏移量，Y为第一图像1与第二图像2的垂直偏移量，x2为第二位置的横坐标，x1为第一位置的横坐标，y2为第二位置的纵坐标，y1为第一位置的纵坐标，根据第一图像1与第二图像2的水平偏移量X和垂直偏移量Y将第一图像1与第二图像2粗定位，经过粗定位后的第一图像1与第二图像2已经形成了大致的空间位置关系，第一图像1和第二图像2根据粗定位进行粗拼接后出现重合区域3，重合区域3为被测目标的相同部位，重合区域3在第一图像1中记为第一区域，重合区域3在第二图像2中记为第二区域，视觉图像拼接处理模块在第一区域中选取一个子图作为匹配模板，根据标准的图像相关匹配方法获取第一图像1与第二图像2的精确水平偏移量X1和精确水平偏移量Y1，设置一个空白的图像，空白图像的长为第一图像1的长加上第二图像2相对于第一图像1的精确水平偏移量，空白图像的宽为第一图像1的宽加上第二图像2相对于第一图像1的精确垂直偏移量，将第一图像1复制到空白图像中坐标为（0,X1）的位置，将第二图像2复制到空白图像中坐标为（Y1,0）的位置，即获得了第一图像1与第二图像2的精拼接图像。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。