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CN112508932B - 基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质 - Google Patents

基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN112508932B CN202011516417.5A CN202011516417A CN112508932B CN 112508932 B CN112508932 B CN 112508932B CN 202011516417 A CN202011516417 A CN 202011516417A CN 112508932 B CN112508932 B CN 112508932B
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Abstract

本发明公开了一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质。所述方法包括：参数校准和同步；仿真数据扫描；生成图像模板；焊缝定位。本发明在用单线结构光传感器定位空间物体的应用场合中，利用视觉仿真提供的先验信息构造模板，并通过模板匹配的方式实现了焊缝的准确定位；本发明还通过自适应的模板构造方法，可同时满足识别精度和动态性能的要求，在连续动态扫描的过程中，即使传感器相对于焊缝的姿态不断变化，也能保证焊缝定位的准确性。

Description

基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质。
背景技术
目前随着智能制造的发展，工业应用中，非接触式的结构光视觉传感器应用越来越广泛，在曲面造型加工检测，工件质量检测，焊缝跟踪等领域，结构光视觉传感器已经得到了广泛的应用。采用线结构光方式的视觉传感器，满足激光三角法测量模型，是一种非接触、测量速度快、精度较高的测量方式。激光线照射到被测物体表面，形成光条纹，该光条纹受到被测物体表面几何形状的影响而出现不连续、畸变的现象，这种变化包含了被测物体表面的深度信息。通过对采集的激光条纹图像进行分析，提取出激光条纹的中心线，根据相机与激光器构成的几何模型，就能够计算出激光中线上的点的空间位置，从而获得被测物体表面的结构信息。
在图像识别领域，模板匹配的基本思路是在原图中寻找与模板图像匹配度高的部分以实现目标对象的识别与定位，是一种基本且常用的识别方法。匹配分值是模板匹配效果的重要衡量指标，有多种计算方法，如基于灰度差计算的SAD、SSD等，基于边缘距离的SED，基于形状的相似度计算等。其中，基于形状的模板匹配算法可以适应遮挡、非线性光照变化、杂波等干扰，鲁棒性较其他的算法更高，适用于结构光焊缝定位的场合。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法、系统及存储介质，通过视觉仿真提供的先验信息自适应地构造图像模板，通过构造的模板在实际结构光传感器采集到的条纹图像中准确地定位焊缝，实现焊缝位置传感，提高了结构光视觉传感器的适用范围。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，包括如下步骤：
S1、校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
S2、在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
S3、选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；
S4、根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算合适的模板激光线夹角分辨率；
S5、根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线；
S6、生成图像模板并执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
作为优选的技术方案，所述实际工作站的参数包括校准运动链参数与传感器参数；所述运动链参数包括工具末端坐标系与外部轴基座坐标系；所述传感器参数包括相机内参与结构光平面方程。
作为优选的技术方案，所述仿真的视觉扫描程序机器人与实际工作站中的视觉扫描程序机器人的程序和末端轨迹相同；所述扫描焊缝的过程中生成的仿真激光线的数目与末端轨迹的离散点数目相同。
作为优选的技术方案，所述的图像边界包含图像的上边界、下边界、左边界和右边界；所述与图像边界的距离指仿真焊缝点到上边界、下边界、左边界和右边界距离中的最小值。
作为优选的技术方案，根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线具体为：从扫描起点开始选取，每变化一个夹角分辨率即在所述仿真扫描焊缝过程中生成的多条仿真激光线中选取对应的仿真激光线，重复上述变化夹角分辨率并选取的过程，得到新的仿真激光线序列；所述新的仿真激光线序列用于生成图像模板。
作为优选的技术方案，所述生产图像模板方法包括以下步骤：根据实际激光线的宽度拓宽所述新的仿真激光线序列；截取模板截取区域得到图像模板。
作为优选的技术方案，所述根据实际激光线的宽度拓宽所述新的仿真激光线序列具体为：将原始的仿真激光线上的每一个点绘制到一幅全黑的图像上，依次经过阈值分割转二值图、形态学膨胀、二值图转灰度图的过程后，得到拓宽后的仿真激光线图像；
作为优选的技术方案，所述截取模板截取区域得到图像模板具体为：将模板截取区域的中心定在仿真激光线上的焊缝点位上，计算截取区域正方形的边长并得到截取后的图像，经过边缘提取，得到用于后续匹配计算匹配分值的目标边缘。
作为优选的技术方案，所述图像模板匹配算法是基于形状的图像模板匹配算法，具体为：将所述生成的模板图像在实际结构光条纹图像上滑动；利用基于梯度矢量的点积求和法进行基于形状的模板匹配分值计算。
本发明还提供了一种基于仿真模板匹配的焊缝定位系统，包括参数校准同步模块、数据扫描生成模块、图像模板生成模块和定位模块；
所述参数校准同步模块用于校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
所述数据扫描生成模块用于在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
所述图像模板生成模块用于选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算合适的模板激光线夹角分辨率；根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线；
所述定位模块用于根据生成的图像模板执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
本发明还提供了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明在用单线结构光传感器定位空间物体的应用场合中，利用视觉仿真提供的先验信息构造模板，并通过模板匹配的方式实现了焊缝的准确定位；
(2)本发明通过自适应的模板构造方法，可同时满足识别精度和动态性能的要求，在连续动态扫描的过程中，即使传感器相对于焊缝的姿态不断变化，也能保证焊缝定位的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例所述的仿真模板匹配处理的整体流程图；
图2是本发明实施例所述的生成模板图像的方法流程图；
图3是本发明实施例所述的基于形状模板匹配相似度计算方法示意图；
图4是本发明实施例所述的模板匹配焊缝定位的效果图；
图5是本发明实施例所的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位系统的结构图；
图6是本发明实施例所述存储介质的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，包括以下步骤：
S1、校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；所述实际工作站的参数包括校准运动链参数与传感器参数；所述运动链参数包括工具末端坐标系与外部轴基座坐标系；所述传感器参数包括相机内参与结构光平面方程。
S2、在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；所述仿真的视觉扫描程序机器人与实际工作站中的视觉扫描程序机器人的程序和末端轨迹相同；所述扫描焊缝的过程中生成的仿真激光线的数目与末端轨迹的离散点数目相同。
S3、选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；
所述的图像边界包含图像的上边界、下边界、左边界和右边界；
所述与图像边界的距离指仿真焊缝点到上边界、下边界、左边界和右边界距离中的最小值。
S4、根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算合适的模板激光线夹角分辨率。
S5、根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线，具体为：从扫描起点开始选取，每变化一个夹角分辨率即在所述仿真扫描焊缝过程中生成的多条仿真激光线中选取对应的仿真激光线，重复上述变化夹角分辨率并选取的过程，得到新的仿真激光线序列；所述新的仿真激光线序列用于生成图像模板。
S6、生成图像模板并执行图像模板匹配算法进行焊缝定位；
所述生产图像模板具体方法为：
S6.1、根据实际激光线的宽度拓宽所述新的仿真激光线序列：
如图2中的a)部分所示，原始的仿真激光线上的每一个点以255的灰度值绘制到一幅全黑的图像上(显示为绿色)；依次经过阈值分割转二值图、形态学膨胀、二值图转灰度图的过程后，得到拓宽后的仿真激光线图像，如图2中的b)部分所示；
S6.2、截取模板截取区域得到图像模板：
仿真激光线上的焊缝点位在仿真环境中已经指定，如图2中的c)部分所示，把模板截取区域的中心定在该点上，计算截取区域正方形的边长并得到截取后的图像；如图2中的d)部分所示，经过边缘提取，得到用于后续匹配计算匹配分值的目标边缘，“×”代表模板截取区域中心位置；
所述图像模板匹配算法是基于形状的图像模板匹配算法，具体为：
S6.3、如图3所示，构造的模板图像在实际结构光条纹图像上滑动，di′为旋转变换后模板图像中像素点pi′位置对应的法向量，eq+pi'为原图中像素点q+pi′位置对应的法向量，其中像素点位置q为当前模板图像基准点在原图中的位置。基于形状的模板匹配分值的计算基于梯度矢量的点积求和，即di′与eq+pi'的点积；模板匹配焊缝定位的效果如图4所示。
如图5所示，本实施例还提供了一种基于仿真模板匹配的焊缝定位系统，包括参数校准同步模块、数据扫描生成模块、图像模板生成模块和定位模块；
所述参数校准同步模块用于校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
所述数据扫描生成模块用于在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
所述图像模板生成模块用于选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算合适的模板激光线夹角分辨率；根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线；
所述定位模块用于根据生成的图像模板执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
在此需要说明的是，上述实施例提供的系统仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，该系统是应用于上述实施例的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法。
如图6所示，本实施例还提供了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，具体为：
S1、校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
S2、在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
S3、选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；
S4、根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算合适的模板激光线夹角分辨率；
S5、根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线；
S6、生成图像模板并执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；
根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算模板激光线夹角分辨率；
根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线，具体为：
从扫描起点开始选取，每变化一个夹角分辨率即在仿真扫描焊缝过程中生成的多条仿真激光线中选取对应的仿真激光线，重复变化夹角分辨率并选取的过程，得到新的仿真激光线序列；所述新的仿真激光线序列用于生成图像模板；
生成图像模板并执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，所述实际工作站的参数包括校准运动链参数与传感器参数；所述运动链参数包括工具末端坐标系与外部轴基座坐标系；所述传感器参数包括相机内参与结构光平面方程。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，所述仿真的视觉扫描程序机器人与实际工作站中的视觉扫描程序机器人的程序和末端轨迹相同；所述扫描焊缝的过程中生成的仿真激光线的数目与末端轨迹的离散点数目相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，所述的图像边界包含图像的上边界、下边界、左边界和右边界；所述与图像边界的距离指仿真焊缝点到上边界、下边界、左边界和右边界距离中的最小值。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，生产图像模板方法包括以下步骤：根据实际激光线的宽度拓宽新的仿真激光线序列；截取模板截取区域得到图像模板。
6.根据权利要求5所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，所述根据实际激光线的宽度拓宽所述新的仿真激光线序列具体为：将原始的仿真激光线上的每一个点绘制到一幅全黑的图像上，依次经过阈值分割转二值图、形态学膨胀、二值图转灰度图的过程后，得到拓宽后的仿真激光线图像；
所述截取模板截取区域得到图像模板具体为：将模板截取区域的中心定在仿真激光线上的焊缝点位上，计算截取区域正方形的边长并得到截取后的图像，经过边缘提取，得到用于后续匹配计算匹配分值的目标边缘。
7.根据权利要求1所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，其特征在于，所述图像模板匹配算法是基于形状的图像模板匹配算法，具体为：将所述生成的模板图像在实际结构光条纹图像上滑动；利用基于梯度矢量的点积求和法进行基于形状的模板匹配分值计算。
8.一种基于仿真模板匹配的焊缝定位系统，应用于权利要求1-7中任一项所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法，包括参数校准同步模块、数据扫描生成模块、图像模板生成模块和定位模块；
所述参数校准同步模块用于校准实际工作站的参数并同步到仿真环境中；
所述数据扫描生成模块用于在所述仿真环境中，用仿真的视觉扫描程序机器人扫描焊缝并生成多条仿真激光线与对应的多个仿真焊缝点；
所述图像模板生成模块用于选取所述多个仿真焊缝点中与图像边界的距离最小的仿真焊缝点；计算所述离图像边界最近的仿真焊缝点对应的仿真激光线的模板截取区域的边长；根据所述模板截取区域的边长与激光线宽度计算模板激光线夹角分辨率；根据所述模板激光线夹角分辨率在生成的所述多条仿真激光线中，选择用于生成图像模板的仿真激光线；
所述定位模块用于根据生成的图像模板执行图像模板匹配算法进行焊缝定位。
9.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任一项所述的一种基于仿真模板匹配的焊缝定位方法。
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