專利名稱：一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān) 測方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
位移或者形變測量在許多不同的領(lǐng)域中都有著重要的作用，例如機械加工、建 筑、野外測量以及工業(yè)生產(chǎn)中設備在線狀態(tài)或成品特征(形變、速度等)監(jiān)測等，一般要求 具有一定的測量準確度和較快測量速度。工程應用中常用測量方法有百分表測量法、光學經(jīng)緯儀、電 子經(jīng)緯儀、水準儀和 線性差動變壓器法等，其特點是儀器簡單、操作容易，但是這幾種方法只能用于短期、短距 離和人工測量，存在費時費力、使用不便和實時測量困難等不足，同時接觸式測量對監(jiān)測目 標容易產(chǎn)生接觸變形、表面損傷等影響；非接觸測不接觸被測物體的同時又具有很高的精 度，應用廣泛，包括光柵測量法、激光測距法、視覺測量法等，其中視覺測量是人工智能與測 量技術(shù)交叉而形成的智能測量，測量速度快、系統(tǒng)成本低、安裝方便，具有較高研究與實用 價值。目前，視覺測量技術(shù)主要有兩種類型，一種基于激光三角法原理，另一種基于雙目 原理進行測量。激光三角法測量技術(shù)中，光經(jīng)過準直后照射到測量目標上，反射光進入光電 探測器，進行位移、形變等間接測量；通常單個光電探測器只能對一維信息進行監(jiān)測，要測 量空間三維參量，需要增加探測器數(shù)量或使探測器與測量對象相對旋轉(zhuǎn)等；而雙目視覺測 量采用兩套探測系統(tǒng)進行目標成像，利用空間坐標變換實現(xiàn)三維監(jiān)測，相對而言系統(tǒng)較為 復雜，成本高，可見采用傳統(tǒng)測量方法很難滿足大型設備及工業(yè)現(xiàn)場的測量需求。因此，目前需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個技術(shù)問題就是如何能夠創(chuàng)新地 提出一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測的方法和系統(tǒng)，以滿足大型設備及工業(yè)現(xiàn)場的 遠距離三維微小形變在線監(jiān)測的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法 和系統(tǒng)，用以保證在成本較低的情況下滿足遠距離三維微小形變的視覺在線監(jiān)測。為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測系統(tǒng)， 所述系統(tǒng)包括復合靶標，由上下位置可調(diào)、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調(diào)的圓形靶標組 成，用于為目標形變及激光光源光斑移動監(jiān)測提供參考；所述復合靶標與監(jiān)測目標剛性連 接；監(jiān)測目標在三維空間的位移或者形變直接傳遞給復合靶標；激光光源，用于實現(xiàn)望遠、水平基準與焦距調(diào)節(jié)，產(chǎn)生半徑大小與清晰度的可調(diào)的 激光光斑；視覺探測，用于對復合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭采用電動變焦技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測距離調(diào)整；單攝像頭利用數(shù)字攝像頭實現(xiàn)目標成 像；定位云臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位云臺連接；電控器控制定位云臺帶動視覺 探測器進行俯仰與旋轉(zhuǎn)掃描兩維運動，尋找監(jiān)測目標，使得復合靶標成像于視覺探測器的 視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現(xiàn)視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮實時調(diào)整；保 證復合靶標成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖，實現(xiàn)長距離高速圖像傳輸；數(shù)字采集卡，用于接收光纖傳輸所傳輸?shù)膱D像；工控機，工控機中安裝有監(jiān)測系統(tǒng)軟件，用于對數(shù)字采集卡所獲得的圖像進行分 析處理，獲取三維微小形變信息。優(yōu)選的，所述光端機包括光端機接收端和光端機發(fā)送端。優(yōu)選的，所述激光光源內(nèi)部有準直結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生平行光束；利用激光光源的底座基 準旋鈕，可調(diào)節(jié)光束水平，以保證光斑入射到復合靶標的上下位置可調(diào)、垂直放置的十字靶 標上；利用激光光源的聚焦旋鈕，可調(diào)節(jié)激光光斑的大小與清晰度。優(yōu)選的，所述傳輸光纖兩端分別與光端機-發(fā)送端和光端機-接收端相插接；光端 機_發(fā)送端與單攝像頭插接，光端機_接收端與數(shù)字采集卡插接。優(yōu)選的，所述數(shù)字采集卡通過PCI插槽安裝于工控機的主板上。本發(fā)明還公布了一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法，所述方法包括
連接復合靶標和監(jiān)測目標；接通激光光源，使其水平入射到復合靶標上，形成準直光斑；打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對復合靶標遠距離成像；利用電控器控制定位云臺，調(diào)整變焦鏡頭的空間位置，使復合靶標的像在單攝像 頭的視場中心；利用電控器控制變焦鏡頭，調(diào)整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數(shù)，使得復合靶標 的像最清晰；單攝像頭得到的復合靶標的像，通過光端機_發(fā)送端、傳輸光纖和光端機_接收端 傳送到數(shù)字采集卡；工控機處理數(shù)字采集卡獲得的圖像信號，經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件分析處理，獲得三維微 小形變信息。優(yōu)選的，所述復合靶標和監(jiān)測目標采用的是剛性連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點首先，本發(fā)明提供一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)，包括復合 靶標、激光光源、視覺探測、定位云臺、電控器、光纖傳輸、數(shù)字采集卡和工控機，系統(tǒng)中視覺 探測和激光光源可以實現(xiàn)三維監(jiān)測，總體設計結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，同時，采用電動變 焦進行視覺探測，實現(xiàn)了監(jiān)測距離可調(diào)，測試精度稿，并且將數(shù)字攝像與光纖傳輸相結(jié)合， 實現(xiàn)了遠距離信號可靠傳輸以及現(xiàn)場與監(jiān)控空間分離，復合靶標實現(xiàn)了不同目標監(jiān)測的集 成一體化。


圖1是本發(fā)明實施例一所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例二所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法的流 程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。在工程應用中位移或者形變測量所發(fā)揮的作用越來越大，如果能夠找到一種簡 單、準確而有效遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)，那么將會滿足遠距離三維 微小形變的視覺在線監(jiān)測需求的同時節(jié)省大量的人力、物力和財力資源。因此，本專利發(fā)明人創(chuàng)造性地提出了本發(fā)明實施例的核心構(gòu)思之一，即提供一種 遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)，包括復合靶標，用于為目標形變及激光光 源光斑移動監(jiān)測提供參考；激光光源，用于實現(xiàn)望遠、水平基準與焦距調(diào)節(jié)，產(chǎn)生半徑大小 與清晰度的可調(diào)的激光光斑；視覺探測，用于對復合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦 鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭采用電動變焦技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測距離調(diào)整；單攝像頭利用數(shù)字 攝像頭實現(xiàn)目標成像；定位云臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位云臺連接；電控器 控制定位云臺帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉(zhuǎn)掃描兩維運動，尋找監(jiān)測目標，使得復合靶 標成像于視覺探測器的視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現(xiàn)視覺探測的光學成像縮放、聚 焦及光亮實時調(diào)整；保證復合靶標成像清晰；光纖傳輸，實現(xiàn)長距離高速圖像傳輸；數(shù)字采 集卡，用于接收光纖傳輸所傳輸?shù)膱D像和工控機，工控機中安裝有監(jiān)測系統(tǒng)軟件，用于對數(shù) 字采集卡所獲得的圖像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。實施例一參照圖1，示出了本發(fā)明的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖，所述系統(tǒng)具體包括復合靶標2，由上下位置可調(diào)、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調(diào)的圓形靶標組 成，用于為目標形變及激光光源光斑移動監(jiān)測提供參考；所述復合靶標2與監(jiān)測目標剛性 連接；監(jiān)測目標在三維空間的位移(形變)直接傳遞給復合靶標2 ；激光光源1，用于實現(xiàn)望遠、水平基準與焦距調(diào)節(jié)，產(chǎn)生半徑大小與清晰度的可調(diào) 的激光光斑；優(yōu)選的，所述激光光源1內(nèi)部有準直結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生平行光束；利用激光光源1的底 座基準旋鈕，可調(diào)節(jié)光束水平，以保證光斑入射到復合靶標2的上下位置可調(diào)、垂直放置的 十字靶標上；利用激光光源1的聚焦旋鈕，可調(diào)節(jié)激光光斑的大小與清晰度。視覺探測，用于對復合靶標2遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭4和單攝像頭 5，其中，變焦鏡頭4采用電動變焦技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測距離調(diào)整；單攝像頭5利用數(shù)字攝像頭實現(xiàn) 目標成像；定位云臺6 ；電控器7，電控器7分別與變焦鏡頭4和定位云臺6連接；電控器7控制定位云臺6帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉(zhuǎn)掃描兩維運動，尋找監(jiān)測目標，使得復合靶標2成像于視 覺探測器的視場中心；電控器7控制變焦鏡頭實現(xiàn)視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮 實時調(diào)整；保證復合靶標2成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖9，實現(xiàn)長距離高速圖像傳輸；數(shù)字采集卡10，用于接收光纖傳輸所傳輸?shù)膱D像；工控機11，所述工控機11中安裝有監(jiān)測系統(tǒng)軟件，用于對數(shù)字采集卡所獲得的圖 像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。優(yōu)選的，所述光端機包括光端機接收端82和光端機發(fā)送端81。優(yōu)選的，所述傳輸光纖9兩端分別與光端機_發(fā)送端81和光端機-接收端82相 插接；光端機_發(fā)送端81與單攝像頭5插接，光端機-接收端82與數(shù)字采集卡10插接。優(yōu)選的，所述數(shù)字采集卡10通過PCI插槽安裝與工控機11的主板上。測量過程中，由單攝像頭5與變焦鏡頭4螺紋對接組合形成的視覺探測器對復合 靶標2的圓形靶標與十字靶標上的激光光斑空間狀態(tài)進行光學成像，實時圖像序列經(jīng)光端 機_發(fā)送端81、傳輸光纖9、光端機-接收端82，由數(shù)字采集卡10采集到工控機11，通過系 統(tǒng)軟件對圖像進行存儲與在線處理，提取三維形變信息，并實時顯示。系統(tǒng)監(jiān)測范圍與分辨 率由變焦鏡頭4、單攝像頭5以及數(shù)字采集卡10決定，監(jiān)測范圍與分辨率高低可通過對變焦 鏡頭4的變焦倍數(shù)、單攝像頭5的像素數(shù)與像元大小調(diào)整實現(xiàn)。實際應用中，單攝像頭5可以選擇BASLER SLA1390_17fm系列，主要參數(shù)靶面大小1/2英寸；像素數(shù)(寬X 高)1392 X 1040 ；幀頻17FPS，1394B接口 輸出；像元尺寸4. 65X4. 65iim。變焦鏡頭4可以選擇HF-30300Z系列，主要參數(shù)焦距30-300；接口CS口；靶面大小1/3英寸；控制電動、三可變。數(shù)字采集卡10選擇AFW-8300A系列，主要參數(shù)PCI-X 插槽；接口2 個 1394b;驅(qū)動支持98SE/ME/2000/XP/XP 64_bit/Vista。按照以上配置，系統(tǒng)測量主要技術(shù)指標可達(1)形變范圍< 20mm ；(2)檢測精度() 5mm ；(3)監(jiān)測距離20m左右。本實施例中所述的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測系統(tǒng)可廣泛應用于非 接觸式工業(yè)在線測量，尤其是遠距離三維微小形變及位移等在線監(jiān)測，系統(tǒng)實施例二 參照圖2，示出了本發(fā)明的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法的流程圖，所述方法具體包括SlOl，連接復合靶標和監(jiān)測目標；優(yōu)選的，所述復合靶標和監(jiān)測目標采用的是剛性連接。S102，接通激光光源，使其水平入射到復合靶標上，形成準直光斑；S103,打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對復合靶標遠距離成像；S104,利用電控器控制定位云臺，調(diào)整變焦鏡頭的空間位置，使復合靶標的像在單 攝像頭的視場中心；S105，利用電控器控制變焦鏡頭，調(diào)整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數(shù)，使得復 合靶標的像最清晰；S106，單攝像頭得到的復合靶標的像，通過光端機-發(fā)送端、傳輸光纖和光端 機_接收端傳送到數(shù)字采集卡；S107,工控機處理數(shù)字采集卡獲得的圖像信號，經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件分析處理，獲得三 維微小形變信息。本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與 其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于方法實施例 而言，由于其與系統(tǒng)實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部 分說明即可。以上對本發(fā)明所提供的一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)進行 了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例 的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員， 依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi) 容不應理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括復合靶標，由上下位置可調(diào)、垂直放置的十字靶標和俯仰角度可調(diào)的圓形靶標組成，用于為目標形變及激光光源光斑移動監(jiān)測提供參考；所述復合靶標與監(jiān)測目標剛性連接；監(jiān)測目標在三維空間的位移或者形變直接傳遞給復合靶標；激光光源，用于實現(xiàn)望遠、水平基準與焦距調(diào)節(jié)，產(chǎn)生半徑大小與清晰度的可調(diào)的激光光斑；視覺探測，用于對復合靶標遠距離成像；視覺探測包括變焦鏡頭和單攝像頭，其中，變焦鏡頭采用電動變焦技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測距離調(diào)整；單攝像頭利用數(shù)字攝像頭實現(xiàn)目標成像；定位云臺；電控器，電控器分別與變焦鏡頭和定位云臺連接；電控器控制定位云臺帶動視覺探測器進行俯仰與旋轉(zhuǎn)掃描兩維運動，尋找監(jiān)測目標，使得復合靶標成像于視覺探測器的視場中心；電控器控制變焦鏡頭實現(xiàn)視覺探測的光學成像縮放、聚焦及光亮實時調(diào)整；保證復合靶標成像清晰；光纖傳輸，包括光端機和傳輸光纖，實現(xiàn)長距離高速圖像傳輸；數(shù)字采集卡，用于接收光纖傳輸所傳輸?shù)膱D像；工控機，工控機中安裝有監(jiān)測系統(tǒng)軟件，用于對數(shù)字采集卡所獲得的圖像進行分析處理，獲取三維微小形變信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述光端機包括光端機接收端和光端機發(fā)送端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述激光光源內(nèi)部有準直結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生平行光束；利用激光光源的底座基準旋鈕，可調(diào) 節(jié)光束水平，以保證光斑入射到復合靶標的上下位置可調(diào)、垂直放置的十字靶標上；利用激 光光源的聚焦旋鈕，可調(diào)節(jié)激光光斑的大小與清晰度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述傳輸光纖兩端分別與光端機_發(fā)送端和光端機_接收端相插接；光端機_發(fā)送端 與單攝像頭插接，光端機_接收端與數(shù)字采集卡插接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于 所述數(shù)字采集卡通過PCI插槽安裝于工控機的主板上。
6.一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述方法包括 連接復合靶標和監(jiān)測目標；接通激光光源，使其水平入射到復合靶標上，形成準直光斑； 打開單攝像頭和變焦鏡頭，使其對復合靶標遠距離成像；利用電控器控制定位云臺，調(diào)整變焦鏡頭的空間位置，使復合靶標的像在單攝像頭的 視場中心；利用電控器控制變焦鏡頭，調(diào)整變焦鏡頭的光圈、聚焦和變倍參數(shù)，使得復合靶標的像 最清晰；單攝像頭得到的復合靶標的像，通過光端機_發(fā)送端、傳輸光纖和光端機_接收端傳送 到數(shù)字采集卡；工控機處理數(shù)字采集卡獲得的圖像信號，經(jīng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件分析處理，獲得三維微小形變信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于 所述復合靶標和監(jiān)測目標采用的是剛性連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種遠距離三維微小形變視覺在線監(jiān)測方法和系統(tǒng)，包括復合靶標、激光光源、視覺探測、定位云臺、電控器、光纖傳輸、數(shù)字采集卡和工控機，系統(tǒng)中視覺探測和激光光源可以實現(xiàn)三維監(jiān)測，總體設計結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，同時，采用電動變焦進行視覺探測，實現(xiàn)了監(jiān)測距離可調(diào)，測試精度稿，并且將數(shù)字攝像與光纖傳輸相結(jié)合，實現(xiàn)了遠距離信號可靠傳輸以及現(xiàn)場與監(jiān)控空間分離，復合靶標實現(xiàn)了不同目標監(jiān)測的集成一體化。
文檔編號G01B11/16GK101832760SQ20101015984
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者李玉和, 祁鑫, 胡小根 申請人:清華大學