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原文传递锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法

专利名称：	锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法
摘要：	本发明公开了锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，通过计算机连接可在各个维度进行调整的相机，相机上连接定焦镜头用于采集被测锑化镓晶体棒料的图像，调整相机的位置以保证相机的主点接近到锑化镓晶体棒料图像的中心。在此基础上建立斜向视觉测量模型和系统参数标定方法。计算并设置相机的采样频率后，连续采集360幅图像，轮廓提取后依据检测到的直线特点筛选有效图像，计算此时锑化镓晶体棒料的横向最大、最小尺寸以及纵向尺寸，最后进行图像融合得到锑化镓晶体棒料截面形状。重复上述过程实现锑化镓晶体生长的在线自动测量。本发明不仅可获得截面尺寸大小，也可获得截面形状，弥补了斜向测量被遮挡从而不能得到完整图像和截面参数的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安理工大学
发明人：	赵敏;白武阳;王建春
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-18T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-14T00:00:00+0800
申请号：	CN202311047575.4
公开号：	CN117054418A
代理机构：	西安弘理专利事务所
代理人：	王丹
分类号：	G01N21/84;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/84
申请人地址：	710048 陕西省西安市碑林区金花南路5号
主权项：	1.锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，采用锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量系统，通过建立斜向测径数学模型，得到物像转换关系，然后通过张正友标定法以及已知尺寸标定方法分别得到相机内外参数，最后计算并设置相机采样频率；然后进行系统测量工作，通过计算得到的采样频率开始采集图像，然后对采集到的图像进行处理，提取光圈轮廓，通过霍夫变换直线检测方法对图像进行筛选，对筛选到的有效图像进行截面参数测量，最后通过图像拼接得到截面形状。 2.根据权利要求1所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，所述锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量系统包括，通过计算机(6)连接相机(4)采集被测锑化镓晶体棒料(1)的图像，所述相机(4)上连接着定焦镜头(5)；观察窗位于单晶炉(2)的斜上方，所述相机(4)利用支架(3)固定在观察窗上，同时调整相机(4)的位置以保证相机的主点接近到锑化镓晶体棒料图像的中心，所述支架(3)需要保证相机(4)在各个维度都可以进行调整。 3.根据权利要求2所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，具体操作步骤如下：步骤1：建立斜向测径数学模型：首先根据视觉测量的系统模型建立斜向测径的数学模型，得到物像转换关系，即得到物点与像点坐标之间的转换关系；步骤2：对相机的内外参数进行标定；步骤3：相机采集单晶炉旋转到多个角度的图像，按照单晶炉旋转每隔1°采集图像，共计360幅图像；根据单晶炉的转速为a转/分，a≈6，计算并设置相机的采样频率μ＝1/(360*a/60)＝1/6a；μ≈1/36；对采集的图像按照从1～360的序号进行命名；步骤4、待步骤3完成后，用计算机对采集到的360幅图像进行处理；步骤5、对步骤4中筛选到的有效图像进行截面参数计算；步骤6、通过步骤3采集到的360幅图像的轮廓，均为斜向拍摄的轮廓，根据物像关系进行逆投影转化得到正向的物图；将第一张有效图像作为基准将其他图像旋转相对基准的角度，依次进行图像融合从而形成一个完整的截面轮廓，最终得到锑化镓晶体棒料的截面形状；重复进行步骤3到步骤6，即可实现整个系统的自动测量过程。 4.根据权利要求3所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，步骤1具体如下：建立相机坐标系O-XYZ和世界坐标系o′-x′y′z′；相机光心O为原点，Z轴与光轴重合；建立图像坐标系o-xy，坐标原点为摄像机光轴与图像物理坐标系的交点位置；所述斜向测径数学模型中描述相机坐标系和世界坐标系的关系具体如下：其中：X，Y，Y为相机坐标系对应坐标，即像点坐标； x′，y′，z′为世界坐标系对应坐标，即物点坐标；由于采集到的图像仅位于平面o′-x′y′中，因此世界坐标系中z′坐标始终为0，即z′＝0；为相机光心到图像的直线距离； α为相机光心与图像的夹角再由中心透视投影关系式得到：其中，f为相机焦距；即可得到物像转换关系，即物平面中对应点的坐标： 5.根据权利要求4所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，步骤2中需标定的内外参数包括： (1)内参数焦距f：内参焦距f在斜向测径数学模型构建时通过张正友标定法标定获得； (2)外参数角度α：已知一个锑化镓晶体棒料截面参数，以晶体中心为原点，通过特殊点的物像对应关系即可进行参数标定：根据实际截面对应的点(x1′,y1′)，根据物像转换关系公式(4)，上下方程相除得到则可以计算出角度α； (3)外参数平移参数Tz：通过另一组对应的点(x2′,y2′)，根据物像转换关系公式(4)，当y2′＝0时，y2＝0，可以得到：通过以上计算方法即可得到相机的内外参数。 6.根据权利要求5所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，步骤4具体如下：步骤4.1、对步骤3中采集到的360幅图像依次使用中值滤波滤除噪声处理，同时保护信号的边缘不被模糊；步骤4.2、对经过步骤4.1处理后的图像使用Canny算子提取出图像的边缘，以轮廓的面积作为条件清除多余的轮廓，从而筛选出光圈的轮廓；步骤4.3、对于步骤4.1中采集到的360幅图像通过霍夫变换直线检测算法检测出轮廓中的直线，只要检测出的直线与横坐标轴夹角小于1°，说明此幅图像有效，即可以通过此图像计算截面参数。 7.根据权利要求6所述的锑化镓晶体棒料截面参数视觉测量方法，其特征在于，步骤5具体如下：步骤5.1：对于检测到的与横坐标轴夹角小于1°的直线，直线方程为： ya＝kx+b (8) 其中，k为检测到直线的斜率；b为检测到直线的截距；计算直线与轮廓相交的像素点以及直线长度，将直线每次向上移动1个像素点，即将截距b每次减1，当此次的直线长度小于下一次的直线长度时，结束移动直线，此时的直线方程为： yb＝kx+(b-i) (9) 其中，i为直线停止移动时，直线yb相当于ya改变的像素数；此时即可得到直线的最大尺寸，也就是图像轮廓的最大尺寸；然后计算直线yb＝kx+(b-i)与直线相交的两个像素点的中点到直线ya＝kx+b的距离，即可得到直线的最小尺寸的一半；根据物像转换关系得到物空间中的截面尺寸如下：设直线yb＝kx+(b-i)与轮廓相交的像素点坐标为(x2，y2)和(x3，y3)，根据物像转换关系公式(4)，可以得到对应的物点(x2′，y2′)和(x3′，y3′)，计算两点距离： D1就是锑化镓晶体棒料的横向最大尺寸；步骤5.2：若检测到的与横坐标轴夹角之差的绝对值小于1°的两条直线：其中：kc与kd为这两条直线的斜率；bc与bd为这两条直线的截距；分别求出这两条直线与ya＝kx+b的交点(x1，y1)与(x4，y4)；根据物像转换关系公式(4)，可以得到对应的物点(x1′，y1′)和(x4′，y4′)，计算两点距离： D2就是锑化镓晶体棒料的横向最小尺寸；步骤5.3：对于(x2，y2)和(x3，y3)的中点计算出过此点且与直线ya＝kx+b的垂足(x5，y5)的像素点坐标，根据物像转换关系公式(4)，可以得到对应的物点和(x5′，y5′)，计算距离： D3就是锑化镓晶体棒料的纵向尺寸。
所属类别：	发明专利