一種多視覺傳感器檢測系統全局標定方法

2023-07-08 23:28:31

專利名稱：一種多視覺傳感器檢測系統全局標定方法
技術領域：
本發明屬於測量技術領域，涉及對結構光三維視覺檢測中傳感器標定方法的改進。
背景技術：
在諸多的視覺檢測方法中，結構光三維視覺檢測廣泛地應用於工件的完整性、表面平整度的測量；微電子器件(IC晶片、PC板、BGA)等的自動檢測；軟質、易碎零部件的檢測；各種模具三維形狀的檢測；機器人的視覺導引等。視覺檢測技術以其大量程、大視場、測量速度快、光條圖像易於提取及較高精度等特點在工業環境中得到了愈來愈廣泛的應用。最具有吸引力地是由視覺傳感器陣列組成的大型物體(如航空構件等)空間三維尺寸多視覺傳感器檢測系統。這種系統柔性好，測量為非接觸式，動態響應快，能滿足大量生產「節拍」短的要求，而且整個測量過程高度自動化。要使整個多視覺傳感器檢測系統成為一個獨立的測量系統，必須對整個系統進行標定，即確定系統中各個傳感器與被測工件坐標系的相對位置關係，這一工作成為全局標定。在結構光三維視覺檢測應用中，全局標定方法一直是一個關鍵的研究內容。目前，多視覺傳感器檢測系統的全局標定主要是「電子經緯儀對法」。該方法是利用兩臺電子經緯儀組成一雙目立體三坐標測量系統，來提供空間高精度的三維標定點。由於電子經緯儀移動靈活，精度高，測量範圍大，很適合現場標定，因而成為目前多視覺傳感器檢測系統全局標定的主要手段。多視覺傳感器檢測系統的全局標定實際上就是確定每個傳感器單元相對於工件測量坐標系的位置關係，這樣，系統測量出的數據才是具有實際工程意義的數據。目前利用電子經緯儀對進行全局標定的方法具體又分為「同名坐標統一法」和「中介坐標統一法」。
同名坐標統一法的標定步驟是首先在實驗室中完成攝像機的內部參數標定和系統中單個傳感器的局部標定。這時，攝像機和傳感器各部件的位置必須由良好的固定，不能發生變化，以保證所標定參數的有效性。然後，到測量現場，將所有傳感器固定，構建好整個系統後，再由經緯儀對系統和每個傳感器同時測量總體測量坐標系下的標定點，實現傳感器的全局統一。
中介坐標統一法的標定步驟是首先在實驗室中完成攝像機的內部參數標定。這時，攝像機和傳感器各部件的位置必須由良好的固定，不能發生變化，以保證所標定參數的有效性。其次，到測量現場，將所有傳感器固定，構建好整個系統後，確定每個傳感器的攝像機在某一標定靶標坐標系下的位置和方向。第三，由經緯儀對系統確定靶標坐標系在工件坐標系下的位置和方向，實現全局的統一。
「同名坐標統一法」和「中介坐標統一法」存在的不足是第一、部分參數在實驗室標定好後，在往現場運輸的過程中，由于震動等無法克服的因素的影響，傳感器各個部件的相對位置可能會發生變化，從而使得已經標定好的參數失真。第二、全局統一的過程中經過了多次坐標系的轉換，不可避免地造成了精度的損失。現有的多視覺傳感器檢測系統的全局標定方法存在的不足，使得整個系統的檢測精度很難達到較高的水平。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有方法存在的不足，提供一種精度較高，適合現場標定的多傳感器視覺檢測系的全局標定方法，進一步提高多視覺傳感器檢測系統測量精度。
本發明的技術解決方案是一種多視覺傳感器檢測系統全局標定方法，其特徵在於按照以下步驟進行標定(1)在測量現場把整個多視覺傳感器檢測系統構建好，即確定每個視覺傳感器的位置並加以固定，同時確定經緯儀的位置並加以固定；(2)在測量現場，在適當的位置安放好用於標定經緯儀的標準靶尺，採集足夠數量的標定點，把經緯儀對測量系統建好；(3)根據不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標系，使用經緯儀對系統建立好工件坐標系；(4)把一個具有鮮明特徵點的標定靶標安放在合適的位置，應使系統中的每個視覺傳感器以及經緯儀都能正常使用該靶標；靶標由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標面上有預先設置的特徵點，靶標面為下述結構之一A、靶標甲，在靶標面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特徵點；B、靶標乙，在靶標面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數和列數為3～100個，採用圓孔的中心作為特徵點；C、靶標丙，在靶標面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數和列數為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特徵點；(5)開啟多視覺傳感器檢測系統的電源，由多視覺傳感器檢測系統的視覺傳感器採集靶標的圖像，存儲到計算機中；(6)由經緯儀對靶標上的某一個特徵點進行瞄準，讀取其水平和俯仰角α和β的值並記錄，然後計算該特徵點在工件坐標系下的三維物坐標並存儲到計算機中；(7)採用相關的特徵點提取算法獲得靶標圖像上該特徵點對應的二維像坐標並存儲到計算機中；(8)重複(6)、(7)的工作，直到所獲得的標定點滿足標定所有的視覺傳感器的需要；(9)利用獲得的標定點對整個多視覺傳感器檢測系統的每個視覺傳感器進行標定，獲得各個視覺傳感器相對於工件坐標系的位置關係，完成全局標定；(10)存儲標定結果，以備後續測量使用。
本發明方法的優點是第一、實現了在測量現場攝像機內部參數標定和傳感器全局標定的統一，避免了傳感器搬運過程和安裝過程中可能引起的傳感器參數的變化而產生的精度損失，保證了標定狀態和工作狀態的一致性，有利於提高整個視覺檢測系統的精度。第二、減少了坐標轉換次數，從而減少了由坐標系轉換所帶來的精度損失。


圖1是一種標定靶標的示意圖。
圖2是結構光視覺傳感器的實物圖。圖2中，1是殼體，2是CCD視窗，3是雷射器出射口。
具體實施例方式
下面對本發明方法做進一步詳細說明。本發明方法又稱「世界坐標唯一法」，它進行多視覺傳感器檢測系統全局標定的基本思路是在測量現場，直接由經緯儀對測量系統獲得世界工件坐標系下的特徵點作為標定點，用於同時標定攝像機的內部參數和傳感器的外部參數。這樣，整個系統中每個傳感器標定完畢後，便獲得了各個攝像機的內部參數，並同時實現了各個傳感器的全局統一，即完成了系統的全局標定。
使用本發明進行多視覺傳感器檢測系統全局標定的具體步驟如下(1)在測量現場把整個多視覺傳感器檢測系統構建好，即確定每個視覺傳感器的位置並加以固定，同時確定經緯儀的位置並加以固定。
(2)在測量現場，在適當的位置安放好用於標定經緯儀的標準靶尺，採集足夠數量的標定點，把經緯儀對測量系統建好；建立經緯儀的具體方法是已知技術，可以參見羅明著《多傳感器視覺檢測系統及其應用研究》，天津大學博士論文，1996。
(3)根據不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標系，使用經緯儀對系統建立好工件坐標系。工件坐標系的建立一般根據其設計圖紙來進行，即工件在所建立的工件坐標系的下各種尺寸和公差與圖紙上所標示的完全一致。
(4)把一個具有鮮明特徵點的標定靶標安放在合適的位置，應使系統中的每個視覺傳感器以及經緯儀都能正常使用該靶標。通俗地說，要使系統中的每個視覺傳感器以及經緯儀都能「看到」靶標，即能從靶標上獲取標定所需要的足夠多的特徵點。靶標由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標面上有預先設置的特徵點，靶標面為下述結構之一A、靶標甲，在靶標面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特徵點。
B、靶標乙，在靶標面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數和列數為3～100個，採用圓孔的中心作為特徵點。
C、靶標丙，在靶標面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數和列數為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特徵點。
如圖1所示，這是靶標甲的一種實施例，靶標面上黑色方塊的角點為特徵點，θ＝90°。
(5)開啟多視覺傳感器檢測系統的電源，由多視覺傳感器檢測系統的視覺傳感器採集靶標的圖像，存儲到計算機中。
(6)由經緯儀對靶標上的某一個特徵點進行瞄準，讀取其水平和俯仰角α和β的值並記錄，然後計算該特徵點在工件坐標系下的三維物坐標並存儲到計算機中。具體技術方法可以參見羅明著《多傳感器視覺檢測系統及其應用研究》，天津大學博士論文，1996。
(7)採用相關的特徵點提取算法獲得靶標圖像上該特徵點對應的二維像坐標並存儲到計算機中。特徵點提取算法參見C.G.Harris and M.J.Stephens的文章「一種綜合的角點和邊緣探測器」[A combined corner andedge detector]，第四屆Alvey視覺會議論文集，曼徹斯特，第147～151頁，1988年。[Proceedings Fourth Alvey Vision Conference，Manchester.pp 147～151，1988]和魏振忠、張廣軍的文章「結構光視覺檢測中直稜邊特徵點自動提取方法」，2002全國光電技術學術交流會議論文集，第196～199頁。
(8)重複(6)、(7)的工作，直到所獲得的標定點滿足標定所有的視覺傳感器的需要。
(9)利用獲得的標定點對整個多視覺傳感器檢測系統的每個視覺傳感器進行標定，獲得各個視覺傳感器相對於工件坐標系的位置關係，完成全局標定。
(10)存儲標定結果，以備後續測量使用。
實施例利用本發明的方法，對由如圖2所示的五個結構光視覺傳感器構成的多視覺傳感器檢測系統進行了標定。需要標定的參數如式[1]和式[2]所示XY=f0000f000010Rt0T1xwywzw1---[1]]]>
其中R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9]]>為旋轉矩陣，t=txtytz]]>為平移矢量，ω為比例因子，是一常數。
光平面方程的方程可描述為a·xw+b·yw+c·zw+d＝0 [2]標定的結果如下(1)傳感器一R=0.3470270.244612-0.905393-0.6273540.778147-0.0302240.6971360.5784910.423497t=55.0995859.309396491.199576]]>·結構光平面方程係數[a b c d]＝
(2)傳感器二R=0.1807670.352066-0.918353-0.8694090.4937600.0181580.4598390.7951420.395344t=11.62445922.440675544.071467]]>·結構光平面方程係數[a b c d]＝[-0002036 0.000763 -0.018162 0.598640](3)傳感器三R=0.1836490.330879-0.925631-0.8202750.5704850.411820.5416850.7517080.376180t=67.8765018.940593515.987783]]>·結構光平面方程係數[a b c d]＝
(4)傳感器四R=0.2511270.301105-0.919930-0.7765090.630079-0.0057420.5779000.7157760.392041t=56.02170914.672523509.689664]]>·結構光平面方程係數 ＝[-0.049510 0.175063 -3.77078035 0.999684](5)傳感器五R=0.2897180.302576-0.908026-0.7507250.660327-0.0194920.5936960.6873250.418460t=47.350343-1.241391494.465622]]>·結構光平面方程係數[a b c d]＝[-0.053936 -0.153525 2.731544 -248.999779]利用以上標定的由五個結構光視覺傳感器組成的檢測系統，對標準長度為1021.413mm的尺子進行了測量，測量精度達到了0.373mm。
權利要求
1.一種多視覺傳感器檢測系統全局標定方法，其特徵在於按照以下步驟進行標定(1)在測量現場把整個多視覺傳感器檢測系統構建好，即確定每個視覺傳感器的位置並加以固定，同時確定經緯儀的位置並加以固定；(2)在測量現場，在適當的位置安放好用於標定經緯儀的標準靶尺，採集足夠數量的標定點，把經緯儀對測量系統建好；(3)根據不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標系，使用經緯儀對系統建立好工件坐標系；(4)把一個具有鮮明特徵點的標定靶標安放在合適的位置，應使系統中的每個視覺傳感器以及經緯儀都能正常使用該靶標；靶標由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標面上有預先設置的特徵點，靶標面為下述結構之一A、靶標甲，在靶標面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特徵點；B、靶標乙，在靶標面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數和列數為3～100個，採用圓孔的中心作為特徵點；C、靶標丙，在靶標面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數和列數為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特徵點；(5)開啟多視覺傳感器檢測系統的電源，由多視覺傳感器檢測系統的視覺傳感器採集靶標的圖像，存儲到計算機中；(6)由經緯儀對靶標上的某一個特徵點進行瞄準，讀取其水平和俯仰角α和β的值並記錄，然後計算該特徵點在工件坐標系下的三維物坐標並存儲到計算機中；(7)採用相關的特徵點提取算法獲得靶標圖像上該特徵點對應的二維像坐標並存儲到計算機中；(8)重複(6)、(7)的工作，直到所獲得的標定點滿足標定所有的視覺傳感器的需要；(9)利用獲得的標定點對整個多視覺傳感器檢測系統的每個視覺傳感器進行標定，獲得各個視覺傳感器相對於工件坐標系的位置關係，完成全局標定；(10)存儲標定結果，以備後續測量使用。
全文摘要
本發明屬於測量技術領域，涉及對結構光三維視覺檢測中傳感器標定方法的改進。本發明的步驟是系統構建－採集標定點－選定坐標系－安放靶－採集靶標圖像－計算特徵點的三維物坐標－提取特徵點的二維像坐標－重複提取特徵點坐標－標定傳感器－存儲標定結果。本發明有利於提高整個視覺檢測系統的精度，減少由於坐標系轉換所帶來的精度損失。
文檔編號G01B11/24GK1508512SQ02156600
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月17日 優先權日2002年12月17日
發明者張廣軍, 魏振忠, 徐園 申請人:北京航空航天大學