CN100462668C - 一种用于视觉系统标定的柔性平面靶标 - Google Patents

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Abstract

本发明属于视觉检测技术，涉及对视觉系统进行标定所需要的靶标以及标定点提取方法的改进。本发明柔性平面靶标的特征在于，有一个承载标定点的平面基底；在该平面基底上有9个黑色圆点，它们构成一个正方形。本发明平面靶标只有9个原始标记黑圆点，可以保证较高的加工精度。通过9个原始标记黑圆点可以另外产生28个高精度的标定点，可有效提高视觉系统的标定精度。

Description

一种用于视觉系统标定的柔性平面靶标
技术领域
本发明属于视觉检测技术，涉及对视觉系统进行标定所需要的靶标的改进。
背景技术
视觉检测技术作为一项高新技术，在航空航天、军事、生物医学、物体识别、文字图像识别、加工制造、工业检测、自动化控制等诸多领域得到了广泛应用。视觉系统通常是由多个视觉传感器构成的一个柔性三坐标测量系统，可以完成对大型工件的测量。视觉传感器通常可分为被动视觉传感器和主动视觉传感器，一般由CCD摄像机和光模式投射器组成，基于透视投影变换理论，可以建立视觉传感器的数学模型，然后通过标定确定模型中的有关参数。视觉系统的标定需要能够提供标准标定点的参照物，称为靶标。靶标上一般设计具有鲜明特征的标记来产生标定点，如十字叉丝的交点、圆心、方块的角点等。靶标的形式主要有立体式和平面式两种。立体靶标一般由互相成一定角度(一般正交)的三个或两个刚性平面构成。如图1所示为一由两正交的刚性平面构成的立体靶标，其上设置足够多的方块以构成足够的标定点。立体靶标的加工难度较大，较难达到较高的精度，尤其是特征标记较多时。另外，较难获得立体靶标各个面质量均很好的标定图像，从而使得标定点的图像坐标的精度降低。平面靶标则是由一刚性平面构成，根据具体需要，在其表面加工足够的特征标记以提供标定点。如图2所示为一平面靶标，其上有几十个黑色圆点，圆心为标定点。实际应用中，为了提高标定精度，一般都要在靶标面上设置较多的标记，这就使得靶标的加工精度较难保证，也增加了加工难度。但是平面靶标较立体靶标加工容易，且可以获得质量较好的标定图像。
发明内容
本发明的目的是：提出一种用于视觉系统标定的柔性平面靶标，它只需要设置少量特征标记，就能提供足较多的标定点，既降低了加工难度，又可保证标定点的精度。
本发明的技术方案是：一种用于视觉系统标定的柔性平面靶标，其特征在于，
(1)有一个承载标定点的平面基底；
(2)在该平面基底上仅有9个黑色圆点，9个黑色圆点的圆心作为原始标定点，它们构成一个正方形，4个黑色圆点的圆心位于正方形的4个顶点，4个黑色圆点的圆心位于正方形4个边的中点，1个黑色圆点的圆心位于正方形的中心；
(3)靶标的标定点为：9个黑色圆点的圆心以及上述9个黑色圆点的圆心相互通过直线连接，这些直线相互交叉形成的28个交点，上述28个交点，加上9个黑色圆点的圆心，一共有37个标定点。
本发明的优点是：
1.本发明平面靶标只需设计9个原始标记黑圆点，可以保证较高的加工精度。
2.通过9个原始标记黑圆点可以另外产生28个高精度的标定点，使得标定点的数量大大增加，从而可有效提高视觉系统的标定精度。由于获得标定点方法非常灵活，所以称本发明靶标为柔性靶标。
3.降低了靶标加工难度，同时能保证高精度标定点的个数。
附图说明
图1是现有的立体靶标结构示意图。
图2是现有的平面靶标结构示意图。
图3是本发明柔性平面靶标的示意图。
图4是柔性靶标获得标定点的结构示意图。图中1～9分别是9个黑色圆点的圆心。10～37分别是连接9个黑色圆点圆心直线的28个交点。
图5是用摄像机拍摄到的本发明平面靶标图像。
图6是提取的本发明平面靶标黑圆边缘及计算所得圆心。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。如图3所示，这是本发明的柔性平面靶标结构示意图。其特征在于：
(1)有一个承载标定点的平面基底。所说的平面基底由下述材料之一制成：玻璃、钢、陶瓷。
(2)在该平面基底上仅有9个黑色圆点，9个黑色圆点的圆心作为原始标定点，它们构成一个正方形，4个黑色圆点的圆心位于正方形的4个顶点，4个黑色圆点的圆心位于正方形4个边的中点，1个黑色圆点的圆心位于正方形的中心；
(3)靶标的标定点为：9个黑色圆点的圆心以及上述圆心连线的交点。
如图4所示，假设9个黑色圆点的圆心相互通过直线连接，这些直线相互交叉形成28个交点。上述28个交点，加上9个黑色圆点的圆心，一共有37个标定点。这37个标定点在靶标坐标系中的坐标已知，其图像坐标同样可以求得，从而可以为视觉系统的标定提供较多的标定点。
本发明靶标标定点的提取方法如下：
(1)如图4所示，根据靶标的具体设计尺寸，定义靶标的坐标原点并计算9个黑圆点圆心在靶标坐标系中的坐标。
(2)利用求得的9个黑点圆心在靶标坐标系下的坐标计算它们之间连线的直线方程，从而求得这些直线的28个交点在靶标坐标系中的坐标。
(3)把柔性平面靶标放置在视觉系统视场的合适位置，由摄像机获取靶标的一幅图像。
(4)利用边缘提取方法[马颂德，张正友，“计算机视觉-原理和算法基础”，北京：科学出版社，1998]提取靶标图像中9个黑圆点的边缘。
(5)对提取的9个黑圆点的边缘进行圆拟合，获得9个黑点圆心的图像坐标。
(6)利用获得的9个黑圆点圆心的图像坐标计算它们之间连线的直线方程，从而求得这些直线的28个交点在图像中的图像坐标。
通过以上方法共可以获得37个标定点的世界坐标(靶标坐标系下的坐标)及其对应的图像坐标用于视觉系统的标定。
实施例
如图4所示，对所有标定点进行编号。以左上点为圆心，水平向右方向为x轴，竖直向下方向为y轴建立平面靶标坐标系。计算靶标平面上所有标定点的坐标，如表1所示。
表1 标定点平面靶标坐标系坐标(单位：mm)
 
编号 X Y 编号 X Y 编号 X Y
1 0 0 14 50 50 27 90 120
 
2 75 0 15 60 30 28 50 125
3 150 0 16 100 25 29 37.5 112.5
4 0 75 17 112.5 37.5 30 25 100
5 75 75 18 125 50 31 60 120
6 150 75 19 90 30 32 50 100
7 0 150 20 100 50 33 30 90
8 75 150 21 120 60 34 75 37.5
9 150 150 22 125 100 35 112.5 75
10 25 50 23 112.5 112.5 36 75 112.5
11 37.5 37.5 24 100 125 37 37.5 75
12 50 25 25 120 90
13 30 60 26 100 100
图5所示为摄像机拍摄到的平面靶标图像。图6所示为提取的黑圆边缘及计算所得圆心。表2给出了圆心坐标及由它们计算得到的其它所有标定点的坐标。
表2 标定点图像坐标(单位：象素)
 
编号 X Y 编号 X Y 编号 X Y
1 147.9 69.9 14 288.0 212.4 27 397.8 410.2
2 359.9 70.5 15 317.2 156.3 28 285.4 422.5
3 573.5 73.6 16 430.7 143.1 29 248.7 387.6
4 144.3 280.4 17 466.2 177.9 30 214.3 351.9
5 357.0 282.7 18 500.8 214.4 31 313.2 410.1
6 571.7 285.2 19 402.3 157.7 32 284.7 352.8
7 143.8 491.7 20 430.4 213.6 33 229.1 324.0
8 355.2 495.7 21 486.2 242.2 34 359.1 178.4
9 568.2 497.5 22 500.1 356.2 35 465.0 285.3
10 216.5 211.9 23 462.5 390.8 36 356.8 388.9
11 252.8 177.1 24 427.3 425.9 37 250.5 282.4
12 289.3 141.2 25 486.1 328.0
13 231.6 240.5 26 426.6 355.1
所得到的标定点靶标坐标系下的坐标及对应的图像坐标，即可用于视觉系统的标定。
表3给出本发明靶标的不同尺寸参数的实施例。
 
基底材料 黑圆点直径 正方形边长 黑圆点与基底材料结合方法
例1 玻璃 15mm 150mm 镀膜，腐蚀
例2 钢 20mm 200mm 钻孔
例3 陶瓷 10mm 100mm 镀膜，腐蚀

Claims (3)

1、一种用于视觉系统标定的柔性平面靶标，其特征在于，
(1)有一个承载标定点的平面基底；
(2)在该平面基底上仅有9个黑色圆点，9个黑色圆点的圆心作为原始标定点，它们构成一个正方形，4个黑色圆点的圆心位于正方形的4个顶点，4个黑色圆点的圆心位于正方形4个边的中点，1个黑色圆点的圆心位于正方形的中心；
(3)靶标的标定点为：9个黑色圆点的圆心以及上述9个黑色圆点的圆心相互通过直线连接，这些直线相互交叉形成的28个交点，上述28个交点，加上9个黑色圆点的圆心，一共有37个标定点。
2、根据权利要求1所述的柔性平面靶标，其特征在于，所说的平面基底由下述材料之一制成：玻璃、钢、陶瓷。
3、根据权利要求1或2所述的柔性平面靶标，其特征在于，所说的黑色圆点的直径为10mm-20mm，黑色圆点所构成正方形的边长为100mm-200mm。
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