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
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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