CN101419177B - 一种用于多台线扫描摄像机标定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多台线扫描摄像机标定的方法，设计一矩形标定板，其上沿四周及对角设有8条窄缝光源；建立带材坐标系O-XYZ和摄像机坐标系O′-X′Y′Z′；a)确定标定板位置，标定板基准线与带材宽度方向平行，标定板对准摄像头；b)调整摄像机成像位置，使其在XOY平面内与Y轴平行，初始成像位置在I处，其调整目标位置为II；c)确定相邻摄像机间的重叠区域，将摄像机成像位置在XOY平面内从位置II调整至位置III；d)平移成像位置使之移动到参考的多摄像机成像的共线位置IV；e)重复以上步骤，标定相邻摄像机直至n台全部标定完成。本发明可以在较短的时间内方便、快捷地调试好线扫描摄像机，使其协调工作。

Description

一种用于多台线扫描摄像机标定的方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种用于多台线扫描摄像机标定的方法。 

背景技术

目前，基于机器视觉的表面缺陷在线检测系统已经成功运用于各种连续带材生产线，如带钢、铝箔、铜箔、纸张、塑料和纺织品等，可以实现对这些带材表面缺陷的实时、高效检出。该类型的检测设备大多依托高速摄像机在生产线上连续拍摄材料的图像，用于分析是否存在缺陷以及存在何种缺陷。 

在高速运动的带材生产线上，视觉成像系统大多采用线扫描摄像机。根据要拍摄带材的宽度不同，需要不同数量的摄像机来并列和并行拍摄。为了保证多台摄像机协调同步工作，就要使它们在带材的运动方向上对同一位置成像。由于线扫描摄像机成像需要物体的相对运动，且只对一条很窄的区域成像，使得标定非常困难。如果没有合适的工具和方法来对摄像机成像面进行正确标定，这项工作会显得极其烦琐复杂，即使花费大量的精力，最后的结果也可能是成像误差很大。多台摄像机拍到的只是来自于不同长度方向上不同位置的带材图像。这种误差，将大大影响多台摄像机工作的同步性，为缺陷图像的合并及尺寸的精确计算造成困难。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多台线扫描摄像机标定的方法，可以在较短的时间内方便、快捷地调试好线扫描摄像机，使其协调工作。经过标定能够使多台摄像机的扫描位置共线，并且保证各摄像机成像面具有一定的重叠区域；调试人员能够快捷、准确地将多台摄像机的成像位置调整到带材运动方向同一条直线上，从而减小系统调试时间，并提高检测数据精度。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是， 

一种用于多台线扫描摄像机标定的方法，其设计有一块矩形标定板，其上沿四周及对角设有8条窄缝光源，分别定义四角端点为A、C、F、D，对角线交点为M，端点A、C、F、D之间的中点分别为B、N、E、L；至此形成AD、CF、AM、BM、CM、DM、EM、FM线的8条窄缝光源，LN为水平基准线；该8条光源分别具有独立的电源开关来控制；该矩形标定板为不透明，且反射能力弱。 

建立了两个参考坐标系：带材位置坐标系O-XYZ和摄像机坐标系O′-X′Y′Z′； 

在O-XYZ带材位置坐标系中，O点为坐标原点，X轴为带材运动方向，Y轴为带材宽度方向，垂直于X轴，Z轴为垂直XOY平面方向； 

摄像机坐标系O′-X′Y′Z′中：O′为摄像机靶线中心点，X′轴为过靶线的中心垂直摄像机靶线方向，Y′轴沿线阵摄像机靶线方向，Z′轴为摄像机过靶线的中心轴向上方向；通过对O-XYZ带材位置坐标系内物体成像来确定坐标系O′-X′Y′Z′的相对位置； 

在摄像机调整过程中，摄像机靶线在XOY平面内将出现四种成像位置： 

位置I：摄像机初始成像位置，此时摄像机成像靶线与Y轴不平行，成像位置与标定板AD光源和AM相交，这两个交点在实时图像中成像分别为亮线a和b； 

位置I′：该成像直线与I平行，与标定板AD和AM相交，这两个交点在实时图像成像分别为亮线a′和b′，是因为摄像机沿Y′旋转所致； 

位置II：该成像直线与Y轴平行，与标定板AD光源垂直相交，与AM斜相交，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和b； 

位置II′：该成像直线与II，与标定板AD光源垂直相交，与AM斜相交，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和b； 

位置III：该成像直线与II平行，与标定板AD光源垂直相交，与AM斜相交，并能够对BM成像，三个交点在实时图像中成像分别为三条亮线a，b和c，此时成像线与BM相交的一端，并延伸出一段可控的距离，为相邻摄像机成像的重叠区域； 

目标位置IV：该成像直线过M点与基准线LM重合，与光源AD和BM分别相交于L和M点，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和c。 

具体标定步骤为： 

a)确定标定板位置，在安装现场，沿带材宽度方向确定标定板的位置，使标定板基准线LN与带材宽度方向平行，同时使标定板对准摄像头； 

b)调整摄像机成像位置，使其在XOY平面内与Y轴平行，初始成像位置在I处，其调整目标位置为II；此时，实时图像中将会出现两条垂直白色亮线，先将摄像机沿Y′轴动态转动β角，使成像位置在I和I′位置间移动；则实时图像中的两条亮线都将随之移动；然后摄像机在X′O′Y′平面内绕Z′轴小角度转动，并在每次转动后，重复上一个动作，同时观察图像中的亮线是否左右移动，若有移动则继续以上调节过程；摄像机成像位置在II和II′间移动时，其中一条亮线将保持静止； 

c)确定相邻摄像机间的重叠区域，该步骤的目标是将摄像机成像位置在XOY平面内从位置II调整至位置III，使摄像机能够对BM线光源成像； 

在Y′O′Z′平面内绕X′轴小角度旋转，直到实时图像中出现第三条亮线c，说明光源BME已经进入视场，这一步骤调节的目的是为了保证第二台摄像机和第一台摄像机在该直线处视场能够重叠； 

d)平移成像位置使之移动到参考的多摄像机成像的共线位置IV；通过在X′O′Z′平面内绕Y′轴小角度微调摄像机，使摄像机成像位置在XOY平面慢慢平移至与标定板中心点M重叠，即摄像机成像位置从图中的位置III处调整至位置IV处； 

先切断光源DM所在电源，如果图像中同时存在三条亮线，则说明成像位置在III处；在X′O′Y′平面内沿X′轴方向移动摄像机，观察实时采集的图像：此时，图像中一条亮线保持静止不动，第二条亮线向第三条亮线移动，直到后两条亮线重合，说明摄像机成像位置已经调到目标位置IV。 

f)对该摄像机整后，关闭光源AD、DM和AM，打开光源CM、FM和CF，利用BM、ME、CM、FM和CF共5个光源调节相邻摄像机进行标定；该位置标定完毕后，沿摄像机成像的共线方向移动标定板至已标定摄像机视场的另一边，并以该位置为基础标定下一个摄像机，直到第n台 摄像机；全部标定完毕，则多台线扫描摄像机的标定工作即可完成。 

所述的光源采用发光二极管。 

本发明的标定板沿带材宽度方向至于带材表面，并根据标定任务需要打开标定板面上光源的控制开关。摄像机安装在系统支架上，该支架可保证单个摄像机能够进行多自由度调整。摄像机的输出经图像采集卡存储到计算机。采集的图像数据实时显示在显示屏幕上，通过观察动态图像调整摄像机位置完成上述标定过程。基于网络摄像机或者PMCIA的图像采集卡，通过笔记本成像，会使标定过程更方便实现。依次调节所有的摄像机，即完成标定工作。 

通过把标定板平放于带材表面上，对摄像机三个方向进行调节，可在很短的时间内精确完成多台摄像机的标定工作。多台线扫描摄像机的成像位置沿带材宽度方向构成一条直线，并且在两个摄像机视场交界处，都有设定的重叠区域，可保证被测对象全部位于摄像机的拍摄视场之内，同时成像位置对准带材在运动方向的同一位置。 

本发明的有益效果 

本发明通过一块设计简单的标定板配合有效的标定方法，可以很快完成线扫描摄像机的标定工作，提高了摄像机标定效率，增加了标定精度，使多台线扫描摄像机能够精确配合采集待测对象的图片。 

附图说明

图1为本发明一实施例的示意图； 

图2为本发明标定板的示意图； 

图3a为本发明步骤2标定过程中的示意图； 

图3b为图3a标定效果分析示意图； 

图4a为本发明步骤3标定过程中的示意图； 

图4b为图4a的标定效果分析示意图； 

图5a为本发明步骤4标定过程中的示意图； 

图5b为图5a的标定效果分析示意图； 

图6为本发明的标定结果示意图。 

具体实施方式

参见图2，本发明的用于多台线扫描摄像机标定的方法，其设计有一块标定板1，为矩形板，其上沿四周及对角设有8条窄缝光源，分别定义四角端点为A、C、F、D，对角线交点为M，端点A、C、F、D之间的中点分别为B、N、E、L；至此形成AD、CF、AM、BM、CM、DM、EM、FM线的8条窄缝光源，LN为水平基准线；该8条光源分别具有独立的电源开关来控制； 

参见图1，摄像机2安装在一个具有多自由度调整机构上，摄像机的安装位置基本确定，需要精确定位。摄像机2的输出经图像采集卡4存储到计算机5。 

建立了两个参考坐标系：带材位置坐标系O-XYZ和摄像机坐标系O′-X′Y′Z′。在O-XYZ坐标系中，O点为坐标原点，X轴为带材运动方向，Y轴为带材宽度方向，垂直于X轴，Z轴为垂直XOY平面方向，这三个方向满足左手定则。摄像机坐标系O′-X′Y′Z′中：O′为摄像机靶线中心点，X′轴为过靶线的中心垂直摄像机靶线方向，Y′轴沿线阵摄像机靶线方向，Z′轴为摄像机过靶线的中心轴向上方向。通过对O-XYZ坐标系内物体成像来确定坐标系O′-X′Y′Z′的相对位置。 

在摄像机2调整过程中，摄像机靶线在XOY平面内将出现四种成像位置： 

位置I：摄像机2初始成像位置，此时摄像机成像靶线与Y轴不平行，成像位置与标定板1上的AD光源和AM相交，这两个交点在实时图像中成像分别为亮线a和b； 

位置I′：该成像直线与I平行，与标定板1上的AD和AM相交，这两个交点在实时图像成像分别为亮线a′和b′，是因为摄像机沿Y′旋转所致； 

位置II：该成像直线与Y轴平行，与标定板1上的AD光源垂直相交，与AM斜相交，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和b； 

位置II′：该成像直线与II，与标定板1上的AD光源垂直相交，与AM斜相交，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和b； 

位置III：该成像直线与II平行，与标定板1上的AD光源垂直相交，与AM斜相交，并能够对BM成像，三个交点在实时图像中成像分别为三 条亮线a，b和c，此时成像线与BM相交的一端，并延伸出一段可控的距离，为相邻摄像机成像的重叠区域； 

目标位置IV：该成像直线过M点与基准线LM重合，与光源AD和BM分别相交于L和M点，两个交点在实时图像中成像分别为两条亮线a和c； 

具体的摄像机调整步骤如下： 

第一步，确定标定板1的的位置；在安装现场，沿带材3宽度方向确定标定板1的位置，使标定板基准线LN与带材3宽度方向平行，并且在理想的成像位置上，同时使标定板1对准摄像头，如图1所示。 

第二步，调整摄像机2成像位置，使其在XOY平面内与Y轴平行，该步骤如图3a所示，初始成像位置在I处，其调整目标位置为II。此时，实时图像中将会出现两条垂直白色亮线，先将摄像机沿Y′轴动态转动β角，使成像位置在I和I′位置间移动。则实时图像中的两条亮线都将随之移动。然后摄像机在X′O′Y′平面内绕Z′轴小角度转动，并在每次转动后，重复上一个动作，同时观察图像中的亮线是否左右移动，若有移动则继续以上调节过程。摄像机2成像位置在II和II′间移动时，其中一条亮线将保持静止，此时步骤二完成；标定效果分析参见图3b； 

第三步骤，确定相邻摄像机2、2’间的重叠区域，该步骤标定过程如图4a所示，该步骤的目标是将摄像机成像位置在XOY平面内从位置II调整至位置III，使摄像机能够对BM线光源成像。具体实现方法为：在Y′O′Z′平面内绕X′轴小角度旋转，直到实时图像中出现第三条亮线c，说明光源BME已经进入视场，这一步骤调节的目的是为了保证第二台摄像机和第一台摄像机在该直线处视场能够重叠，图4b给出了成像位置改变过程以及实时图像的变化结果。 

第四步，平移成像位置使之移动到参考的多摄像机成像的共线位置IV，参见图5a，该步骤是通过在X′O′Z′平面内绕Y′轴小角度微调摄像机，使摄像机成像位置在XOY平面慢慢平移至与标定板中心点M重叠，即摄像机成像位置从图中的位置III处调整至位置IV处。具体标定方法为：先切断光源DM所在电源，如果图像中同时存在三条亮线，则说明成像位置在III处。在X′O′Z′平面内沿Y′轴方向移动摄像机，观察实时采集的图像：此 时，图像中一条亮线保持静止不动，第二条亮线向第三条亮线移动，直到后两条亮线重合，说明摄像机成像位置已经调到目标位置IV，标定效果分析参见图5b。 

上述方法描述了初始摄像机对AL、AM和BM成像，如果初始对DL、DM和EM成像，调整方法类似。对该摄像机调整后，利用BM、ME、CM、FM和CF共5个光源调节相邻摄像机进行标定。该位置标定完毕后，沿摄像机成像的共线方向移动标定板至已标定摄像机视场的另一边，并以该位置为基础标定下一个摄像机，直到第n台摄像机。全部标定完毕，则多台线扫描摄像机的标定工作即可完成。标定效果如图6所示。 

本发明主要针对基于多线扫描摄像机的机器视觉检测系统所设计的一种摄像机标定方法。它通过一块设计简单的标定板配合有效的标定方法，可以很快完成线扫描摄像机的标定工作，提高了摄像机标定效率，增加了标定精度，使多台线扫描摄像机能够精确配合采集待测对象的图片，其应用前景非常广阔。 

Claims (3)

1.一种用于多台线扫描摄像机标定的方法，其设计有一块矩形标定板，其上沿四周及对角设有8条窄缝光源，分别定义四角端点为A、C、F、D，对角线交点为M，端点A、C、F、D之间的中点分别为B、N、E、L；至此形成AD、CF、AM、BM、CM、DM、EM、FM线的8条窄缝光源，LN为水平基准线；该8条光源分别具有独立的电源开关来控制；

建立了两个参考坐标系：带材位置坐标系O-XYZ和摄像机坐标系O′-X′Y′Z′：

在O-XYZ带材位置坐标系中，O点为坐标原点，X轴为带材运动方向，Y轴为带材宽度方向，垂直于X轴，Z轴为垂直XOY平面方向；

摄像机坐标系O′-X′Y′Z′中：O′为摄像机靶线中心点，X′轴为过靶的中心垂直摄像机靶线方向，Y′轴沿线阵摄像机靶线方向，Z′轴为摄像机过靶线的中心轴向上方向；通过对O-XYZ带材位置坐标系内物体成像来确定坐标系O′-X′Y′Z′的相对位置；

具体标定步骤为：

a)确定标定板位置，在安装现场，沿带材宽度方向确定标定板的位置，使标定板基准线LN与带材宽度方向平行，同时使标定板对准摄像头；打开光源AD、AM、BM、DM和ME，将使用这5个光源对第一台摄像机进行标定；

b)调整摄像机成像位置，使其在XOY平面内与Y轴平行，初始成像位置在I处，其调整目标位置为II；此时，实时图像中将会出现两条垂直白色亮线，先将摄像机沿Y′轴动态转动β角，使成像位置在I和I′位置间移动；则实时图像中的两条亮线都将随之移动；然后摄像机在X′O′Y′平面内绕Z′轴小角度转动，并在每次转动后，重复上一个动作，同时观察图像中的亮线是否左右移动，若有移动则继续以上调节过程；摄像机成像位置在II和II′间移动时，其中一条亮线将保持静止；

c)确定相邻摄像机间的重叠区域，该步骤的目标是将摄像机成像位置在XOY平面内从位置II调整至位置III，使摄像机能够对BM光源成像；

在Y′O′Z′平面内绕X′轴小角度旋转，直到实时图像中出现第三条亮线c，说明光源BME已经进入视场，保证第二台摄像机和第一台摄像机在该直线处视场能够重叠；

d)平移成像位置使之移动到参考的多摄像机成像的共线位置IV；通过在X′O′Z′平面内绕Y′轴小角度微调摄像机，使摄像机成像位置在XOY平面慢慢平移至与标定板中心点M重叠，即摄像机成像位置从位置III处调整至位置IV处；

先切断光源DM所在电源，如果图像中同时存在三条亮线，则说明成像位置在III处；在X′O′Z′平面内沿Y′轴方向移动摄像机，观察实时采集的图像：此时，图像中一条亮线保持静止不动，第二条亮线向第三条亮线移动，直到后两条亮线重合，说明摄像机成像位置已经调到目标位置IV；

e)对该摄像机调整完毕后，关闭光源AD、DM和AM，打开光源CM、FM和CF，利用BM、ME、CM、FM和CF共5个光源调节相邻摄像机进行标定；该位置标定完毕后，沿摄像机成像的共线方向移动标定板至已标定摄像机视场的另一边，并以该位置为基础标定下一台摄像机，直到第n台摄像机；全部标定完毕，则多台线扫描摄像机的标定工作即可完成。

2.如权利要求1所述的用于多台线扫描摄像机的标定方法，其特征是，所述的光源采用发光二极管。

3.如权利要求1所述的用于多台线扫描摄像机的标定方法，其特征是，所述的矩形标定板为不透明，且反射能力弱。

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