CN101509759B - 用于视觉检测系统的自标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密测试技术领域的用于视觉检测系统的自标定系统及方法。所述系统包括CCD摄像机、镜头、标准件、光源、半反半透镜、外壳等部分。镜头与摄像机直接相连，安放在被测件的正上方，并对准被测件。在镜头与被测件之间放置一个半反半透镜，并与镜头的光轴成45度角。在半反半透镜的侧面安置有标准件和光源，其中光源与半反半透镜分处在标准件的不同侧，半反半透镜、标准件和光源三者形成的标定光路与原有的测量光路正交。当被测物体处在景深范围内时，半反半透镜中心到被测物清晰表面距离与半反半透镜中心到标定物之间的距离具有明确而唯一的对应关系。因此，可利用内置的标准件实现视觉检测系统的标定，无需人工干预。

Description

用于视觉检测系统的自标定系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种检测技术领域的标定系统及方法，具体地说，是涉及一种用于视觉检测系统的自标定系统及方法。

背景技术

零件尺寸检测是机械制造业的常规测试项目，具有最为广泛的应用需求。随着计算机技术、精密光学技术、图象处理与模式识别技术的不断进步，基于计算机视觉的视觉检测系统的应用日益广泛。

在各类视觉检测系统中，标定(亦称定标)是一个极为关键的环节，它对检测精度与效率具有直接的影响。目前世界范围内的单目视觉检测系统的标定(或称定标)主要有以下两种方法：

第一种方法：实物标定法。采用这种方法进行标定的视觉检测系统，都是采用一个实物标准件来完成的，例如标靶、掩模板等。其典型代表是天津大学提出的“一种摄像机标定方法及其实施装置”(申请号03109649.2)。这种方法的优点是精度高、概念明确，缺点是需要人工参与、操作麻烦、效率低、标定与测量状态很难完全一致。

第二种方法：移位旋转法。采用这种方法进行标定的视觉检测系统，都是将摄像机进行若干步骤的平移和旋转，通过计算得出标定参数。其典型代表是上海微电子装备有限公司提出的“机器视觉动态标定系统与方法”(申请号200710173715.7)。这种方法的优点是标定过程可自动完成、无需标准件，缺点是速度慢、效率低、存在移动部件、稳定性和可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种用于视觉检测系统的自标定系统及方法，采用内置式标准件，引入一条正交光路，可在瞬间完成自标定过程。标定过程在测量之前自动进行，无需中断测量过程，无需人工介入，精度永久保障，快速、方便、实时，特别适合采用变焦镜头的视觉检测系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的用于视觉检测系统的自标定系统，包括CCD摄像机、镜头、标准件、光源、半反半透镜和外壳。镜头与摄像机直接相连，安置在被测件的正上方，并对准被测件。在镜头与被测件之间放置一个半反半透镜，半反半透镜与镜头的光轴成45度角。在半反半透镜的侧面一段距离处放置有标准件和光源，其中标准件是透光的，其上具有规则形状的图形，光源与半反半透镜分处在标准件的不同侧，这样半反半透镜、标准件和光源三者形成的标定光路与原有的测量光路正交。上述所有部件均固定在外壳上。

本发明所涉及的用于视觉检测系统的自标定系统，包括CCD摄像机、镜头、标准件、光源、半反半透镜和外壳、平面反射镜，其中：镜头与摄像机直接相连，安放在被测件的正上方，并对准被测件。在镜头与被测件之间放置一个半反半透镜，并与镜头的光轴成45度角。标准件和光源均布置在镜头和CCD摄像机的旁边，标准件和光源的中心线与镜头和CCD摄像机的光轴平行，且尽可能靠近，在半反半透镜布置标准件和光源一侧放置一平面反射镜，其中标准件是透光的，其上具有规则形状的图形，标准件上的规则图形经过光源照亮后所成的像通过这个平面反射镜投向半反半透镜，最终经过镜头到达CCD摄像机，上述所有部件均固定在外壳上。该系统适用于当镜头的物距较大时，为了减小标定系统的横向体积，使系统结构更加紧凑。

当被测物体处在景深范围内时，半反半透镜中心到被测物清晰表面距离与半反半透镜中心到标定物之间的距离具有明确而唯一的对应关系。因此，可以利用内置的标准件实现视觉检测系统的标定。

本发明中，标准件是关键器件，其形式与准确性对标定效果具有直接影响。标准件是采用透光材料制成，例如采用光学玻璃、塑料、树脂等材料制成。

标准件上制作有若干具有规则形状和一定间隔的一组图形。这些规则图形应具有准确的尺寸参数，并需要采用更高精度的仪器设备进行检测，以获得尺寸参数的准确值。

为了保证标定精度，便于处理，上述规则图形可以采用多种不同的图形，例如(但是不限于)可以采用等间距的斜线、棋盘方格、点阵、正方形、同心圆等图形。

标准件的尺寸大小选择应考虑镜头的实际参数，既要保证在最小倍率(即最大视场范围)条件下能够获得完整的规则图形，又要保证在最大倍率(即最小视场范围)条件下至少有一个规则图形能完全成像到摄像机的CCD像面上。

在采用变焦镜头的视觉检测系统，频繁的变倍使得测量视场大小经常变化，相对应地需要不同的分辨率和标定范围。为了适应这种需要，标准件上的规则图形也可采用可变间距形式，靠近中心区域比较密集，而远离中心区域逐渐变得稀疏，从而兼顾小视野高分辨率和大视野低分辨率的需求。此时，最大的图形间隔也是既要保证在最低倍率(即最大视场范围)条件下摄像机能够分辨出不同的图形，又要保证在最大倍率(即最小视场范围)条件下至少有一个规则图形能完全成像到CCD像面上。

本发明中，半反半透镜的作用是引入第二条光路——标定光路。为了降低对原有测量光路的影响，半反半透镜应当尽可能的薄，此时光程偏差的影响基本可以忽略。如果半反半透镜比较厚，需要通过计算光程偏差进行修正和补偿。

半反半透镜与摄像机光轴的夹角一般为45度，因此，标准件的标定光路与摄像机的测量光路是相互垂直的。由于实际加工与装配过程中难免存在误差，因而导致标定光路与策略光路并非是理想的垂直状态。因此，本发明中的半反半透镜的角度姿态是可以调整的，从而可以能够保证标准件的图形能够成像在摄像机的CCD上的成像位置处于视场的中心，降低对标准件的安装精度要求。

本发明中，光源采用可变亮度的程控电光源为标准件提供照明，可以通过计算机进行开关和亮度控制，保证标准件可以获得最佳的成像效果，从而保证标定的高精度。

本发明所涉及的用于视觉检测系统的自标定方法，包括如下步骤：

第一步，调整镜头，保证摄像机能够获得清晰的图像和视场大小，此后保持镜头不动；

第二步，打开光源，标准件上的规则图形被照亮，并通过半反半透镜和镜头成像到摄像机的CCD像面之上；

第三步，进行图像处理，得出当前倍率下图像坐标系内上述规则图形的成像尺寸参数，单位是像素；

第四步，将上述规则图形的成像尺寸参数与其实际尺寸参数相比，得到二者的对应关系值即当量，单位是长度/像素，该值自动保存到计算机之中；

第五步，关闭光源，开始测量，获得被测目标的图像，通过图像处理，得到被测目标的成像尺寸参数，单位也是像素；

第六步，测量系统自动调入上述当量值，与被测目标的成像尺寸参数相乘，得到被测目标的实际尺寸参数，自标定过程结束。

本发明采用内置标准件实现视觉检测系统的自标定，解决了传统实物标定方法效率低、操作繁琐、自动化程度差的弊病，寿命长，稳定性好。可以实现在每次测量之前的自动标定，时刻保持原有的测量精度，有效克服测量系统漂移等问题，提纲了测量系统的精度保持性。在采用变焦镜头的场合下，在系统变倍情况下，通过实时自标定可以确定准确的光学放大比，有效解决镜头变倍不准的缺陷。

附图说明

图1为本发明的实施例1结构示意图。

图2为本发明的标准件图形示意图；

其中：(a)斜线；(b)正方形；(c)网格；(d)圆形。

图3是本发明的实施例2结构示意图；

其中：(a)斜线；(b)正方形；(c)网格；(d)圆形。

图4是本发明的实施例2总体结构示意图。

上述图中：1-CCD摄像机，2-镜头，3-标准件，4-光源，5-被测件，6-半反半透镜，7-外壳，8-反射镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的用于视觉检测系统的自标定系统包括CCD摄像机1、镜头2、标准件3、光源4、半反半透镜6和外壳7。镜头2与摄像机1直接相连，安放在被测件5的正上方，并对准被测件5。在镜头2与被测件5之间放置一个半反半透镜6，并与镜头2的光轴成45度角。在半反半透镜6的侧面一段距离处安置有标准件3和光源4，其中光源4与半反半透镜6分处在标准件3的不同侧，半反半透镜、标准件和光源三者形成的标定光路与原有的测量光路正交。上述所有部件均固定在外壳7上，从而可以保证严格的相互位置关系，同时可以起到遮光和防尘的作用。

当被测物件5处在镜头2的景深范围内时，半反半透镜6的中心到被测件5表面的距离(l₁)与半反半透镜6中心到标准件3之间的距离(l₂)具有明确而唯一的对应关系，在这里二者相等，即l₁＝l₂。因此，可以利用内置的标准件3实现视觉检测系统的自标定。

标准件3是采用透光材料制成的，例如采用光学玻璃、塑料、树脂等材料制成。

如图2所示，标准件3上制作有若干具有规则形状和一定间隔的一组图形。可以采用腐蚀、刻划、蒸镀等方法制作图形。这些规则图形具有准确的尺寸参数，并需要采用更高精度的仪器设备进行检测，以获得尺寸参数的准确值。

所述规则图形可以采用多种不同的图形，图2a)所示为斜线形式的图形，图2b)所示为正方形的图形，图2c)所示为棋盘方格形式的图形，图2d)所示为同心圆形式的图形。

标准件3的尺寸大小既要保证在最小倍率(即最大视场范围)条件下能够获得完整的规则图形，又要保证在最大倍率(即最小视场范围)条件下至少有一个规则图形能完全成像到摄像机1CCD像面上。

标准件3上的规则图形也可采用可变间距形式，如图3所示，靠近中心区域比较密集，而远离中心区域逐渐变得稀疏，从而兼顾小视野高分辨率和大视野低分辨率的需求。此时，最大的图形间隔既要保证在最低倍率(即最大视场范围)条件下摄像机1能够分辨出不同的图形，又要保证在最大倍率(即最小视场范围)条件下至少有一个规则图形能完全成像到摄像机1的CCD像面上。图3a)所示为不等间隔斜线形式的图形，图3b)所示为不等间隔正方形组的图形，图3c)所示为不等间隔棋盘方格形式的图形，图3d)所示为不等间隔同心圆形式的图形。

半反半透镜6的作用是引入第二条光路——标定光路。为了降低对原有测量光路的影响，半反半透镜6应当尽可能的薄，例如小于1mm，此时光程偏差的影响基本可以忽略。如果半反半透镜6比较厚，需要通过计算光程偏差进行修正和补偿。

半反半透镜6与摄像机1的光轴的夹角一般为45度，因此，标准件3的标定光路与摄像机1的测量光路是相互垂直的。由于实际加工与装配过程中难免存在误差，因而导致标定光路与测量光路并非是理想的垂直状态。因此，本发明中的半反半透镜6的角度姿态是可以调整的，可以在摄像机1的CCD上观察标准件3的规则图形成像的实际位置，通过调整改变半反半透镜6与测量光轴的夹角，保证标准件3的规则图形在摄像机3的CCD上的成像位置处于视场的中心，从而降低对标准件3的安装精度要求。

光源4采用可变亮度的程控电光源为标准件3提供照明，可以通过测量系统的计算机(图中未标出)进行开关和亮度控制，保证标准件3可以获得最佳的成像效果，从而保证标定的高精度。

实施例2

如图4所示，本实施例所涉及的用于视觉检测系统的自标定系统包括CCD摄像机1、镜头2、标准件3、光源4、半反半透镜6和外壳7、平面反射镜8，镜头2与摄像机1直接相连，安放在被测件5的正上方，并对准被测件5。在镜头2与被测件5之间放置一个半反半透镜6，并与镜头2的光轴成45度角。标准件3和光源4均布置在镜头2和摄像机1的旁边，标准件3和光源4的中心线与镜头和摄像机的光轴平行，且尽可能靠近。在半反半透镜6布置标准件3和光源4一侧放置一平面反射镜8。其中标准件3是透光的，其上具有规则形状的图形，标准件3上的规则图形经过光源4照亮后所成的像通过这个平面反射镜8投向半反半透镜6，最终经过镜头2到达摄像机1，从而依然可以实现自标定。

本实施例适用于镜头2的物距较大时，可以减小标定系统的横向体积，使系统结构更加紧凑。

本实施例中的其他细节与实施例1相同，而且操作方法不变。

实施例3

本实施例涉及的用于视觉检测系统的自标定方法，包括如下步骤：

1.调整镜头2，保证摄像机1能够获得清晰的图像和视场大小，此后保持镜头2不动；

2.打开光源4，标准件上的规则图形被照亮，并通过半反半透镜6和镜头2成像到摄像机1的CCD像面之上；

3.进行必要的图像处理和计算，得出当前倍率下图像坐标系内上述规则图形的成像尺寸参数，单位是像素；

4.将上述规则图形的成像尺寸参数与其实际尺寸参数相比，即可得到二者的对应关系值(即当量)，单位是长度/像素，该值自动保存到计算机之中。

5.关闭光源4，开始测量，摄像机1获得被测目标5的图像，通过图像处理和计算，得到被测件5的成像尺寸参数，单位也是像素。

6.测量系统自动调入该上述当量值，与被测件5的成像尺寸参数相乘，从而得到被测件5的实际尺寸参数，自标定过程结束。

本发明采用内置标准件的方法实现视觉检测系统的自标定，解决了传统实物标定方法效率低、操作复杂、实时性差的弊病，而且可以实现标定过程的全自动化，符合快速检验的要求，大大提高检测效率和智能化水平。

本发明可适用于各种零件的非接触尺寸参数视觉测量系统，也可适用于其他视觉测量系统。

Claims (8)

1.一种用于视觉检测系统的自标定系统，其特征在于包括CCD摄像机、镜头、标准件、光源、半反半透镜和外壳，其中：镜头与CCD摄像机直接相连，安置在被测件的正上方，并对准被测件，在镜头与被测件之间放置一个半反半透镜，半反半透镜与镜头的光轴成45度角，在半反半透镜的侧面一段距离处放置有标准件和光源，其中标准件是透光的，其上具有规则形状的图形，光源与半反半透镜分处在标准件的不同侧，这样半反半透镜、标准件和光源三者形成的标定光路与原有的测量光路正交，上述所有部件均固定在外壳上，所述具有规则形状的图形是具有一定间隔的一组图形且具有准确的尺寸参数。

2.一种用于视觉检测系统的自标定系统，其特征在于，包括CCD摄像机、镜头、标准件、光源、半反半透镜和外壳、平面反射镜，其中：镜头与CCD摄像机直接相连，安置在被测件的正上方，并对准被测件，在镜头与被测件之间放置一个半反半透镜，半反半透镜与镜头的光轴成45度角，标准件和光源均布置在镜头和CCD摄像机的旁边，标准件和光源的中心线与镜头和CCD摄像机的光轴平行，且尽可能靠近，在半反半透镜布置标准件和光源一侧放置一平面反射镜，其中标准件是透光的，其上具有规则形状的图形，标准件上的规则图形经过光源照亮后所成的像通过平面反射镜投向半反半透镜，最终经过镜头到达CCD摄像机，上述所有部件均固定在外壳上，所述标准件上具有规则形状和一定间隔的一组图形，这些规则图形具有准确的尺寸参数。

3.根据权利要求1或2所述的用于视觉检测系统的自标定系统，其特征是，所述标准件上的规则图形为等间距的斜线、棋盘方格、点阵、正方形或同心圆图形。

4.根据权利要求1或2所述的用于视觉检测系统的自标定系统，其特征是，所述标准件的尺寸大小保证在最小倍率条件下获得完整的规则图形，同时在最大倍率条件下至少有一个规则图形完全成像到摄像机的CCD像面上。

5.根据权利要求1或2所述的用于视觉检测系统的自标定系统，其特征是，所述标准件上的规则图形为可变间距形式，靠近中心区域密集，而远离中心区域逐渐变得稀疏。

6.根据权利要求1或者2所述的用于视觉检测系统的自标定系统，其特征是，所述半反半透镜的角度姿态是可调整的，通过调整半反半透镜与测量光轴的角度，标准件的图形能成像在摄像机的CCD上的成像位置处于视场的中心。

7.根据权利要求1或2所述的用于视觉检测系统的自标定系统，其特征是，所述光源为可变亮度的程控电光源，通过计算机进行开关和亮度控制。

8.一种用于视觉检测系统的自标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，调整镜头，保证摄像机能够获得清晰的图像和视场大小，此后保持镜头不动；

第二步，打开光源，标准件上的规则图形被照亮，并通过半反半透镜和镜头成像到摄像机的CCD像面之上；

第三步，进行图像处理，得出当前倍率下图像坐标系内上述规则图形的成像尺寸参数，单位是像素；

第四步，将上述规则图形的成像尺寸参数与其实际尺寸参数相比，得到二者的对应关系值即当量，单位是长度/像素，该值自动保存到计算机之中；

第五步，关闭光源，开始测量，获得被测目标的图像，通过图像处理，得到被测目标的成像尺寸参数，单位也是像素；

第六步，测量系统自动调入上述当量值，与被测目标的成像尺寸参数相乘，得到被测目标的实际尺寸参数，自标定过程结束。

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