CN105423975B - 一种大型工件的标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型工件的标定系统及方法，包括：1.设计一维编码与黑色圆形特征点，并将一维编码及标志点粘贴与大型工件表面处的四个边角位置；2.进行大型工件图像采集之前，对其表面上的4个特征点利用距离测量器进行测量；3.利用相机对步骤2中所描述的大型工件表面进行拍摄采集图像；4.将步骤3中采集的大型工件的图像输入计算机中，并对每幅图像进行处理；对步骤2中实际测量的4个特征点进行依次识别，确定每个特征点在图像中的像素坐标值；5.得到世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数；6.根据转换函数式和畸变图像中各个像素点，求得图像标定之后的真实像素值，利用所有的值对图像元点进行重新组合，完成整幅图像的标定过程。
Description
技术领域
本发明公开了一种大型工件的标定方法，属于大型工件标定的技术领域。
背景技术
在各种专业测量领域中，图像用于检测物体形貌的趋势越来越先进，但是随着数码相机或者单反相机的普及，其拍摄图像所存在的对于图像展现的畸变越来越明显，这所造成的物体变形、视觉误差以及数据错误等等问题，给技术人员带来更多的困扰。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的技术缺陷，即为了校正图像的审视角度及数据误差，本发明公开了一种大型工件的标定系统及方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种大型工件的标定系统，包括设置在工件表面的标识装置、用于测量标识装置之间距离的测量装置、用于拍摄工件图片的数据采集装置以及数据处理装置，所述的测量装置包括距离测量仪，所述的距离测量仪上设有拉线端，且所述的距离测量仪还与开始测量按钮、停止测量按钮和距离数值显示屏相连，所述的距离测量仪、数据采集装置均与数据处理装置相连。
所述的标识装置包括一个粘贴在工件表面的一个标识条，在所述的标识条上设有一维编码与黑色圆形特征点，且特征点在一维编码后面的确定区域内。
所述的数据采集装置为一个相机。
所述的数据处理装置为一个单片机或者计算机等。
一种大型工件的标定方法，包括以下步骤：
步骤1、根据所采集的大型工件的尺寸大小，设计符合实际大小情况的一维编码与黑色圆形特征点，且特征点在一维编码后面的确定区域内，以利于系统快速对特征点的位置加以识别，并将一维编码及标志点粘贴与大型工件表面处的四个边角位置；
步骤2、进行大型工件图像采集之前，对其表面上的4个特征点利用距离测量器进行测量，确定四个特征点中每两个特征点之间的距离尺寸，测量完成之后并按此顺序依次记录保存数值，完成大型工件图像标定的第一步初始参数设置；
步骤3、利用高清相机对步骤2中所描述的大型工件表面进行拍摄采集图像，并保证所拍摄的图像中都包含有四个编码特征点；
步骤4、将步骤3中采集的大型工件的图像输入计算机中，并对每一幅图像进行处理，根据一维编码本身的特征、特征点自身的特点和一位编码与特征点之间的关系，对步骤2中实际测量的4个特征点进行依次识别，确定每一个特征点在图像中的像素坐标值，并且按照左上、左下、右上、右下的顺序依次进行记录保存数值，完成大型工件图像标定的第二步初始参数设置；
步骤5、根据步骤2和步骤3获得的初始参数值，利用世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数，进一步求得各个特征点对应的参数变量，获得最终完整的转换关系式，以便于对畸变图像进行优化；
步骤6、根据转换函数式和畸变图像中各个像素点，求得图像标定之后的真实像素值，再利用所有的值对图像元点进行重新组合，完成整幅图像的标定过程。
步骤2中所述的4个特征点分别是左上点、左下点、右上点和右下点。
步骤2中所述的四个特征点中每两个点之间的距离尺寸，包括左上点与左下点之间的尺寸、右上点与右下点之间的尺寸、左上点与右上点之间的尺寸、左下点与右下点之间的尺寸以及左上点与右下点之间的尺寸。
步骤2中5个所述的尺寸的测量顺序如下：
第一测量左上点与左下点之间的尺寸、第二测量右上点与右下点之间的尺寸、第三测量左上点与右上点之间的尺寸、第四测量左下点与右下点之间的尺寸、第五测量左上点与右下点之间的尺寸。
步骤5的详细过程如下：
大型工件的图像标定原理是根据单应矩阵的特性来进行标定的，对于单应矩阵的应用，它是一个3*3的矩阵，即：
包含有8个未知参数值，因此至少需要4对特征点才可求出单应矩阵中所有的未知参数值，因此，根据步骤2测量距离和步骤3识别特征点所获取的所有数值作为初始数据。
对于世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数，是一组方程式，即：
根据初始数据求出单应矩阵之后，即可确定世界坐标系向二维图像坐标系转换的转换关 系函数式；代表世界坐标系中所选取的四个特征点，用点P1、P2、P3、P4分别表示，其中每一个点都包含有两个数值即x和y的实际坐标值；代表二维图像坐标系中所选择的4个特征点，用点P1′、P2′、P3′、P4′分别表示，其中每一个点都包含有两个数值即x和y的像素坐标值；
步骤6的详细过程如下：
根据步骤5最后求得的转换关系函数式，将待标定图像中的各个点的像素坐标值带入该转换关系式子解出与之对应的正确图像中各个点的像素坐标值，用新的像素坐标值代替旧的像素坐标值，重新赋予待标定图像中每一个点的位置，完成大型工件的图像标定过程。
本发明的效果：
该标定方法只需要一台相机以和一个距离测量仪，以及非常少的人员或者非专业水平，就可以很好的对图像进行标定，获得正视方向的视觉效果和准确的精度，为后续的图像处理和图像分析奠定基础。其特点在于对大型工件进行分段扫描时对每段图像进行标定，采用4个特征点进行定位，即利用特制的一维编码识别4个特征点的位置，同时利用相关关系函数的方式重新获取所有图像元点的像素坐标值，以构造全新视觉的正确图像。通过对转换关系函数的研究，选择确定最优的参数变量，从而实现对整幅图像的整体标定。
本发明中的一维编码的作用是为了在大型工件的表面快速找到标志点的位置信息；标志点的作用是用于图像标定设定初始数值；所述的距离测量器测量实际点之间的距离，提高测量精度与标定准确度。
本发明中的对大型工件的标定方法，与以往的利用多幅图像进行校正的方法相比，其操作更简便、准确度更高、效果更好。结合实验现场分析，对于不同复杂度背景而言，其对于大工件的图像标定有更好的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1距离测量仪的结构示意图；
图2大型工件的标定结构示意图；
图3大型工件的标定系统的示意图；
图4大型工件的边线测量示意图；
图5大型工件的特征点识别顺序示意图；
图6图像标定系统的功能框架图；
图7图像标定系统功能流程图。
图中：1距离数值显示屏，2开始测量按钮，3停止测量按钮，4距离测量仪，5仪器拉线端，6、7、8、9一位编码，10、11、12、13标志点，14工件，15数据测量装置，16相机，17计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1、图2所示，一种大型工件的标定系统，一种大型工件的标定系统，包括一维编码6、一维编码7、一维编码8、一维编码9；标志点10、标志点11、标志点12、标志点13以及距离测量装置15、高清相机16和计算机17。
所述的距离测量装置15包括距离测量仪4，所述的距离测量仪4上设有拉线端6，且所述的距离测量仪4还与开始测量按钮2、停止测量按钮3和距离数值显示屏1相连，
所述的距离测量仪4、相机16均与计算机17相连。
其中，一维编码6、一维编码7、一维编码8、一维编码9分布于所采集的大型工件14面的左上、左下、右上、右下的四个角方向，而且尽可能的分布于边角方向，以保证所构成的四边形足够大，假若用较小的四边形标定大型工件的大型图像，则标定精度会降低，结果不准确；每一个图像中包含四个一维编码，四个一维编码依次表示大型工件的每一部分信息，在一维编码后的一定区域内有大小一致的黑色圆形标志点10、11、12和13，每一黑色圆形标志点的圆心代表所采集大型工件的特征点，所选用的特征点用于采集的大型工件图像与实际大型面之间的联系，为实现图像标定提供数据支持，特征点选取的正确与否保证了精度要求；距离测量器用于测量构成长方形标志点之间的距离，共有五条线的距离数值，与人工用卷尺测量精度更高、效率更快。最终将所有的标定之后的图像展现于用户，数据正确、视角正视，方便用户进行观察与分析。
具体的测试方法如下：
步骤1、根据所采集的大型工件的尺寸大小，设计符合实际大小情况的一维编码与黑色圆 形特征点(标志点)，且特征点在一维编码后面的确定区域内，以利于系统快速对特征点的位置加以识别，并将编码标志点粘贴与大型工件表面处的四个边角位置；
所述的一维编码的作用是为了在大型工件的表面快速找到标志点的位置信息；标志点的作用是用于图像标定设定初始数值；所述的距离测量器测量实际点之间的距离，提高测量精度与标定准确度。
步骤2、进行大型工件图像采集之前，对其表面上的4个特征点(标志点)利用距离测量器进行测量，确定四个特征点中每两个特征点之间的距离尺寸，共有5条线的距离数值，如四边形的左边线、右边线、上边线、下边线和左对角线，测量完成之后并按此顺序依次记录保存数值，完成大型工件图像标定的第一步初始参数设置；
步骤3、利用高清相机对步骤2中所描述的大型工件表面进行拍摄采集图像，并保证所拍摄的图像中都包含有四个编码特征点；
步骤4、将步骤3中采集的大型工件的图像输入计算机中，在对每一幅图像进行处理，根据一维编码本身的特征、特征点自身的特点和一位编码与特征点之间的关系，对步骤2中实际测量的4个特征点进行依次识别，确定每一个特征点在图像中的像素坐标值，并且按照左上、左下、右上、右下的顺序依次进行记录保存数值，完成大型工件图像标定的第二步初始参数设置；
步骤5、根据步骤2和步骤3获得的初始参数值，利用世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数，进一步求得各个特征点对应的参数变量，获得最终完整的转换关系式，以便于对畸变图像进行优化；
步骤6、根据转换函数式和畸变图像中各个像素点，求得图像标定之后的真实像素值，再利用所有的值对图像元点进行重新组合，完成整幅图像的标定过程。
步骤2中所述的四个特征点中每两个点之间的距离尺寸，包括左上点与左下点之间的尺寸、右上点与右下点之间的尺寸、左上点与右上点之间的尺寸、左下点与右下点之间的尺寸以及左上点与右下点之间的尺寸。
步骤2中5个所述的尺寸的测量顺序如下：
第一测量左上点与左下点之间的尺寸、第二测量右上点与右下点之间的尺寸、第三测量左上点与右上点之间的尺寸、第四测量左下点与右下点之间的尺寸、第五测量左上点与右下点之间的尺寸。
步骤5的详细过程如下：
大型工件的图像标定原理是根据单应矩阵的特性来进行标定的，对于单应矩阵的应用， 它是一个3*3的矩阵，即：
包含有8个未知参数值，因此至少需要4对特征点才可求出单应矩阵中所有的未知参数值，因此，根据步骤2测量距离和步骤3识别特征点所获取的所有数值作为初始数据。
对于世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数，是一组方程式，即：
根据初始数据求出单应矩阵之后，即可确定世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数系，便于下一步对畸变图像的优化；代表世界坐标系中所选取的四个特征点，用点P1、P2、P3、P4分别表示，其中每一个点都包含有两个数值即x和y的实际坐标值；代表二维图像坐标系中所选择的4个特征点，用点P1′、P2′、P3′、P4′分别表示，其中每一个点都包含有两个数值即x和y的像素坐标值。
步骤6的详细过程如下：
根据步骤5最后求得的转换关系函数式，将待标定图像中的各个点的像素坐标值带入该转换关系式子解出与之对应的正确图像中各个点的像素坐标值，用新的像素坐标值代替旧的像素坐标值，重新赋予待标定图像中每一个点的位置，完成大型工件的图像标定过程。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种大型工件的标定系统，其特征在于，包括设置在工件表面的标识装置、用于测量标识装置之间距离的测量装置、用于拍摄工件图片的数据采集装置以及数据处理装置，所述的测量装置包括距离测量仪，所述的距离测量仪上设有拉线端，且所述的距离测量仪还与开始测量按钮、停止测量按钮和距离数值显示屏相连，所述的距离测量仪、数据采集装置均与数据处理装置相连;所述的标识装置包括一个粘贴在工件表面的一个标识条，在所述的标识条上设有一维编码与黑色圆形特征点，且特征点在一维编码后面的确定区域内；所述的数据采集装置为一个相机。
2.如权利要求1所述的大型工件的标定系统，其特征在于，所述的数据处理装置为一个单片机。
3.一种大型工件的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.根据所采集的大型工件的尺寸大小，设计符合实际大小情况的一维编码与黑色圆形特征点，且特征点在一维编码后面的确定区域内，并将一维编码及特征点粘贴于大型工件表面处的四个边角位置；
步骤2.对大型工件表面上的4个特征点利用距离测量器进行测量，确定四个特征点中每两个特征点之间的距离尺寸，测量完成之后依次记录保存数值，完成大型工件图像标定的第一步初始参数设置；
步骤3. 利用高清相机对步骤2中所描述的大型工件表面进行拍摄采集图像，并保证所拍摄的图像中都包含有四个编码特征点；
步骤4. 将步骤3中采集的大型工件的图像输入计算机中，并对每一幅图像进行处理；
步骤5、根据步骤2获得的初始参数值，利用世界坐标系向二维图像坐标系转换的关系函数，进一步求得各个特征点对应的参数变量，获得最终完整的转换关系式，以便于对畸变图像进行优化；
步骤6、根据步骤5最后求得的转换关系式，将待标定图像中的各个点的像素坐标值带入该转换关系式中解出与之对应的正确图像中各个点的像素坐标值，用新的像素坐标值代替旧的像素坐标值，重新赋予待标定图像中每一个点的位置，完成大型工件的图像标定过程。
4.如权利要求3所述的大型工件的标定方法，其特征在于，步骤2中所述的四个特征点中每两个点之间的距离尺寸，包括左上点与左下点之间的尺寸、右上点与右下点之间的尺寸、左上点与右上点之间的尺寸、左下点与右下点之间的尺寸以及左上点与右下点之间的尺寸。
5.如权利要求4所述的大型工件的标定方法，其特征在于，步骤2中5个所述的尺寸的测量顺序如下：
第一 测量左上点与左下点之间的尺寸、第二测量右上点与右下点之间的尺寸、第三测量左上点与右上点之间的尺寸、第四测量左下点与右下点之间的尺寸、第五测量左上点与右下点之间的尺寸。
6.如权利要求3所述的大型工件的标定方法，其特征在于，步骤4的具体过程如下：
根据一维编码本身的特征、特征点自身的特点和一维编码与特征点之间的关系，对步骤2中实际测量的4个特征点进行依次识别，确定每一个特征点在图像中的像素坐标值，完成大型工件图像标定的第二步初始参数设置。
7.如权利要求3所述的大型工件的标定方法，其特征在于，步骤3中四个编码特征点的像素坐标值的采集按照左上、左下、右上、右下的顺序依次进行记录保存数值。
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