CN105466334B - 多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，包括激光发射装置以及旋转台，在旋转台中心安装一相机板，在相机板上放置视觉采集装置，视觉采集装置上设置有多个镜头，激光发射装置位于回转台外且与回转台中心对齐。本发明提出的多镜头视觉装置的镜头位置校准方法采用激光聚焦光斑检测微调法和回转台精确角度旋转法，完成各个镜头光轴的水平校准和两镜头间的光轴预定角度校准，激光光斑检测是光学测量中的一项关键技术，旨在利用视觉测试技术远距离传输后的激光光斑，对光斑中心进行定位，该方法可用于立体视觉相机、全景相机等多镜头的视觉装置的镜头位置校准，准确性高、系统简单、成本低、可操作性强、应用广泛，可推广使用。

Description

多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法

技术领域

本发明属于镜头校准技术领域，涉及机器视觉技术，尤其是一种多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法。

背景技术

在视觉装置严重影响图像拼接的质量。尤其在采用鱼眼镜头的全景视觉装置中，由于鱼眼图像的大畸中，需要进行立体视觉的图像采集时，往往需要使用多个镜头，为便于图像拼接则需要对各个镜头进行光轴的平行性检测及调整。立体视觉通过观测空间内一物点在多个不同视点所拍摄图像中对应像点间的视差来计算景物的深度。其有效三维重建区域是两个相机之间的公共视场，因此通常需要进行特征点匹配。若各镜头光轴中心不在同一水平面上，则会大大增加特征匹配时的复杂程度，且变特点，光轴的不平行和所成角度的不准确所带来的影响会更加严重。而越来越多的科研工作者利用短焦距镜头来扩大立体视觉的视场范围，比如鱼眼镜头、广角镜头等，这些镜头的视场角通常大于180°，同时图像也会产生很大的畸变，因此镜头的位置较准是极具必要性的。

由于激光具有良好的方向性，发散角小，所以目前很多测量系统都采用激光技术作为辅助测量手段。激光光斑位置的准确确定是决定测量系统精度高低的关键因素。通常在计算激光光斑中心位置前需要首先确定激光光斑的边缘位置，然后再计算出光斑中心位置。光斑边缘检测可以采用很多种边缘检测方法，如Canny算子(像素级定位)、八邻域方法(像素级定位) 以及矩方法(亚像素定位)等边缘检测方法对光斑边缘进行提取。对光斑中心的计算可以用重心法、曲线拟合法等方法进行。本发明利用Zernike矩进行激光光斑的边缘检测，Zernike矩方法对噪声不敏感，目标边缘的提取效果更为理想。再结合拟合法可以以较高精度获得光斑中心位置坐标。

回转台是带有可转动的台面，用以装夹工件并实现回转和分度定位的机床附件。在圆台面上有工件定位用的中心孔和夹紧用的T型槽。台面外圆周上刻有360°的等分刻线。台面与底座之间设有蜗杆-蜗轮副，速比为90:1或120:1，用以传动和分度，蜗杆从底座伸出的一端装有细分刻度盘和手轮。转动手轮即可驱动台面，并由台面外圆周上的刻度与细分刻度盘读出旋转角度，分度精度一般为±60″。但是，激光聚焦光斑检测技术和回转台精确角度旋转技术在现有技术中并没有融入到镜头位置校准的应用中去。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种利用激光聚焦光斑检测微调法和回转台精确角度旋转法的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法。

本发明采用的技术方案是：

一种多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，包括激光发射装置以及旋转台，在旋转台中心安装一相机板，在相机板上放置视觉采集装置，视觉采集装置上设置有多个镜头，激光发射装置位于回转台外且与回转台中心对齐，本方法的具体操作步骤为：

⑴将视觉采集装置水平放置在回转台台面中心并固定，激光发射装置发射激光，激光光束穿过回转台中心；

⑵视觉采集装置上电并连接PC实时输出采集的图像，视觉采集装置的采集方式设置为连续采集，基于边缘检测算法和光斑中心检测算法将采集的图像中的激光光斑中心标记，然后通过PC计算图像中心，将图像中心和激光光斑中心作不同颜色的同种标记；

⑶将图像中心和激光光斑中心不同颜色的同种标记进行比较，同时调整相机板，使得两中心标记重合，调整完成后固定相机板，即完成了视觉采集装置中的一只镜头的调整，回转台刻度归零；

⑷根据视觉采集装置的镜头间角度旋转回转台手轮，重复步骤⑵和步骤⑶逐个完成镜头校准，依次旋转回转台直到完成所有镜头的校准。

而且，所述步骤⑵中的边缘检测算法采用Zernike正交矩亚像素边缘检测方法。

而且，所述步骤⑵中的光斑中心检测算法采用重心法或曲线拟合法。

而且，所述步骤⑵中的计算图像中心计算采用采集图像的形心作为图像中心。

而且，当视觉采集装置中的镜头为鱼眼镜头时，采用曲线拟合镜头采集区域圆。

而且，所述视觉采集装置采用CCD图像传感器。

本发明优点和积极效果为：

1、本发明提出的多镜头视觉装置的镜头位置校准方法采用激光聚焦光斑检测微调法和回转台精确角度旋转法，完成各个镜头光轴的水平校准和两镜头间的光轴预定角度校准，激光光斑检测是光学测量中的一项关键技术，旨在利用视觉测试技术远距离传输后的激光光斑，对光斑中心进行定位，该方法可用于立体视觉相机、全景相机等多镜头的视觉装置的镜头位置校准，准确性高、系统简单、成本低、可操作性强、应用广泛，可推广使用。

2、本发明利用激光光斑检测技术来校准视觉系统的镜头位置，利用了CCD相机直接采用摄像法检测光斑，CCD图像传感器自身便具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑及像素位置准确等有利的特性，大大提高了激光参数测量的速度、相率、精度和准确度，这使得镜头的校准方法更为简便可行。为了精确的镜头位置校准指示，要求激光光束能够穿过回转台中心且保持平行，并且准确的将视觉装置固定于回转台中心，以确保测量过程无环境因素的影响。直接利用视觉装置对激光光斑进行检测，微调相机板使得光斑中心与整幅采集图像中心重合且光斑面积最小，固定相机板，完成一只镜头位置的调整，为提高视觉装置的图像匹配、图像拼接效率，降低立体视觉装置的全景图像输出难度提供了有效的技术手段。

3、本发明充分考虑到了多镜头视觉装置中镜头安装紧凑，高度、角度等不易测量的特点，以及光轴不平行带来的图像拼接困难等问题，设计了一种实时监测的微调装置，简单方便的即可完成各个镜头光轴的水平、角度的精确校准，是多镜头视觉装置功能应用的重要技术前提。

附图说明

图1是多镜头视觉装置的镜头位置校准装置示意图；

图2是Zernike正交矩边缘理想阶跃模型示意图。

具体实施方式

下面通过附图结合具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，包括激光发射装置以及旋转台，在旋转台中心安装一相机板，在相机板上放置视觉采集装置，视觉采集装置上设置有多个镜头，激光发射装置位于回转台外且与回转台中心对齐，本方法的具体操作步骤为：

⑴将视觉采集装置水平放置在回转台台面中心并固定，激光发射装置发射激光，激光光束穿过回转台中心；

⑵视觉采集装置上电并连接PC实时输出采集的图像，视觉采集装置的采集方式设置为连续采集，基于边缘检测算法、光斑中心检测算法将采集的图像中的激光光斑中心标记，然后通过PC计算图像中心，将图像中心和激光光斑中心作不同颜色的同种标记；

⑶将图像中心和激光光斑中心不同颜色的同种标记进行比较，同时调整相机板，使得两中心标记重合，调整完成后固定相机板，即完成了视觉采集装置中的一只镜头的调整，回转台刻度归零；

⑷根据视觉采集装置的镜头间角度旋转回转台手轮，重复步骤⑵和步骤⑶逐个完成镜头校准，依次旋转回转台直到完成所有镜头的校准。

上述步骤中，

边缘检测算法：Zernike正交矩亚像素边缘检测方法对噪声不敏感，目标边缘的提取效果更为理想。图像f(x,y)的n阶m次Zernike正交矩的定义为：

式中，*为卷积；V_nm(ρθ)为积分核函数；为与V_nm共轭。计算图像的Zernike正交矩可以通过核函数对图像加权并在单位圆上积分求得。图2 为边缘理想阶跃模型。图中L是边缘上的直线，其方程为：l＝xcosθ+ysinθ，其中(x,y)是原图像中的某个像素点，也是单位圆圆心，背景的灰度和阴影部分的灰度分别为b和s+b，其中s为阶跃幅度。为降低维数，可将图像顺时针旋转θ角,此时图2中的边缘直线将垂直于x轴。首先在单位圆采样窗内(可用5×5窗口)，计算Zernike矩Z₀₀、Z₁₁、Z₂₀；计算旋转角θ；计算旋转矩Z₀₀′、Z₁₁′、Z₂₀′；计算边缘参数l,s,b；对图像中每一个像素按照上述方法计算其边缘参数，对s值进行阈值处理获得边缘。亚像素边缘检测公式为：

光斑中心计算算法：可采用重心法、曲线拟合法等。二值图像I(I,j)中的目标S的形心(x₀,y₀) 为：用形心法对目标定位首先要对图像进行二值化分割，然后再将目标区域识别出来。由于图像中存在噪声，因此目标区域的二值化分割将产生误差，目标边界会存在一些毛刺，为了消除毛刺对算法精度的影响，可对目标进行一些预处理，如形态学的扩张、侵蚀、开启和闭合等运算。

图像中心计算算法：一般工业相机可使用采集图像的形心作为图像中心；对于鱼眼镜头等大广角镜头，可曲线拟合镜头采集区域圆。记δ_i为拟合曲线在节点x_i处的残差，按最小二乘准则，对于给定的一系列(x_i,y_i)(i＝1,2,3,…,m)，在某个函数类Φ中寻求一个函数使其满足:通过最小二乘拟合过程可以确定多项式的系数。

实施例

以四只鱼眼镜头的全景相机作为视觉采集装置，见图1，利用本发明方法校准每个鱼眼镜头的位置，保证四只镜头的光轴水平并成90°角。具体方式为：

⑴确保激光发射装置 1与回转台2中心对齐，将四鱼眼镜头3全景相机固定在旋转台台面中心，发射激光。

⑵相机通过电源上电，标记对准激光源的镜头为第一个镜头，通过PC，即计算机7，设置第一个镜头为单路图像输出，采集方式设置为连续采集，拍摄图像通过网口传输到PC上。

⑶使用Zernike矩进行光斑的边缘提取，再通过曲线拟合方法计算光斑中心，用蓝色十字标记。计算光斑面积并显示。计算图像中心用红色十字标记。

⑷微调相机板，使得蓝色、红色十字标记重合，且光斑面积值最小，固定相机板。将旋转台角度归零。

⑸旋转回转台手轮6，顺时针旋转90°，使用上述方法微调第二个镜头；再顺时针旋转 90°，微调第三个镜头；再顺时针旋转90°，微调第四个镜头；再顺时针旋转90°，检测第一个镜头位置是否依然准确，通过手轮上同轴设置的刻度盘实现每次旋转角度的精确定位，若准确则完成所有镜头的位置校准，若不准确则重复上述步骤直至4只镜头位置都被校准。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：包括激光发射装置以及旋转台，在旋转台中心安装一相机板，在相机板上放置视觉采集装置，视觉采集装置上设置有多个镜头，激光发射装置位于回转台外且与回转台中心对齐，本方法的具体操作步骤为：

⑴将视觉采集装置水平放置在回转台台面中心并固定，激光发射装置发射激光，激光光束穿过回转台中心；

⑵视觉采集装置上电并连接PC实时输出采集的图像，视觉采集装置的采集方式设置为连续采集，基于边缘检测算法和光斑中心检测算法将采集的图像中的激光光斑中心标记，然后通过PC计算图像中心，将图像中心和激光光斑中心作不同颜色的同种标记；

⑶将图像中心和激光光斑中心不同颜色的同种标记进行比较，同时调整相机板，使得两中心标记重合，调整完成后固定相机板，即完成了视觉采集装置中的一只镜头的调整，回转台刻度归零；

⑷根据视觉采集装置的镜头间角度旋转回转台手轮，重复步骤⑵和步骤⑶逐个完成镜头校准，依次旋转回转台直到完成所有镜头的校准。

2.根据权利要求1所述的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：所述步骤⑵中的边缘检测算法采用Zernike正交矩亚像素边缘检测方法。

3.根据权利要求1所述的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：所述步骤⑵中的光斑中心检测算法采用重心法或曲线拟合法。

4.根据权利要求1所述的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：所述步骤⑵中的计算图像中心计算采用采集图像的形心作为图像中心。

5.根据权利要求4所述的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：当视觉采集装置中的镜头为鱼眼镜头时，采用曲线拟合镜头采集区域圆。

6.根据权利要求1所述的多镜头视觉采集装置的镜头位置校准方法，其特征在于：所述视觉采集装置采用CCD图像传感器。