CN108109173A

CN108109173A - 视觉定位方法，相机系统和自动化设备

Info

Publication number: CN108109173A
Application number: CN201611067167.5A
Authority: CN
Inventors: 丁小明; 柯海挺; 陈成权; 诸庆
Original assignee: Ningbo Sunny Opotech Co Ltd
Current assignee: Ningbo Sunny Opotech Co Ltd
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: CN108109173B

Abstract

本发明提供了视觉定位方法以及相机系统和自动化设备。该视觉定位方法包括：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第一机械轴相对于基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括第一机械轴相对于基准坐标系的第一夹角和第一机械轴的移动量和基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定第一位置和第二位置在基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于第一坐标、第二坐标、第一夹角和第一长度比率确定与对象从第一位置移动到第二位置对应的第一机械轴的移动量。通过根据本发明的视觉定位方法，相机系统和自动化设备，可以利用机械视觉来进行高精度定位。

Description

视觉定位方法，相机系统和自动化设备

技术领域

本发明涉及图像处理领域，特别涉及应用机器视觉的相机系统的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备。

背景技术

机器视觉是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、相机(例如CCD相机和CMOS相机)、图像处理单元(或图像捕获卡)、图像处理软件、监视器、通信/输入输出单元等。

目前，随着人力成本的不断增加，自动化设备越来越受到制造业从业者的关注，而机械视觉对于自动化设备而言是不可或缺的一部分，尤其是对高精度自动化设备。

如何将机械视觉与设备进行整合，形成一个整体是每个设备开发人员所面临的一个重要问题，因此，需要具有普遍意义的图像处理方案，从而应用于具有不同相机系统和不同相机安装方式的自动化设备。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷和不足，提供适用于各种设备类型和安装方式的通用的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备。

根据本发明的一方面，提供了一种视觉定位方法，包括：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一映射关系，所述第一映射关系包括所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一夹角和所述第一机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在所述基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定所述第一位置和第二位置在所述基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第一夹角和所述第一长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第一机械轴的移动量。

在上述视觉定位方法中，所述第一长度比率为所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中的移动距离。

在上述视觉定位方法中，所述对象是所述第一机械轴上预设的特征点在所述基准坐标系中的映射。

在上述视觉定位方法中，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

在上述视觉定位方法中，进一步包括：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二映射关系，所述第二映射关系包括所述第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二夹角和所述第二机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第二夹角和所述第二长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第二机械轴的移动量。

在上述视觉定位方法中，在所述第一位置和所述第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，所述第一夹角和所述第二夹角分别为θ和η，且所述第一长度比率和所述第二长度比率分别为L和M的情况下，所述第一机械轴和移动量dL和所述第二机械轴的移动量dM由以下公式(2)计算：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

根据本发明的另一方面，提供了一种相机系统，包括用于拍摄图像的摄像头和用于移动摄像头位置的机械驱动系统，所述机械驱动系统包括第一机械轴，所述相机系统进一步包括：处理单元，用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一映射关系，所述第一映射关系包括所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一夹角和所述第一机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在所述基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定所述第一位置和第二位置在所述基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第一夹角和所述第一长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第一机械轴的移动量。

在上述相机系统中，所述第一长度比率为所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中的移动距离。

在上述相机系统中，所述对象是所述第一机械轴上预设的特征点在所述基准坐标系中的映射。

在上述相机系统中，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；所述处理单元由以下公式(1)计算第一夹角θ和第一长度比率L：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

在上述相机系统中，所述机械驱动系统包括第二机械轴，且所述处理单元进一步用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二映射关系，所述第二映射关系包括所述第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二夹角和所述第二机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第二夹角和所述第二长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第二机械轴的移动量。

在上述相机系统中，在所述第一位置和所述第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，所述第一夹角和所述第二夹角分别为θ和η，且所述第一长度比率和所述第二长度比率分别为L和M的情况下，所述处理单元由以下公式(2)计算第一机械轴和移动量dL和所述第二机械轴的移动量dM：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

根据本发明的又一方面，提供了一种自动化设备，所述自动化设备包括相机系统，所述相机系统包括用于拍摄图像的摄像头和用于移动摄像头位置的机械驱动系统，所述机械驱动系统包括第一机械轴，所述自动化设备进一步包括：处理器，用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一映射关系，所述第一映射关系包括所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一夹角和所述第一机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在所述基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定所述第一位置和第二位置在所述基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第一夹角和所述第一长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第一机械轴的移动量。

在上述自动化设备中，所述第一长度比率为所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中的移动距离。

在上述自动化设备中，所述对象是所述第一机械轴上预设的特征点在所述基准坐标系中的映射。

在上述自动化设备中，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；所述处理器由以下公式(1)计算第一夹角θ和第一长度比率L：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

在上述自动化设备中，所述机械驱动系统包括第二机械轴，且所述处理器进一步用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二映射关系，所述第二映射关系包括所述第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二夹角和所述第二机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第二夹角和所述第二长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第二机械轴的移动量。

在上述自动化设备中，在所述第一位置和所述第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，所述第一夹角和所述第二夹角分别为θ和η，且所述第一长度比率和所述第二长度比率分别为L和M的情况下，所述处理器由以下公式(2)计算第一机械轴和移动量dL和所述第二机械轴的移动量dM：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

通过根据本发明的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备，可以利用机械视觉来进行高精度定位。

根据本发明的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备适用于各种相机安装方案和各种运动机构安装方案，并且考虑了设备的安装偏差，提高了设备的运行精度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的视觉定位方法的示意性流程图；

图2是根据本发明实施例的视觉定位方法中机械轴的移动在视觉坐标系中的映射的示意图；

图3是根据本发明实施例的视觉定位方法中两个机械轴的移动在视觉坐标系中的映射的示意图；

图4是根据视觉位置偏差计算实际物理运动量的示意图；

图5是通过坐标关系转换获得的图4的等效视图；

图6是根据本发明实施例的相机系统的示意性框图；

图7是根据本发明实施例的自动化设备的示意性框图；和

图8是根据本发明实施例的视觉定位方法的软件验证效果截图。

具体实施方式

以下描述用于公开本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义，而是仅由本发明人使用以使得能够清楚和一致地理解本发明。因此，对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本发明的目的而提供本发明的各种实施例的以下描述。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离发明构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

包括技术和科学术语的在这里使用的术语具有与本领域技术人员通常理解的术语相同的含义，只要不是不同地限定该术语。应当理解在通常使用的词典中限定的术语具有与现有技术中的术语的含义一致的含义。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

根据本发明实施例的一方面，提供了一种视觉定位方法，包括：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括第一机械轴相对于基准坐标系的第一夹角和第一机械轴的移动量和基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定第一位置和第二位置在基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于第一坐标、第二坐标、第一夹角和第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的第一机械轴的移动量。

图1是根据本发明实施例的视觉定位方法的示意性流程图。如图1所示，根据本发明实施例的视觉定位方法包括：S1，以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括第一机械轴相对于基准坐标系的第一夹角和第一机械轴的移动量和基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；S2，在基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定第一位置和第二位置在基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和S3，基于第一坐标、第二坐标、第一夹角和第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的第一机械轴的移动量。

在自动化设备中，使用相机系统实现机械视觉。但是，在通过相机系统实现的视觉图像中，自动化设备的运动机构，比如传动轴的移动并非总是位于X轴和Y轴的正交方向上。因此，当通过机械轴移动时，视觉坐标系中的相应位置的移动在距离和方向上，都与机械轴的移动不同。

因此，在根据本发明实施例的视觉定位方法中，设置了一种标定视觉坐标与机械坐标的通用方法。该方法以视觉坐标系为基准坐标，计算出机械轴的运动与视觉坐标系的对应关系，再通过对表现对应关系的方程式求解来计算出当移动到视觉坐标系中某个位置时机械坐标所需的移动的对应量。

因而，在计算机械轴的运动与视觉坐标系的映射关系时，需要计算机械轴相对于视觉坐标系的角度，以及机械轴的移动量和在视觉坐标系中的移动量之间的比率关系。

为了简化计算，可以假定机械轴的移动距离为单位物理距离，计算在视觉坐标系中的相应的移动量。也就是，在上述视觉定位方法中，该第一长度比率为第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，该对象在基准坐标系中的移动距离。

实际测量过程中，可以在机械轴上选定预定的特征点，并在相机系统的成像图像中计算该特征点在图像中移动的距离。也就是，在上述视觉定位方法中，对象是该第一机械轴上预设的特征点在该基准坐标系中的映射。

图2是根据本发明实施例的视觉定位方法中机械轴的移动在视觉坐标系中的映射的示意图。如图2所示，假设机械轴运动了1单位的物理距离，而在视觉坐标系中映射的位置从点A移动到了点B，则第一夹角为θ，且第一长度比率为L。

通过机器视觉识别机械轴上的特征点，可以得到视觉坐标系中点A和点B的坐标，假设为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)，这样，可以计算出上述第一夹角为θ和第一长度比率为L。其中，夹角θ是机械轴与视觉坐标系，即相机系统的夹角，而L是机械轴上的特征点在移动1单位的物理距离的情况下，该特征点在视觉坐标系中对应的像素点的变化量。

如图2所示，令dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

如果dX等于0，则机械轴与视觉坐标系中的Y轴平行，这时如果dY大于0则夹角θ＝90°，如果dY小于0则θ＝270°。

如果dX不等于0，那么在dX大于0的情况下，θ＝arctan(dX/dY)*180/π°，而在dX小于0的情况下，θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°。

并且，

综上所述，在上述视觉定位方法中，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，对象在基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)，则第一夹角θ和第一长度比率L由以下公式(1)计算：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

这样，可以获得自动化设备的机械轴与视觉坐标系之间的对应关系。但是，在实际应用中，自动化设备的运动机构通常具有两个机械轴，从而完成平面上各个点的运动。例如，在半导体及电子行业中，广泛地应用机器视觉。具体地，比如PCB印刷电路中，各类生产印刷电路板的组装技术、设备；单、双面、多层线路板，覆铜板及所需的材料及辅料；辅助设施以及耗材、油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝网周边材料等，广泛地应用机器视觉。此外，比如SMT表面贴装：SMT工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工具及配件、SMT材料、贴片剂、胶粘剂、焊剂、焊料及防氧化油、焊膏、清洗剂等；再流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备，也广泛地应用机器视觉。另外，机器视觉应用电子生产加工设备中：电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电子工模具。此外，机器视觉还在质量检测的各个方面广泛地应用。并且，本领域技术人员可以理解，在上述引用中，都需要利用机器视觉中通过运动机构控制对象在二维平面上的移动。

因此，在根据本发明实施例的视觉定位方法中，进一步包括：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于该基准坐标系的第二映射关系，该第二映射关系包括第二机械轴相对于基准坐标系的第二夹角和第二机械轴的移动量和基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于第一坐标、第二坐标、第二夹角和第二长度比率确定与对象从第一位置移动到第二位置对应的第二机械轴的移动量。

与第一机械轴类似地，通过相同方法建立第二机械轴与视觉坐标系之间的映射关系。图3是根据本发明实施例的视觉定位方法中两个机械轴的移动在视觉坐标系中的映射的示意图。如图3所示，与上面相同，假设第一机械轴运动了1单位的物理距离，则在视觉坐标系中映射的像素位置从点A移动到了点B，第一夹角为θ，且第一长度比率为L。此外，假设第二机械轴运动了1单位的物理距离，则在视觉坐标系中映射的像素位置从点A移动到了点C，第二夹角为η，且第二长度比率为M。

这里，η和M的计算方法与之前参考图2描述的θ和L的计算方法相同，即，假设点A和点C的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xc,Yc)，则第二夹角η和第一长度比率M由以下公式(3)计算：

η＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

η＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

η＝90°dX＝0且dY>0

η＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xc-Xa且dY＝Yc-Ya。

下面，将参考图4和图5描述基于视觉坐标系中的坐标计算两个机械轴的移动量的过程。图4是根据视觉位置偏差计算实际物理运动量的示意图。图5是通过坐标关系转换获得的图4的等效视图。

如图4所示，假设某物体在上述视觉坐标系中从图像中的E点移动到F点，则根据上面所述，需要计算出对应的第一机械轴和第二机械轴的移动量dL与dM。

其中，点E和点F的坐标为已知量，假设分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，则按照图5所示的坐标转换关系，可以得到以下公式(4)：

dX＝Xf-Xe

dY＝Yf-Ye (4)

其中，dX对应于图像中的像素点距离为dL*L；

dY对应于图像中的像素点距离为dM*M。

接下来，按照图5所示，分别将dX和dY拆分成X、Y方向的分量，得到以下的公式(5)：

dX＝dM*M*Cosη-dL*L*Cosθ

dY＝dM*M*Sinη+dL*L*Sinθ (5)

将公式(4)带入公式(5)，得到公式(6)：

Xf-Xe＝dM*M*Cosη-dL*L*Cosθ

Yf-Ye＝dM*M*Sinη+dL*L*Sinθ (6)

在上述公式(5)和(6)中，实际上仅dL和dM是未知量，通过求解二元一次方程，可得到以下公式(2)：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

这样，也就得到了在视觉坐标系中对象从第一位置E移动到第二位置F时，第一机械轴和第二机械轴各自的移动量。

综上所述，在上述视觉定位方法中，在第一位置和第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，第一夹角和第二夹角分别为θ和η，且第一长度比率和第二长度比率分别为L和M的情况下，第一机械轴的移动量dL和第二机械轴的移动量dM由公式(2)计算：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

这样，通过根据本发明实施例的视觉定位方法，可以利用机械视觉，直接从所获得的图像上对象的坐标位置来计算相应的机械轴的移动量，从而进行高精度定位。

并且，在根据本发明实施例的视觉定位方法中，并不限定自动化设备的相机系统和运动机构的相互关系，从而可以适用于各种相机安装方案和各种运动机构安装方案。并且，通过根据机械轴的移动量和视觉坐标系中的移动量建立映射关系，考虑了设备的安装偏差，提高了设备的运行精度。

根据本发明的另一方面，提供了一种相机系统，包括用于拍摄图像的摄像头和用于移动摄像头位置的机械驱动系统，该机械驱动系统包括第一机械轴，该相机系统进一步包括：处理单元，用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一夹角和该第一机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在该基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定该第一位置和第二位置在该基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第一夹角和该第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第一机械轴的移动量。

图6是根据本发明实施例的相机系统的示意性框图。如图6所示，根据本发明实施例的相机系统100包括：摄像头110，用于拍摄图像；机械驱动系统120，用于移动摄像头110的位置，其中机械驱动系统120包括第一机械轴。相机系统110进一步包括处理单元130，处理单元130用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一夹角和该第一机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在该基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定该第一位置和第二位置在该基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第一夹角和该第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第一机械轴的移动量。

在上述相机系统中，该第一长度比率为该第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，该对象在该基准坐标系中的移动距离。

在上述相机系统中，该对象是该第一机械轴上预设的特征点在该基准坐标系中的映射。

在上述相机系统中，令该第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，该对象在该基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；该处理单元由以下公式(1)计算第一夹角θ和第一长度比率L：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

在上述相机系统中，该机械驱动系统包括第二机械轴，且该处理单元进一步用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于该基准坐标系的第二映射关系，该第二映射关系包括该第二机械轴相对于该基准坐标系的第二夹角和该第二机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第二夹角和该第二长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第二机械轴的移动量。

在上述相机系统中，在该第一位置和该第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，该第一夹角和该第二夹角分别为θ和η，且该第一长度比率和该第二长度比率分别为L和M的情况下，该处理单元由以下公式(2)计算第一机械轴的移动量dL和该第二机械轴的移动量dM：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

本领域技术人员可以理解，根据本发明实施例的相机系统的其他细节与之前关于根据本发明实施例的视觉定位方法描述的相应细节完全相同，为了避免冗余便不再赘述。

根据本发明实施例的又一方面，提供了一种自动化设备，该自动化设备包括相机系统，该相机系统包括用于拍摄图像的摄像头和用于移动摄像头位置的机械驱动系统，该机械驱动系统包括第一机械轴，该自动化设备进一步包括：处理器，用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一夹角和该第一机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在该基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定该第一位置和第二位置在该基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第一夹角和该第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第一机械轴的移动量。

图7是根据本发明实施例的自动化设备的示意性框图。如图7所示，根据本发明实施例的自动化设备200包括：相机系统210，包括用于拍摄图像的摄像头211和用于移动摄像头211的位置的机械驱动系统212，该机械驱动系统包括第一机械轴。该自动化设备200进一步包括处理器220，处理器220用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一映射关系，该第一映射关系包括该第一机械轴相对于该基准坐标系的第一夹角和该第一机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；在该基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定该第一位置和第二位置在该基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第一夹角和该第一长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第一机械轴的移动量。

在上述自动化设备中，该第一长度比率为该第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，该对象在该基准坐标系中的移动距离。

在上述自动化设备中，该对象是该第一机械轴上预设的特征点在该基准坐标系中的映射。

在上述自动化设备中，令该第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，该对象在该基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；该处理器由以下公式(1)计算第一夹角θ和第一长度比率L：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

在上述自动化设备中，该机械驱动系统包括第二机械轴，且该处理器进一步用于：以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于该基准坐标系的第二映射关系，该第二映射关系包括该第二机械轴相对于该基准坐标系的第二夹角和该第二机械轴的移动量和该基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和，基于该第一坐标、该第二坐标、该第二夹角和该第二长度比率确定与该对象从第一位置移动到第二位置对应的该第二机械轴的移动量。

在上述自动化设备中，在该第一位置和该第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，该第一夹角和该第二夹角分别为θ和η，且该第一长度比率和该第二长度比率分别为L和M的情况下，该处理器由以下公式(2)计算第一机械轴和移动量dL和该第二机械轴的移动量dM：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

这里，本领域技术人员可以理解，图7中自动化设备200包括的处理器220与图6中相机系统100的处理单元130可以通过同一处理器实现根据本发明实施例的视觉定位方法，也可以以分布方式共同协作地实现根据本发明实施例的视觉定位方法。该处理器可以是专门的处理装置，例如包括计算机、微处理器、集成电路或者可编程逻辑器件。或者，该处理器可以是自动化设备的内置处理器，比如嵌入式处理器、微处理器、硬件控制逻辑、硬件有限状态机(FSM)、数字信号处理器(DSP)或者其组合。

另外，在这里描述的实现例如可以以方法或者处理、设备、软件程序、数据流或者信号实现。即使仅在实现的单个形式的上下文中讨论(例如，仅讨论为方法或者装置)，讨论的特征的实现也可以以其他形式实现(例如，程序)。设备例如可以以适当的硬件、软件和固件实现。方法例如可以以设备实现，设备例如是处理器，其总的来说指的是处理装置，例如包括计算机、微处理器、集成电路或者可编程逻辑器件。处理器也包括通信装置，例如，智能电话、平板、计算机、移动电话、便携式/个人数字助理(“PDA”)，和促进终端用户之间信息的通信的其他装置。

在这里描述的各种处理和特征和实现可以在各种不同设备或者应用中具体表现，特别是例如与数据编码、数据解码、图生成、纹理处理及图像和有关的纹理信息和/或深度信息的其他处理相关联的设备或者应用。这种设备的实例包括编码器、解码器、处理来自解码器的输出的后处理器、提供到编码器的输入的预处理器、视频编码器、视频解码器、视频编解码器及其他通信装置。应该清楚，设备可以是移动的且甚至安装在移动车辆中。

本发明的某些方面也可以具体表现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储此后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的实例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(比如通过因特网的数据传输)。计算机可读记录介质也可以经网络耦合的计算机系统分布，以使得以分布方式存储和执行计算机可读代码。此外，用于实现本发明的功能程序、代码和代码段可以由本发明属于的领域中的编程人员容易地解释。

可以理解根据本发明的实施例的方法和设备可以由硬件、软件和/或其组合实现。软件可以存储在非易失性存储设备中，例如，可擦除或者可重写的只读存储器(ROM)、存储器，例如，随机存取存储器(RAM)、存储器芯片、存储器器件或者存储器集成电路(IC)、或者光学地或者磁性地可记录非瞬时机器可读的，例如，计算机可读的存储介质中，例如，致密盘(CD)、数字多用途盘(DVD)、磁盘或者磁带。根据本发明的实施例的方法和设备可以由包括控制器和存储器的计算机或者移动终端实现，且存储器可以是适于存储包括用于实现本发明的各种实施例的指令的一个或多个程序的非瞬时机器可读的，例如，计算机可读的存储介质的实例。

图8是根据本发明实施例的视觉定位方法的软件验证效果截图。如图8所示，将根据本发明实施例的视觉定位方法编写为相应的软件进行实际模拟，得到的结论符合实际情况，从而证明了该方法的实际准确性。

通过根据本发明的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备，可以利用机械视觉，直接从所获得的图像上对象的坐标位置来计算相应的机械轴的移动量，从而进行高精度定位。

在根据本发明的视觉定位方法，以及应用该视觉定位方法的相机系统和自动化设备中，并不限定自动化设备的相机系统和运动机构的相互关系，从而可以适用于各种相机安装方案和各种运动机构安装方案，并且，通过根据机械轴的移动量和视觉坐标系中的移动量建立映射关系，考虑了设备的安装偏差，提高了设备的运行精度。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离该原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims

1.一种视觉定位方法，包括：

以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一映射关系，所述第一映射关系包括所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一夹角和所述第一机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；

在所述基准坐标系中的对象从第一位置移动到第二位置的情况下，确定所述第一位置和第二位置在所述基准坐标系中的第一坐标和第二坐标；和

基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第一夹角和所述第一长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第一机械轴的移动量。

2.根据权利要求1所述的视觉定位方法，其特征在于，所述第一长度比率为所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中的移动距离。

3.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，所述对象是所述第一机械轴上预设的特征点在所述基准坐标系中的映射。

4.根据权利要求2所述的视觉定位方法，其特征在于，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；

第一夹角θ和第一长度比率L由以下公式(1)计算：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

5.根据权利要求1所述的视觉定位方法，其特征在于，进一步包括：

以视觉坐标系作为基准坐标系，计算第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二映射关系，所述第二映射关系包括所述第二机械轴相对于所述基准坐标系的第二夹角和所述第二机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第二长度比率；和

基于所述第一坐标、所述第二坐标、所述第二夹角和所述第二长度比率确定与所述对象从第一位置移动到第二位置对应的所述第二机械轴的移动量。

6.根据权利要求5所述的视觉定位方法，其特征在于，在所述第一位置和所述第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，所述第一夹角和所述第二夹角分别为θ和η，且所述第一长度比率和所述第二长度比率分别为L和M的情况下，所述第一机械轴和移动量dL和所述第二机械轴的移动量dM由以下公式(2)计算：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

7.一种相机系统，包括用于拍摄图像的摄像头和用于移动摄像头位置的机械驱动系统，所述机械驱动系统包括第一机械轴，所述相机系统进一步包括：

处理单元，用于：

以视觉坐标系作为基准坐标系，计算所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一映射关系，所述第一映射关系包括所述第一机械轴相对于所述基准坐标系的第一夹角和所述第一机械轴的移动量和所述基准坐标系中的对象的移动量之间的第一长度比率；

8.根据权利要求7所述的相机系统，其特征在于，所述第一长度比率为所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中的移动距离。

9.根据权利要求8所述的相机系统，其特征在于，所述对象是所述第一机械轴上预设的特征点在所述基准坐标系中的映射。

10.根据权利要求7所述的相机系统，其特征在于，令所述第一机械轴的移动距离为1单位的物理距离时，所述对象在所述基准坐标系中从点A移动到点B，且点A和点B的坐标分别为(Xa,Ya)和(Xb,Yb)；

所述处理单元由以下公式(1)计算第一夹角θ和第一长度比率L：

θ＝arctan(dX/dY)*180/π°dX>0

θ＝arctan(dX/dY)*180/π+180°dX<0

θ＝90°dX＝0且dY>0

θ＝270°dX＝0且dY<0

其中，dX＝Xb-Xa且dY＝Yb-Ya。

11.根据权利要求7所述的相机系统，其特征在于，所述机械驱动系统包括第二机械轴，且所述处理单元进一步用于：

12.根据权利要求11所述的相机系统，其特征在于，在所述第一位置和所述第二位置的坐标分别为(Xe,Ye)和(Xf,Yf)，所述第一夹角和所述第二夹角分别为θ和η，且所述第一长度比率和所述第二长度比率分别为L和M的情况下，所述处理单元由以下公式(2)计算第一机械轴和移动量d L和所述第二机械轴的移动量dM：

dL＝(dX*Sinη-dY*Cosη)/((Cosθ*Sinη-Sinθ*Cosη)*L)

dM＝(dX*Sinθ-dY*Cosθ)/((Cosη*Sinθ-Sinη*Cosθ)*M) (2)

其中，dX＝Xf-Xe且dY＝Yf-Ye。

13.一种自动化设备，包括如权利要求7到12中任意一项所述的相机系统。