CN110969652B - 基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法及系统，包括：机械手匀速移动步骤：机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；拍摄时间差确定步骤：获取拍摄时间差信息；位置角度确定步骤：获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；拍摄结果获取步骤：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；三维信息获取步骤：获取三维结果信息。本发明采用机械手上固定单目相机，通过规定机械手的路径，单目相机在每个拍摄点的位置和角度都是因此确定下来的，提高了这种方法的准确性。

Description

基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法及系统
技术领域
本发明涉及机器视觉代替人眼检测技术领域，具体地，涉及一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法及系统。
背景技术
工业上使用机器视觉代替人眼检测已经成为大势所趋，而普通的二维机器视觉只能得到一个方向投影的图像，无法得到目标物的形貌分布，而这对结果的判断会有很大的疏漏。比如汽车制造业中，白车身的焊点检测，焊点的深度以及焊点凹坑的曲面变化都会决定焊点是否合格。目前获取三维数据的方法有：结构光；双目视觉；激光三角法。其中激光设备的成本较高，并不适合大规模使用。结构光三维扫描仪，必须有结构光源发射头，还要至少2个相机来拍摄，所以其尺寸难以做小。双目视觉三维扫描仪，顾名思义，必然要有两个相机的位置。而采用小巧灵活的单目工业相机，一般只能拍到二维的图像，不能得到图像的深度。常用的做法是通过二维图像来推断出三维，比如Shape from shading。但这种方法准确性不够，一般用来做定性分析，而不能做定量测量。而且它对光照和物理本身的表面特性敏感，容易产生较大误差。
专利文献CN106447766B提出了单目相机做双目相机用的方法，但它是采用移动设备上自带的惯性传感器数据来确定两幅照片的拍摄位置和角度，其准确性有待商榷，比如加速度计的动态漂移比较大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法及系统。
根据本发明提供的一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，包括：机械手匀速移动步骤：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；拍摄时间差确定步骤：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；位置角度确定步骤：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；拍摄结果获取步骤：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；三维信息获取步骤：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为。
优选地，机械手匀速移动步骤包括：相机选取步骤：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
优选地，还包括：追踪目标分布设定步骤：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息。
优选地，还包括：双目相机处理步骤：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
优选地，还包括：实施运动信息获取步骤：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；控制驱动步骤：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
根据本发明提供的一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统，包括：机械手匀速移动模块：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；拍摄时间差确定模块：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；位置角度确定模块：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；拍摄结果获取模块：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；三维信息获取模块：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为。
优选地，机械手匀速移动模块包括：相机选取模块：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
优选地，包括：追踪目标分布设定模块：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息。
优选地，还包括：双目相机处理模块：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
优选地，还包括：实施运动信息获取模块：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；控制驱动模块：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用机械手上固定单目相机，通过规定机械手的路径，单目相机在每个拍摄点的位置和角度都是因此确定下来的，提高了这种方法的准确性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统框架示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、图2所示，根据本发明提供的一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，包括：机械手匀速移动步骤：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；拍摄时间差确定步骤：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；位置角度确定步骤：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；拍摄结果获取步骤：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；三维信息获取步骤：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为。其中，机械手可以是一种能够达到同样效果的机器人，或者能够达到同样效果的机器人某个部件。
优选地，机械手匀速移动步骤包括：相机选取步骤：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
优选地，还包括：追踪目标分布设定步骤：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息。
优选地，还包括：双目相机处理步骤：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
优选地，还包括：实施运动信息获取步骤：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；控制驱动步骤：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
具体地，在一个实施例中，一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法如下：
单目相机以机械方式固定在机械手的末端，被测物体与机械手固定在地面上。单目相机为工业相机，全局快门在拍下运动物体时不容易有拖影。镜头采用固定焦距，机械手的轨迹应该根据焦距来保持拍到清晰的序列照片。
启动机械手按照约定的轨迹运行，同时单目相机拍照，相机的帧率比如11fps，机械手的运动速度也是固定的。
装在笔记本中的控制软件通过与机器手通讯掌握机器手的实施运动信息，并控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机的拍照。
单目相机输出序列图片，图片之间的时间间隔是由帧率决定的，因此通过序列间隔就能得到照片之间的时间差，根据照片与初始图像的间隔的图像张数，可以得到照片的拍摄时间。根据拍摄时间和机械手的运动速度，可以得到每张照片拍摄时机械手的方向和位置。
以地面为参照系建立世界坐标系，机械手的末端在世界坐标系的坐标和方向为[Xw，Yw，Zw，αw,βw,γw]。相机在机械手上的安装位置是固定的，以机械手的末端为参考系建立的机械手坐标系，相机在机械手坐标系的坐标为[Xr,Yr,Zr,αr,βr,γr]。通过这两个坐标系的转化，可以得到相机在世界坐标系的绝对坐标[Xa,Ya,Za,αa,βa,γa]。通过机械手的路径，我们得到[Xw，Yw，Zw，αw,βw,γw]，通过两个坐标系之间的换算得到[Xa,Ya,Za,αa,βa,γa]。
取两张照片，得到两个位置的[Xa,Ya,Za,αa,βa,γa]，从而确定了临时拼凑的双目相机外参数。该假双目相机的其他参数可以通过常规的双目相机标定方法得到。张正友标定法是广泛使用又效果较好的。
包括：棋盘格标定，计算相机的内外参数，三维建模。
所选定的两张照片应该有重合的目标区域。比如白车身焊点检测时，这两张照片应该都含有这个焊点的完整图像。这样后续图像匹配和视差图获取该焊点的三维数据。
本领域技术人员可以将本发明提供的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，理解为本发明提供的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统的一个实施例。即，所述基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统可以通过执行所述基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法的步骤流程实现。
根据本发明提供的一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统，包括：机械手匀速移动模块：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；拍摄时间差确定模块：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；位置角度确定模块：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；拍摄结果获取模块：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；三维信息获取模块：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为。
优选地，机械手匀速移动模块包括：相机选取模块：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
优选地，还包括：追踪目标分布设定模块：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息。
优选地，还包括：双目相机处理模块：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
优选地，还包括：实施运动信息获取模块：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；控制驱动模块：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
本发明采用机械手上固定单目相机，通过规定机械手的路径，单目相机在每个拍摄点的位置和角度都是因此确定下来的，提高了这种方法的准确性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，其特征在于，包括：
机械手匀速移动步骤：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；
拍摄时间差确定步骤：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；
位置角度确定步骤：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；
拍摄结果获取步骤：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；
三维信息获取步骤：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；
双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为；
还包括：
追踪目标分布设定步骤：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息；
机械手匀速移动步骤包括：
相机选取步骤：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
2.根据权利要求1所述的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，其特征在于，还包括：
双目相机处理步骤：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
3.根据权利要求1所述的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄方法，其特征在于，还包括：
实施运动信息获取步骤：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；
控制驱动步骤：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
4.一种基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统，其特征在于，包括：
机械手匀速移动模块：根据机械手运动轨迹设定信息，机械手抓着选定相机以设定轨迹匀速移动，并以设定的帧率拍摄连续的照片，获取机械手运动轨迹结果信息；
拍摄时间差确定模块：根据照片的间隔张数信息，确定两张照片的拍摄时间差，获取拍摄时间差信息；
位置角度确定模块：根据机械手运动轨迹结果信息、拍摄时间差信息，确定每张照片拍摄时相机的位置和角度，获取拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息；
拍摄结果获取模块：根据拍摄时相机位置信息、拍摄时相机角度信息，拍摄两张图片，获取两张图片拍摄结果信息；
三维信息获取模块：根据双目相机处理控制信息、两张图片拍摄结果信息，处理两张图片，获取三维结果信息；
双目相机处理控制信息指导按照选定的双目相机处理方式进行双目相机处理行为；
还包括：
追踪目标分布设定模块：根据追踪目标分布设定信息，按照设定的所有追踪目标分布，使得选定相机的光轴垂直于被拍摄目标，且选定相机与追踪目标距离固定，获取机械手运动轨迹设定信息；
机械手匀速移动模块包括：
相机选取模块：选择全局快门的工业相机作为选定相机。
5.根据权利要求4所述的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统，其特征在于，还包括：
双目相机处理模块：采用张正友标定法算出相机的内外参数，用所选取的两幅图像的重叠部分做三维重建，获取双目相机处理控制信息。
6.根据权利要求4所述的基于机械手单目相机充当双目立体视觉的拍摄系统，其特征在于，还包括：
实施运动信息获取模块：控制软件通过与机器手通讯，获取机器手实施运动信息；
控制驱动模块：根据机器手实施运动信息，控制相机驱动软件，综合处理机器手的运动和相机拍照行为。
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