CN112164018B - 一种机器视觉校准系统及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器视觉校准系统，包括固定在基板上的X坐标轴和Y坐标轴，在X坐标轴和Y坐标轴的原点上垂直于基板固定有Z坐标轴；校准参考模型，放置在基板上，与基板上的三个坐标轴形成校准参考图像摄像头，用于获取校准参考图像；校准计算模块，与摄像头通讯连接，用于根据校准参考图像进行系统校准。本发明能够改进现有技术的不足，实现机器视觉系统的在线校准，降低校准成本。

Description

一种机器视觉校准系统及其校准方法
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，尤其是一种机器视觉校准系统及其校准方法。
背景技术
机器视觉是一种利用成像设备进行成像后对图像进行智能化分析处理的技术，被广泛应用于机器人定位、智能识别、在线监测等众多领域。机器视觉处理结果的准确性的前提是机器视觉系统对采集图像相对位置的精确限定，所以机器视觉系统需要通过校准保证采集图像相对位置的不变。现有的校准方式是通过专用的校准参照物(例如带有若干简单图案的校准卡)，对机器视觉系统进行离线的校准，校准完毕后再将机器视觉系统上线使用。由于机器视觉系统需要进行周期性的校准，这就导致每次校准都需要停线，或者使用备用系统进行代替，这就导致机器视觉系统的校准成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机器视觉校准系统及其校准方法，能够解决现有技术的不足，实现机器视觉系统的在线校准，降低校准成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种机器视觉校准系统，包括，
固定在基板上的X坐标轴和Y坐标轴，在X坐标轴和Y坐标轴的原点上垂直于基板固定有Z坐标轴；
校准参考模型，放置在基板上，与基板上的三个坐标轴形成校准参考图像
摄像头，用于获取校准参考图像；
校准计算模块，与摄像头通讯连接，用于根据校准参考图像进行系统校准。
一种上述的机器视觉校准系统的校准方法，包括以下步骤：
A、将校准参考模型放置在基板上，通过摄像头获取校准参考图像；
B、校准计算模块根据摄像头的拍摄角度，计算出基板上三坐标轴的理论相对位置，然后将三坐标轴的理论相对位置于校准参考图像中三坐标轴的实际相对位置进行比对，标记出偏差区域和偏差大小；
C、以X轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的X轴与X轴的理论相对位置相互重合；
D、重复步骤A和B，然后以Y轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Y轴与Y轴的理论相对位置相互重合；
E、重复步骤A和B，然后以Z轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Z轴与Z轴的理论相对位置相互重合；
F、根据步骤C-E中三个经过平移和/或旋转处理后的校准参考图像中非基准轴与校准参考图像中对应的理论位置的偏差值计算校准参考图像的校准矩阵；
G、使用校准矩阵对接下来拍摄的图像进行校准。
作为优选，步骤F中，计算校准参考图像的校准矩阵包括以下步骤，
F1、建立每个图像中两个非基准轴与对应坐标轴理论位置的变换矩阵，以及同一图像中两个变换矩阵的同步矩阵；
F2、对每个图像依次按照图像所属变换矩阵进行变换，对于同步矩阵包含的变换过程，只进行一次变换，且变换前后同步矩阵不变；
F3、对变换前后的图像进行对比，若出现变换后的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值大于等于变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值，则转回步骤F1，对变换矩阵进行更新，否则重复步骤F2，直至满足以下两个条件，
一、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值小于设定限值；
二、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值的方差小于设定限值；
F4、使用步骤F2重复过程中全部的变换矩阵相乘，得到校准参考图像的校准矩阵。
作为优选，步骤F1中，在每个非基准轴上设置至少两个特征参考点，通过修正变换矩阵使变换运算至少保证全部特征参考点与对应坐标轴理论位置重合。
作为优选，同步矩阵由同一图像中两个变换矩阵的相同变换过程组成。
作为优选，设定偏差阈值，当校准后的图像与实际的偏差大于偏差阈值后，重复步骤A-F，计算新的校准矩阵；在计算新的校准矩阵时，以上一次校准后获取的第一张校准图像中的三坐标位置作为三坐标轴的理论相对位置，在步骤F获得校准矩阵后，将本次获得的校准矩阵与上一次校准获得的校准矩阵相乘，得到本次校准的新的校准矩阵。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明使用基板建立世界坐标系，然后通过后续每次拍摄图像的相对位置对机器视觉系统进行校准，校准参考模型可以是任意的待识别工件。只要进行装机后的第一次校准，便可以在正常生产运行过程中进行校准。只要将偏差阈值设定的小于产品的质量要求偏差值，便可以在机器视觉系统出现产线不允许的偏差前，进行自动校准，整个过程在正常生产过程中就能完成，不需要停线。为了进一步降低校准系统的硬件成本，本发明采用多次循环校准的方式进行，而且每次校准时不需要将整个坐标轴进行变换，明显的降低了单次的运算量，从而可以采用成本更低的低速芯片。由于本发明的校准过程是在正常生产过程中进行的，所以由于采用上述循环校准的方式带来的校准总时间增加的问题并不会对自动化产线造成任何影响。由于本发明采用的是图像的相对位置进行校准，所以在重新校准的过程中，直接采用上一次校准结果的图像代替初始的三坐标轴理论相对位置，可以避免重复的校准循环过程，从而加快重复校准过程的速度。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的原理图。
具体实施方式
参照图1，本发明一个具体实施方式包括固定在基板1上的X坐标轴2和Y坐标轴3，在X坐标轴2和Y坐标轴3的原点上垂直于基板1固定有Z坐标轴4；
校准参考模型5，放置在基板1上，与基板1上的三个坐标轴形成校准参考图像
摄像头6，用于获取校准参考图像；
校准计算模块7，与摄像头6通讯连接，用于根据校准参考图像进行系统校准。
一种上述的机器视觉校准系统的校准方法，包括以下步骤：
A、将校准参考模型5放置在基板1上，通过摄像头6获取校准参考图像；
B、校准计算模块7根据摄像头6的拍摄角度，计算出基板1上三坐标轴的理论相对位置，然后将三坐标轴的理论相对位置于校准参考图像中三坐标轴的实际相对位置进行比对，标记出偏差区域和偏差大小；
C、以X轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的X轴与X轴的理论相对位置相互重合；
D、重复步骤A和B，然后以Y轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Y轴与Y轴的理论相对位置相互重合；
E、重复步骤A和B，然后以Z轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Z轴与Z轴的理论相对位置相互重合；
F、根据步骤C-E中三个经过平移和/或旋转处理后的校准参考图像中非基准轴与校准参考图像中对应的理论位置的偏差值计算校准参考图像的校准矩阵；
G、使用校准矩阵对接下来拍摄的图像进行校准。
步骤F中，计算校准参考图像的校准矩阵包括以下步骤，
F1、建立每个图像中两个非基准轴与对应坐标轴理论位置的变换矩阵，以及同一图像中两个变换矩阵的同步矩阵；
F2、对每个图像依次按照图像所属变换矩阵进行变换，对于同步矩阵包含的变换过程，只进行一次变换，且变换前后同步矩阵不变；
F3、对变换前后的图像进行对比，若出现变换后的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值大于等于变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值，则转回步骤F1，对变换矩阵进行更新，否则重复步骤F2，直至满足以下两个条件，
一、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值小于设定限值；
二、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值的方差小于设定限值；
F4、使用步骤F2重复过程中全部的变换矩阵相乘，得到校准参考图像的校准矩阵。
步骤F1中，在每个非基准轴上设置至少两个特征参考点，通过修正变换矩阵使变换运算至少保证全部特征参考点与对应坐标轴理论位置重合。
所述同步矩阵由同一图像中两个变换矩阵的相同变换过程组成。
设定偏差阈值，当校准后的图像与实际的偏差大于偏差阈值后，重复步骤A-F，计算新的校准矩阵；在计算新的校准矩阵时，以上一次校准后获取的第一张校准图像中的三坐标位置作为三坐标轴的理论相对位置，在步骤F获得校准矩阵后，将本次获得的校准矩阵与上一次校准获得的校准矩阵相乘，得到本次校准的新的校准矩阵。
在本发明的描述中，需要理解的是，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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，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，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种机器视觉校准系统的校准方法，其特征在于：采用机器视觉校准系统，所述机器视觉校准系统包括，
固定在基板(1)上的X坐标轴(2)和Y坐标轴(3)，在X坐标轴(2)和Y坐标轴(3)的原点上垂直于基板(1)固定有Z坐标轴(4)；
校准参考模型(5)，放置在基板(1)上，与基板(1)上的三个坐标轴形成校准参考图像
摄像头(6)，用于获取校准参考图像；
校准计算模块(7)，与摄像头(6)通讯连接，用于根据校准参考图像进行系统校准；
所述校准方法包括以下步骤：
A、将校准参考模型(5)放置在基板(1)上，通过摄像头(6)获取校准参考图像；
B、校准计算模块(7)根据摄像头(6)的拍摄角度，计算出基板(1)上三坐标轴的理论相对位置，然后将三坐标轴的理论相对位置于校准参考图像中三坐标轴的实际相对位置进行比对，标记出偏差区域和偏差大小；
C、以X轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的X轴与X轴的理论相对位置相互重合；
D、重复步骤A和B，然后以Y轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Y轴与Y轴的理论相对位置相互重合；
E、重复步骤A和B，然后以Z轴的理论相对位置为基准，对校准参考图像进行平移和/或旋转，使校准参考图像中的Z轴与Z轴的理论相对位置相互重合；
F、根据步骤C-E中三个经过平移和/或旋转处理后的校准参考图像中非基准轴与校准参考图像中对应的理论位置的偏差值计算校准参考图像的校准矩阵；
G、使用校准矩阵对接下来拍摄的图像进行校准。
2.根据权利要求1所述的机器视觉校准系统的校准方法，其特征在于：步骤F中，计算校准参考图像的校准矩阵包括以下步骤，
F1、建立每个图像中两个非基准轴与对应坐标轴理论位置的变换矩阵，以及同一图像中两个变换矩阵的同步矩阵；
F2、对每个图像依次按照图像所属变换矩阵进行变换，对于同步矩阵包含的变换过程，只进行一次变换，且变换前后同步矩阵不变；
F3、对变换前后的图像进行对比，若出现变换后的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值大于等于变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值，则转回步骤F1，对变换矩阵进行更新，否则重复步骤F2，直至满足以下两个条件，
一、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值小于设定限值；
二、全部图像中变换前的图像非基准轴与对应的理论位置的偏差平均值的方差小于设定限值；
F4、使用步骤F2重复过程中全部的变换矩阵相乘，得到校准参考图像的校准矩阵。
3.根据权利要求2所述的机器视觉校准系统的校准方法，其特征在于：步骤F1中，在每个非基准轴上设置至少两个特征参考点，通过修正变换矩阵使变换运算至少保证全部特征参考点与对应坐标轴理论位置重合。
4.根据权利要求3所述的机器视觉校准系统的校准方法，其特征在于：所述同步矩阵由同一图像中两个变换矩阵的相同变换过程组成。
5.根据权利要求4所述的机器视觉校准系统的校准方法，其特征在于：设定偏差阈值，当校准后的图像与实际的偏差大于偏差阈值后，重复步骤A-F，计算新的校准矩阵；在计算新的校准矩阵时，以上一次校准后获取的第一张校准图像中的三坐标位置作为三坐标轴的理论相对位置，在步骤F获得校准矩阵后，将本次获得的校准矩阵与上一次校准获得的校准矩阵相乘，得到本次校准的新的校准矩阵。
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