CN114332249A - 相机视野内分段式手眼标定方法 - Google Patents

相机视野内分段式手眼标定方法 Download PDF

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CN114332249A CN202210262952.5A CN202210262952A CN114332249A CN 114332249 A CN114332249 A CN 114332249A CN 202210262952 A CN202210262952 A CN 202210262952A CN 114332249 A CN114332249 A CN 114332249A
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Abstract

本发明公开了一种相机视野内分段式手眼标定方法，第1步骤、安装标定板采集图像，在图像中绘制特征区域创建匹配模板，绘制并计算标定范围；第2步骤、配置标定参数，计算标定带数量；第3步骤、划分标定带，计算各标定带上标定点机械轴坐标；第4步骤、对各标定带以此执行标定动作，移动机械轴到当前标定带各个标定点位置之后执行：采集图像、执行视觉模板匹配；第5步骤、计算各标定带手眼标定矩阵；第6步骤、分段式手眼标定矩阵的变换。该相机视野内分段式手眼标定方法具有提高标定精度的优点。

Description

相机视野内分段式手眼标定方法
技术领域
本发明涉及智能贴装的技术领域，尤其是一种相机视野内分段式手眼标定方法。
背景技术
关于智能贴装设备，在贴装工作前对设备进行手眼标定（即相机坐标系与机械轴坐标系的转换）至关重要，而手眼标定的精度也直接影响到智能贴装机械设备的贴装精度。
由于镜头普遍存在畸变，而且经过一定的畸变矫正的图像实际上不能完全消除畸变，因此图像中心区域的像素间距与边缘的像素间距会存在一定的误差。而使用理想的像素点坐标执行手眼标定，计算得到手眼标定矩阵会存在一定的误差，会导致在相机视野中心和在相机视野边缘分别轴移动时有较大偏差。即，由于镜头畸变普遍存在，现有手眼标定方式会受图像畸变影响导致图像不同区域实际标定值出现偏差问题。
显然，当前方式不适用于贴装要求精度较高（如±3um左右）的应用场合，会导致贴装精度低，影响实际贴装效果等。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种相机视野内分段式手眼标定方法，旨在解决现有手眼标定方式会受图像畸变影响导致图像不同区域实际标定值出现偏差的问题，具有提高标定精度的优点。
根据本发明实施例的相机视野内分段式手眼标定方法，包括以下步骤：第1步骤、安装标定板采集图像，在图像中绘制特征区域创建匹配模板，绘制并计算标定范围；第2步骤、配置标定参数，计算标定带数量；第3步骤、划分标定带，计算各标定带上标定点机械轴坐标；第4步骤、对各标定带以此执行标定动作，移动机械轴到当前标定带各个标定点位置之后执行：采集图像、执行视觉模板匹配；第5步骤、计算各标定带手眼标定矩阵；第6步骤、分段式手眼标定矩阵的变换。
本发明的有益效果是，可以在图像相机视野内，以图像中心为中心点，使用算法按一定的规律将相机视野内图像划分成不同标定带，分别进行手眼标定，建立像素间距与轴间距变换矩阵；通过获得的分段式标定矩阵，进行分段式标定应用，当轴于哪个标定带范围内移动时，便会自动使用该标定带的标定矩阵进行计算；该方法可以大大降低图像畸变对手眼标定造成的误差影响，进一步提高贴装精度，使其可满足现场的高精度贴装需求。
根据本发明一个实施例，所述手眼标定矩阵表示为：机械轴平面运动时图像坐标系下的像素移动间距转到机械轴坐标系下轴移动间距之间的关系矩阵。
根据本发明一个实施例，所述机械轴坐标系的坐标轴与所述图像坐标系的坐标轴平行。
根据本发明一个实施例，在所述第4步骤中，所述视觉模板匹配由HALCON算法库提供，根据在参考图像中绘制特征区域创建模板，然后在其他图像中匹配特征区域，获得特征区域的中心坐标及角度。
根据本发明一个实施例，所述第1步骤包括以下步骤：第1.1步骤、将标定板放置到相机视野中心位置，采集清晰的标定板图像作为参考图像，绘制视觉匹配模板区域，创建视觉匹配模板，记录此时机械轴坐标
Figure 731640DEST_PATH_IMAGE001
；第1.2步骤、计算理论像素当量：理论像素当量=相机像元尺寸/镜头放大倍率；第1.3步骤、计算图像标定矩形：图像标定矩形为图像上的标定动作最大可移动范围，在参考图像上绘制与图像坐标轴平行的标定矩形，计算视觉匹配模板区域的最小且与图像坐标轴平行的外接矩形，得到外接矩形到标定矩形四个对应顶点间的像素间距，则图像标定矩形等于标定矩形与外接矩形之差乘以理论像素当量后再加上机械轴坐标
Figure 711097DEST_PATH_IMAGE001
；第1.4步骤、计算机械轴标定矩形：机械轴标定矩形为机械轴行程所限制的最大标定范围，则机械轴标定矩形等于机械轴X、Y方向行程范围矩形的左上、左下、右上、右下四个顶点分别减去机械轴坐标
Figure 490835DEST_PATH_IMAGE001
；第1.5步骤、计算最终标定正方形：最终标定正方形由图像标定矩形和机械轴标定矩形的8个顶点的X、Y方向的16个机械坐标值中的最小值决定。
根据本发明一个实施例，所述第2步骤包括以下步骤：第2.1步骤、配置标定参数，标定参数包括标定圈距离和标定点数；其中，标定圈距离表示标定带之间的物理距离；标定点数表示标定点组成的正方形上一个边上标定点个数；第2.2步骤、计算标定带数量：取第1步骤最终标定正方形的边长的一半除以标定圈距离得到标定带数量。
根据本发明一个实施例，所述第3步骤包括以下步骤：第3.1步骤、划分标定带：第
Figure 948361DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形为
Figure 825050DEST_PATH_IMAGE003
； 第3.2步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线：当前标定带正方形标定轨迹线由提取当前标定带的中心骨架线得来； 第3.3步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线上所有标定点机械坐标：以当前标定带正方形标定轨迹线的左上角点为起点，以
Figure 647512DEST_PATH_IMAGE004
为移动间距，以
Figure 976862DEST_PATH_IMAGE005
为正方形标定轨迹线每个边上的移动次数，依次沿着当前标定带正方形标定轨迹线上边、右边、下边、左边移动，并将移动点的机械坐标依次塞入数组
Figure 175763DEST_PATH_IMAGE006
中。
根据本发明一个实施例，所述第4步骤包括以下步骤：第4.1步骤：取当前标定带的标定轨迹上所有标定点的机械坐标
Figure 906958DEST_PATH_IMAGE006
，依次移动机械轴到数组
Figure 900322DEST_PATH_IMAGE006
上各点位置采集图像并对图像执行视觉匹配算法，得到模板区域中心点像素坐标塞入数组
Figure 716968DEST_PATH_IMAGE007
中；第4.2步骤：遍历所有标定带循环执行第4.1步骤。
根据本发明一个实施例，所述第5步骤包括以下步骤：第5.1步骤、计算当前标定带像素间距数组和对应的机械轴间距数组：当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组为
Figure 519227DEST_PATH_IMAGE008
，当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组为
Figure 42612DEST_PATH_IMAGE009
；第5.2步骤、计算当前标定带手眼变换矩阵：当前手眼标定矩阵
Figure 534773DEST_PATH_IMAGE010
由当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组
Figure 776399DEST_PATH_IMAGE008
和当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组
Figure 113839DEST_PATH_IMAGE009
带入Halcon视觉库求解得出；第5.3步骤：遍历所有标定带循环执行第5.1步骤和第5.2步骤。
根据本发明一个实施例，所述第6步骤包括以下步骤：第6.1步骤：遍历上述各标定带转换到图像参考系下，第
Figure 757310DEST_PATH_IMAGE002
个标定带外边缘正方形
Figure 154793DEST_PATH_IMAGE003
转成图像参考系下的标定带；第6.2步骤：计算图像参考系下的各标定带分割出来的线段：当输入的像素轨迹线的起始点落在同一个标定带时，将输入的像素轨迹线的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 946032DEST_PATH_IMAGE010
完成转换；当输入的像素轨迹线被各标定带分割成几个像素线段时，从输入的像素轨迹线的起点到终点方向按顺序遍历分割出的所有像素线段，遍历过程为：将像素线段的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 87163DEST_PATH_IMAGE010
后累加完成转换；其中，
Figure 647458DEST_PATH_IMAGE010
表示当前遍历到的像素线段所在标定带的手眼标定矩阵。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明的流程图；
图2是标定带划分示意图；
图3是标定点选取图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参考附图具体描述本发明实施例的相机视野内分段式手眼标定方法。
见图1，一种相机视野内分段式手眼标定方法，包括以下步骤：
第1步骤、安装标定板采集图像，在图像中绘制特征区域创建匹配模板，绘制并计算标定范围。
第1步骤包括以下步骤：
第1.1步骤、将标定板放置到相机视野大约中心位置，采集清晰的标定板图像作为参考图像，绘制视觉匹配模板区域
Figure 419104DEST_PATH_IMAGE011
，该视觉匹配模板区域
Figure 432060DEST_PATH_IMAGE012
的中心尽量对应图像中心，创建视觉匹配模板，记录此时机械轴坐标为
Figure 379812DEST_PATH_IMAGE001
。
第1.2步骤、计算理论像素当量：理论像素当量=相机像元尺寸/镜头放大倍率，理论像素当量的计算公式如下：
Figure 732296DEST_PATH_IMAGE013
（1）
其中，
Figure 737161DEST_PATH_IMAGE014
表示理论像素当量；
Figure 237412DEST_PATH_IMAGE015
表示相机像元尺寸；
Figure 658029DEST_PATH_IMAGE016
表示镜头放大倍率。
第1.3步骤、计算图像标定矩形：图像标定矩形为图像上的标定动作最大可移动范围，在参考图像上绘制与图像坐标轴平行的标定矩形，计算视觉匹配模板区域的最小且与图像坐标轴平行的外接矩形，外接矩形到标定矩形四个对应顶点间的像素间距的计算公式如下：
Figure 192916DEST_PATH_IMAGE017
（2）
其中，
Figure 306365DEST_PATH_IMAGE018
表示图像上绘制得到的标定矩形；
Figure 293913DEST_PATH_IMAGE019
表示外接矩形；
Figure 580538DEST_PATH_IMAGE020
表示外接矩形到图像标定矩形左上顶点间的像素间距；
Figure 642035DEST_PATH_IMAGE021
表示外接矩形到图像标定矩形左下顶点间的像素间距；
Figure 988702DEST_PATH_IMAGE022
表示外接矩形到图像标定矩形右上顶点间的像素间距；
Figure 463546DEST_PATH_IMAGE023
表示外接矩形到图像标定矩形右下顶点间的像素间距。
则图像标定矩形等于标定矩形与外接矩形之差乘以理论像素当量后再加上机械轴坐标，即图像标定矩形的计算公式如下：
Figure 568510DEST_PATH_IMAGE024
（3）
其中，
Figure 750093DEST_PATH_IMAGE025
表示图像标定矩形；
Figure 2083DEST_PATH_IMAGE026
表示图像上绘制得到的标定矩形；
Figure 901906DEST_PATH_IMAGE027
表示外接矩形；
Figure 530333DEST_PATH_IMAGE028
表示理论像素当量；
Figure 894318DEST_PATH_IMAGE001
表示机械轴坐标，即为参考图像采集时的机械轴坐标。
第1.4步骤、计算机械轴标定矩形：机械轴标定矩形为机械轴行程所限制的最大标定范围，则机械轴标定矩形等于机械轴X、Y方向行程范围矩形的左上、左下、右上、右下四个顶点分别减去机械轴坐标
Figure 254892DEST_PATH_IMAGE001
；机械轴标定矩形的计算公式如下：
Figure 704328DEST_PATH_IMAGE029
（4）
其中，
Figure 136447DEST_PATH_IMAGE030
表示机械轴标定矩形；
Figure 27042DEST_PATH_IMAGE031
表示机械轴行程范围矩形；
Figure 886414DEST_PATH_IMAGE032
表示机械轴坐标。
第1.5步骤、计算最终标定正方形：最终标定正方形由图像标定矩形
Figure 557567DEST_PATH_IMAGE025
和机械轴标定矩形
Figure 731059DEST_PATH_IMAGE033
的8个顶点的X、Y方向的16个机械坐标轴值中的最小值
Figure 806987DEST_PATH_IMAGE034
决定，最小值
Figure 837260DEST_PATH_IMAGE034
的计算公式如下：
Figure 995709DEST_PATH_IMAGE035
（5）
其中，
Figure 707313DEST_PATH_IMAGE036
表示求最小值；
Figure 697134DEST_PATH_IMAGE037
表示图像标定矩形
Figure 835992DEST_PATH_IMAGE038
左上角点的X方向的坐标值；
Figure 481737DEST_PATH_IMAGE039
表示图像标定矩形
Figure 731452DEST_PATH_IMAGE025
左上角点的Y方向的坐标值；
Figure 779043DEST_PATH_IMAGE040
表示图像标定矩形
Figure 151118DEST_PATH_IMAGE025
左下角点的X方向的坐标值；
Figure 221843DEST_PATH_IMAGE041
表示图像标定矩形
Figure 340496DEST_PATH_IMAGE025
左下角点的Y方向的坐标值；
Figure 242593DEST_PATH_IMAGE042
表示图像标定矩形
Figure 723253DEST_PATH_IMAGE025
右上角点的X方向的坐标值；
Figure 78011DEST_PATH_IMAGE043
表示图像标定矩形
Figure 935108DEST_PATH_IMAGE025
右上角点的Y方向的坐标值；
Figure 691712DEST_PATH_IMAGE044
表示图像标定矩形
Figure 343273DEST_PATH_IMAGE025
右下角点的X方向的坐标值；
Figure 450906DEST_PATH_IMAGE045
表示图像标定矩形
Figure 908432DEST_PATH_IMAGE025
右下角点的Y方向的坐标值；
Figure 457225DEST_PATH_IMAGE046
表示机械轴标定矩形
Figure 607584DEST_PATH_IMAGE047
左上角点的X方向的坐标值；
Figure 874617DEST_PATH_IMAGE048
表示机械轴标定矩形
Figure 135834DEST_PATH_IMAGE049
左上角点的Y方向的坐标值；
Figure 604380DEST_PATH_IMAGE050
表示机械轴标定矩形
Figure 863323DEST_PATH_IMAGE049
左下角点的X方向的坐标值；
Figure 679970DEST_PATH_IMAGE051
表示机械轴标定矩形
Figure 479298DEST_PATH_IMAGE052
左下角点的Y方向的坐标值；
Figure 2684DEST_PATH_IMAGE053
表示机械轴标定矩形
Figure 494845DEST_PATH_IMAGE054
右上角点的X方向的坐标值；
Figure 533208DEST_PATH_IMAGE055
表示机械轴标定矩形
Figure 73911DEST_PATH_IMAGE056
右上角点的Y方向的坐标值；
Figure 779699DEST_PATH_IMAGE057
表示机械轴标定矩形
Figure 177182DEST_PATH_IMAGE058
右下角点的X方向的坐标值；
Figure 906103DEST_PATH_IMAGE059
表示机械轴标定矩形
Figure 47235DEST_PATH_IMAGE058
右下角点的Y方向的坐标值。
最终标定正方形的中心点为机械轴坐标
Figure 598740DEST_PATH_IMAGE001
，最终标定正方形的计算公式如下：
Figure 104808DEST_PATH_IMAGE060
（6）
其中，
Figure 383342DEST_PATH_IMAGE061
表示最终标定正方形；
Figure 328165DEST_PATH_IMAGE062
表示最终标定正方形的左上角点，且
Figure 742965DEST_PATH_IMAGE062
的表达式如下：
Figure 685514DEST_PATH_IMAGE063
（7）
Figure 185765DEST_PATH_IMAGE064
表示最终标定正方形的左下角点，且
Figure 606382DEST_PATH_IMAGE064
的表达式如下：
Figure 141269DEST_PATH_IMAGE065
（8）
Figure 51456DEST_PATH_IMAGE066
表示最终标定正方形的右上角点，且
Figure 976687DEST_PATH_IMAGE066
的表达式如下：
Figure 263311DEST_PATH_IMAGE067
（9）
Figure 655634DEST_PATH_IMAGE068
表示最终标定正方形的右下角点，且
Figure 2302DEST_PATH_IMAGE069
的表达式如下：
Figure 477145DEST_PATH_IMAGE070
（10）
第2步骤、配置标定参数，计算标定带数量。
第2步骤包括以下步骤：
第2.1步骤、配置标定参数，标定参数包括标定圈距离和标定点数；其中，标定圈距离表示标定带之间的物理距离，单位为mm；标定点数表示标定点组成的正方形上一个边上标定点个数；
第2.2步骤、计算标定带数量：取第1步骤最终标定正方形的边长的一半除以标定圈距离得到标定带数量，即标定带数量的计算公式如下：
Figure 239565DEST_PATH_IMAGE071
（11）
其中，
Figure 483465DEST_PATH_IMAGE072
表示标定带数量；
Figure 1034DEST_PATH_IMAGE073
表示最终标定正方形的边长；
Figure 900857DEST_PATH_IMAGE074
表示标定圈距离。
第3步骤、划分标定带，计算各标定带上标定点机械轴坐标。
第3步骤包括以下步骤：
第3.1步骤、划分标定带：设
Figure 529284DEST_PATH_IMAGE075
为标定带的下标，第
Figure 565373DEST_PATH_IMAGE075
个标定带的外边缘正方形为
Figure 253843DEST_PATH_IMAGE003
，其中，i是大于等于1的正整数，
Figure 703279DEST_PATH_IMAGE003
的表达式如下：
Figure 872748DEST_PATH_IMAGE076
（12）
其中，
Figure 28923DEST_PATH_IMAGE077
表示外边缘正方形
Figure 888295DEST_PATH_IMAGE003
左上角点，且
Figure 497130DEST_PATH_IMAGE077
的表达式如下：
Figure 732940DEST_PATH_IMAGE078
（13）
Figure 805938DEST_PATH_IMAGE079
表示外边缘正方形
Figure 773894DEST_PATH_IMAGE003
左下角点，且
Figure 932343DEST_PATH_IMAGE080
的表达式如下：
Figure 440685DEST_PATH_IMAGE081
（14）
Figure 571452DEST_PATH_IMAGE082
表示外边缘正方形
Figure 772626DEST_PATH_IMAGE003
右上角点，且
Figure 418371DEST_PATH_IMAGE082
的表达式如下：
Figure 733333DEST_PATH_IMAGE083
（15）
Figure 780924DEST_PATH_IMAGE084
表示外边缘正方形
Figure 90682DEST_PATH_IMAGE003
右下角点，且
Figure 223723DEST_PATH_IMAGE085
的表达式如下：
Figure 339447DEST_PATH_IMAGE086
（16）
如图2所示，
Figure 179227DEST_PATH_IMAGE087
表示第1个标定带的外边缘正方形；
Figure 722204DEST_PATH_IMAGE088
表示第2个标定带的外边缘正方形；
Figure 14645DEST_PATH_IMAGE003
表示第
Figure 934059DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形；
Figure 628346DEST_PATH_IMAGE089
表示标定圈距离；
Figure 342224DEST_PATH_IMAGE001
表示机械轴坐标。
第3.2步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线：设
Figure 387540DEST_PATH_IMAGE002
为当前标定带的下标，
Figure 845066DEST_PATH_IMAGE090
为当前标定带正方形标定轨迹线，当前标定带正方形标定轨迹线是由提取当前标定带的中心骨架线得来，其中，i是大于等于1的正整数。当前标定带正方形标定轨迹线的表达式如下：
Figure 393859DEST_PATH_IMAGE091
（17）
其中，
Figure 558866DEST_PATH_IMAGE090
表示当前标定带正方形标定轨迹线；
Figure 888217DEST_PATH_IMAGE092
表示当前标定带正方形标定轨迹线
Figure 821537DEST_PATH_IMAGE090
左上角点，且
Figure 552733DEST_PATH_IMAGE092
的表达式如下：
Figure 811676DEST_PATH_IMAGE093
（18）
Figure 362743DEST_PATH_IMAGE094
表示当前标定带正方形标定轨迹线
Figure 365334DEST_PATH_IMAGE090
左下角点，且
Figure 951036DEST_PATH_IMAGE095
的表达式如下：
Figure 115301DEST_PATH_IMAGE096
（19）
Figure 419244DEST_PATH_IMAGE097
表示当前标定带正方形标定轨迹线
Figure 959947DEST_PATH_IMAGE090
右上角点，且
Figure 400155DEST_PATH_IMAGE097
的表达式如下：
Figure 63218DEST_PATH_IMAGE098
（20）
Figure 526560DEST_PATH_IMAGE099
表示当前标定带正方形标定轨迹线
Figure 936200DEST_PATH_IMAGE090
右下角点，且
Figure 434178DEST_PATH_IMAGE099
的表达式如下：
Figure 2562DEST_PATH_IMAGE100
（21）
第3.3步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线上所有标定点机械坐标：设
Figure 218780DEST_PATH_IMAGE002
为当前标定带下标，以当前标定带正方形标定轨迹线的左上角点为起点，以
Figure 163602DEST_PATH_IMAGE004
为移动间距，以
Figure 516086DEST_PATH_IMAGE005
为正方形标定轨迹线每个边上的移动次数，依次沿着当前标定带正方形标定轨迹线
Figure 255372DEST_PATH_IMAGE090
上边、右边、下边、左边移动，并将移动点的机械坐标依次塞入数组
Figure 755624DEST_PATH_IMAGE101
中，移动间距的计算公式如下：
Figure 441820DEST_PATH_IMAGE102
（22）
其中，
Figure 711127DEST_PATH_IMAGE004
表示移动间距；
Figure 824577DEST_PATH_IMAGE002
表示当前标定带下标；
Figure 812124DEST_PATH_IMAGE074
表示标定圈距离；
Figure 36432DEST_PATH_IMAGE103
表示标定点数。
正方形标定轨迹线每个边上的移动次数的计算公式如下：
Figure 425825DEST_PATH_IMAGE104
（23）
其中，
Figure 710176DEST_PATH_IMAGE005
表示正方形标定轨迹线每个边上的移动次数；
Figure 922370DEST_PATH_IMAGE103
表示标定点数。
数组
Figure 950369DEST_PATH_IMAGE101
的表达式如下：
Figure 194269DEST_PATH_IMAGE105
（24）
其中，
Figure 711838DEST_PATH_IMAGE106
表示当前标定带正方形标定轨迹线上边所有标定点机械坐标的数组；
Figure 611661DEST_PATH_IMAGE107
表示当前标定带正方形标定轨迹线右边所有标定点机械坐标的数组；
Figure 240088DEST_PATH_IMAGE108
表示当前标定带正方形标定轨迹线下边所有标定点机械坐标的数组；
Figure 338494DEST_PATH_IMAGE109
表示当前标定带正方形标定轨迹线左边所有标定点机械坐标的数组。
当前标定带正方形标定轨迹线上边所有标定点机械坐标的数组
Figure 964647DEST_PATH_IMAGE110
的表达式如下：
Figure 148504DEST_PATH_IMAGE111
（25）
其中，
Figure 518306DEST_PATH_IMAGE112
表示当前标定带正方形标定轨迹线上边第一次移动后的点机械轴坐标；
Figure 736797DEST_PATH_IMAGE113
表示当前标定带正方形标定轨迹线上边第二次移动后的点机械轴坐标；
Figure 533852DEST_PATH_IMAGE114
表示当前标定带正方形标定轨迹线上边第
Figure 205005DEST_PATH_IMAGE115
次移动后的点机械轴坐标；
Figure 178164DEST_PATH_IMAGE115
表示当前边上的移动的下标，且
Figure 188846DEST_PATH_IMAGE115
是大于等于2的正整数。
当前标定带正方形标定轨迹线上边第
Figure 219119DEST_PATH_IMAGE115
次移动后的点机械轴坐标
Figure 315251DEST_PATH_IMAGE116
的表达式如下：
Figure 89172DEST_PATH_IMAGE117
（26）
当前第
Figure 219939DEST_PATH_IMAGE002
个标定带正方形标定轨迹线右边所有标定点机械坐标的数组
Figure 421113DEST_PATH_IMAGE118
的表达式如下：
Figure 738962DEST_PATH_IMAGE119
（27）
其中，
Figure 316574DEST_PATH_IMAGE120
表示当前标定带正方形标定轨迹线右边第一次移动后的点机械轴坐标；
Figure 364164DEST_PATH_IMAGE121
表示当前标定带正方形标定轨迹线右边第二次移动后的点机械轴坐标；
Figure 673923DEST_PATH_IMAGE122
表示当前标定带正方形标定轨迹线右边第
Figure 541385DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标。
当前标定带正方形标定轨迹线右边第
Figure 594791DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标
Figure 496888DEST_PATH_IMAGE122
的表达式如下：
Figure 977548DEST_PATH_IMAGE124
（28）
当前第
Figure 589096DEST_PATH_IMAGE002
个标定带正方形标定轨迹线下边所有标定点机械坐标的数组
Figure 242931DEST_PATH_IMAGE125
的表达式如下：
Figure 202797DEST_PATH_IMAGE126
（29）
其中，
Figure 916675DEST_PATH_IMAGE127
表示当前标定带正方形标定轨迹线下边第一次移动后的点机械轴坐标；
Figure 696412DEST_PATH_IMAGE128
表示当前标定带正方形标定轨迹线下边第二次移动后的点机械轴坐标；
Figure 153939DEST_PATH_IMAGE129
表示当前标定带正方形标定轨迹线下边第
Figure 968311DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标。
当前标定带正方形标定轨迹线下边第
Figure 853090DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标
Figure 120123DEST_PATH_IMAGE129
的表达式如下：
Figure 381341DEST_PATH_IMAGE130
（30）
当前第
Figure 112536DEST_PATH_IMAGE002
个标定带正方形标定轨迹线左边所有标定点机械坐标的数组
Figure 105900DEST_PATH_IMAGE131
的表达式如下：
Figure 922546DEST_PATH_IMAGE132
（31）
其中，
Figure 925137DEST_PATH_IMAGE133
表示当前标定带正方形标定轨迹线左边第一次移动后的点机械轴坐标；
Figure 513769DEST_PATH_IMAGE134
表示当前标定带正方形标定轨迹线左边第二次移动后的点机械轴坐标；
Figure 678034DEST_PATH_IMAGE135
表示当前标定带正方形标定轨迹线左边第
Figure 981977DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标。
当前标定带正方形标定轨迹线左边第
Figure 522679DEST_PATH_IMAGE123
次移动后的点机械轴坐标
Figure 962888DEST_PATH_IMAGE136
的表达式如下：
Figure 563634DEST_PATH_IMAGE138
（32）
如图3所示，以一圈标定点数
Figure 89293DEST_PATH_IMAGE139
为例，图中的
Figure 433686DEST_PATH_IMAGE140
表示标定圈距离；
Figure 728402DEST_PATH_IMAGE141
为表示第1个标定带正方形标定轨迹线；
Figure 562365DEST_PATH_IMAGE142
表示第1个标定带的外边缘正方形；O1表示左上角点；O2表示左下角点；O3表示右上角点；O4表示右下角点。
第4步骤、对各标定带以此执行标定动作，移动机械轴到当前标定带各个标定点位置之后执行：采集图像、执行视觉模板匹配。视觉模板匹配由HALCON算法库提供，其主题思路为：根据在参考图像中绘制特征区域创建模板，然后在其他图像中匹配特征区域，获得特征区域的中心坐标及角度。
第4步骤包括以下步骤：
第4.1步骤：设
Figure 513004DEST_PATH_IMAGE002
为当前标定带的下标，取当前标定带的标定轨迹上所有标定点的机械坐标
Figure 457826DEST_PATH_IMAGE006
，依次移动机械轴到数组
Figure 810310DEST_PATH_IMAGE006
上各点位置采集图像并对图像执行视觉匹配算法，得到模板区域中心点像素坐标塞入数组
Figure 815175DEST_PATH_IMAGE007
中。
第4.2步骤：遍历所有标定带循环执行第4.1步骤。
第5步骤、计算各标定带手眼标定矩阵。手眼标定矩阵表示为：机械轴平面运动时图像坐标系
Figure 253110DEST_PATH_IMAGE143
下的像素移动间距转到机械轴坐标系
Figure 4553DEST_PATH_IMAGE144
下轴移动间距之间的关系矩阵；手眼标定矩阵
Figure 211543DEST_PATH_IMAGE145
为先旋转、再缩放的仿射变换矩阵：
Figure 387309DEST_PATH_IMAGE147
（33）
其中，
Figure 312540DEST_PATH_IMAGE148
表示
Figure 599165DEST_PATH_IMAGE149
方向的移动轴间距；
Figure 50875DEST_PATH_IMAGE150
表示
Figure 131963DEST_PATH_IMAGE151
方向的移动轴间距；
Figure 544490DEST_PATH_IMAGE152
表示
Figure 634806DEST_PATH_IMAGE153
轴在
Figure 816389DEST_PATH_IMAGE149
轴上的尺度因子；
Figure 333958DEST_PATH_IMAGE154
表示
Figure 33448DEST_PATH_IMAGE155
轴在
Figure 599558DEST_PATH_IMAGE156
轴上的尺度因子；
Figure 963544DEST_PATH_IMAGE157
表示旋转角度；
Figure 589697DEST_PATH_IMAGE158
表示
Figure 773554DEST_PATH_IMAGE153
方向上的移动像素间距；
Figure 143355DEST_PATH_IMAGE159
表示
Figure 424164DEST_PATH_IMAGE160
方向上的移动像素间距。需要说明的是，机械轴坐标系
Figure 283535DEST_PATH_IMAGE161
的坐标轴与图像坐标系
Figure 892371DEST_PATH_IMAGE143
的坐标轴大约平行。
第5步骤包括以下步骤：
第5.1步骤、计算当前标定带像素间距数组和对应的机械轴间距数组：设
Figure 862601DEST_PATH_IMAGE002
为当前标定带的下标，当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组为
Figure 935600DEST_PATH_IMAGE162
，即
Figure 903556DEST_PATH_IMAGE162
为
Figure 889153DEST_PATH_IMAGE007
中所有点坐标分别减去数组
Figure 600757DEST_PATH_IMAGE007
中第一个点的坐标的数组，当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组为
Figure 528262DEST_PATH_IMAGE009
，即
Figure 729436DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 312864DEST_PATH_IMAGE101
中所有点坐标分别减去数组
Figure 890476DEST_PATH_IMAGE101
中第一个点的坐标的数组；
第5.2步骤、计算当前标定带手眼变换矩阵：设
Figure 610170DEST_PATH_IMAGE002
为当前标定带的下标，当前手眼标定矩阵
Figure 982246DEST_PATH_IMAGE010
由当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组
Figure 52970DEST_PATH_IMAGE162
和当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组
Figure 168693DEST_PATH_IMAGE009
带入Halcon视觉库求解得出。
第5.3步骤：遍历所有标定带循环执行第5.1步骤和第5.2步骤。
第6步骤、分段式手眼标定矩阵的变换。
第6步骤包含以下步骤：
第6.1步骤：遍历上述各标定带转换到图像参考系下，设
Figure 8473DEST_PATH_IMAGE002
为标定带下标，第
Figure 551450DEST_PATH_IMAGE002
个标定带外边缘正方形
Figure 109470DEST_PATH_IMAGE003
转成图像参考系下的标定带，图像参考系下的第
Figure 763306DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形
Figure 457592DEST_PATH_IMAGE163
的计算公式如下：
Figure 439979DEST_PATH_IMAGE165
（34）
其中，
Figure 282033DEST_PATH_IMAGE163
表示图像参考系下的第
Figure 677243DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形；
Figure 553932DEST_PATH_IMAGE003
表示第
Figure 376394DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形；
Figure 705744DEST_PATH_IMAGE001
表示机械轴坐标；
Figure 904644DEST_PATH_IMAGE166
表示理论像素当量；
Figure 698157DEST_PATH_IMAGE167
表示图像中心点坐标。
第6.2步骤：计算图像参考系下的各标定带分割出来的线段：
当输入的像素轨迹线的起始点落在同一个标定带时，设这一标定带下标为
Figure 691521DEST_PATH_IMAGE002
，将输入的像素轨迹线的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 508167DEST_PATH_IMAGE168
完成转换。
当输入的像素轨迹线被各标定带分割成几个像素线段时，从输入的像素轨迹线的起点到终点方向按顺序遍历分割出的所有像素线段，遍历过程为：将像素线段的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 245179DEST_PATH_IMAGE168
后累加完成转换。
其中，
Figure 830881DEST_PATH_IMAGE168
表示当前遍历到的像素线段所在标定带的手眼标定矩阵。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
第1步骤、安装标定板采集图像，在图像中绘制特征区域创建匹配模板，绘制并计算标定范围；
第2步骤、配置标定参数，计算标定带数量；
第3步骤、划分标定带，计算各标定带上标定点机械轴坐标；
第4步骤、对各标定带以此执行标定动作，移动机械轴到当前标定带各个标定点位置之后执行：采集图像、执行视觉模板匹配；
第5步骤、计算各标定带手眼标定矩阵；
第6步骤、分段式手眼标定矩阵的变换。
2.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述手眼标定矩阵表示为：机械轴平面运动时图像坐标系下的像素移动间距转到机械轴坐标系下轴移动间距之间的关系矩阵。
3.根据权利要求2所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述机械轴坐标系的坐标轴与所述图像坐标系的坐标轴平行。
4.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：在所述第4步骤中，所述视觉模板匹配由HALCON算法库提供，根据在参考图像中绘制特征区域创建模板，然后在其他图像中匹配特征区域，获得特征区域的中心坐标及角度。
5.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第1步骤包括以下步骤：
第1.1步骤、将标定板放置到相机视野中心位置，采集清晰的标定板图像作为参考图像，绘制视觉匹配模板区域，创建视觉匹配模板，记录此时机械轴坐标
Figure 214672DEST_PATH_IMAGE001
；
第1.2步骤、计算理论像素当量：理论像素当量=相机像元尺寸/镜头放大倍率；
第1.3步骤、计算图像标定矩形：图像标定矩形为图像上的标定动作最大可移动范围，在参考图像上绘制与图像坐标轴平行的标定矩形，计算视觉匹配模板区域的最小且与图像坐标轴平行的外接矩形，得到外接矩形到标定矩形四个对应顶点间的像素间距，则图像标定矩形等于标定矩形与外接矩形之差乘以理论像素当量后再加上机械轴坐标
Figure 194130DEST_PATH_IMAGE001
；
第1.4步骤、计算机械轴标定矩形：机械轴标定矩形为机械轴行程所限制的最大标定范围，则机械轴标定矩形等于机械轴X、Y方向行程范围矩形的左上、左下、右上、右下四个顶点分别减去机械轴坐标
Figure 973867DEST_PATH_IMAGE001
；
第1.5步骤、计算最终标定正方形：最终标定正方形由图像标定矩形和机械轴标定矩形的8个顶点的X、Y方向的16个机械坐标轴值中的最小值决定。
6.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第2步骤包括以下步骤：
第2.1步骤、配置标定参数，标定参数包括标定圈距离和标定点数；其中，标定圈距离表示标定带之间的物理距离；标定点数表示标定点组成的正方形上一个边上标定点个数；
第2.2步骤、计算标定带数量：取第1步骤最终标定正方形的边长的一半除以标定圈距离得到标定带数量。
7.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第3步骤包括以下步骤：
第3.1步骤、划分标定带：第
Figure 431393DEST_PATH_IMAGE002
个标定带的外边缘正方形为
Figure 245765DEST_PATH_IMAGE003
；
第3.2步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线：当前标定带正方形标定轨迹线由提取当前标定带的中心骨架线得来；
第3.3步骤、计算当前标定带正方形标定轨迹线上所有标定点机械坐标：以当前标定带正方形标定轨迹线的左上角点为起点，以
Figure 130545DEST_PATH_IMAGE004
为移动间距，以
Figure 459895DEST_PATH_IMAGE005
为正方形标定轨迹线每个边上的移动次数，依次沿着当前标定带正方形标定轨迹线上边、右边、下边、左边移动，并将移动点的机械坐标依次塞入数组
Figure 658795DEST_PATH_IMAGE006
中。
8.根据权利要求1所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第4步骤包括以下步骤：
第4.1步骤：取当前标定带的标定轨迹上所有标定点的机械坐标
Figure 387061DEST_PATH_IMAGE007
，依次移动机械轴到数组
Figure 380425DEST_PATH_IMAGE007
上各点位置采集图像并对图像执行视觉匹配算法，得到模板区域中心点像素坐标塞入数组
Figure 197071DEST_PATH_IMAGE008
中；
第4.2步骤：遍历所有标定带循环执行第4.1步骤。
9.根据权利要求8所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第5步骤包括以下步骤：
第5.1步骤、计算当前标定带像素间距数组和对应的机械轴间距数组：当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组为
Figure 934083DEST_PATH_IMAGE009
，当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组为
Figure 519785DEST_PATH_IMAGE010
；
第5.2步骤、计算当前标定带手眼变换矩阵：当前手眼标定矩阵
Figure 949629DEST_PATH_IMAGE011
由当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的像素距离数组
Figure 253572DEST_PATH_IMAGE012
和当前标定带标定轨迹线上各点到第一点的机械轴距离数组
Figure 528695DEST_PATH_IMAGE010
带入Halcon视觉库求解得出；
第5.3步骤：遍历所有标定带循环执行第5.1步骤和第5.2步骤。
10.根据权利要求7所述的相机视野内分段式手眼标定方法，其特征在于：所述第6步骤包括以下步骤：
第6.1步骤：遍历上述各标定带转换到图像参考系下，第
Figure 234483DEST_PATH_IMAGE013
个标定带外边缘正方形
Figure 569649DEST_PATH_IMAGE003
转成图像参考系下的标定带；
第6.2步骤：计算图像参考系下的各标定带分割出来的线段：当输入的像素轨迹线的起始点落在同一个标定带时，将输入的像素轨迹线的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 360888DEST_PATH_IMAGE014
完成转换；当输入的像素轨迹线被各标定带分割成几个像素线段时，从输入的像素轨迹线的起点到终点方向按顺序遍历分割出的所有像素线段，遍历过程为：将像素线段的起点到终点X、Y方向的像素间距乘以
Figure 439702DEST_PATH_IMAGE015
后累加完成转换；其中，
Figure 999997DEST_PATH_IMAGE011
表示当前遍历到的像素线段所在标定带的手眼标定矩阵。
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