CN1236277C - 一种多视觉传感器检测系统全局标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，涉及对结构光三维视觉检测中传感器标定方法的改进。本发明的步骤是：系统构建-采集标定点-选定坐标系-安放靶标-采集靶标图像-计算特征点的三维物坐标-提取特征点的二维像坐标-重复提取特征点坐标-标定传感器-存储标定结果。本发明有利于提高整个视觉检测系统的精度，减少由于坐标系转换所带来的精度损失。

Description

一种多视觉传感器检测系统全局标定方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及对结构光三维视觉检测中传感器标定方法的改进。

背景技术

在诸多的视觉检测方法中，结构光三维视觉检测广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量；微电子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自动检测；软质、易碎零部件的检测；各种模具三维形状的检测；机器人的视觉导引等。视觉检测技术以其大量程、大视场、测量速度快、光条图像易于提取及较高精度等特点在工业环境中得到了愈来愈广泛的应用。最具有吸引力地是由视觉传感器阵列组成的大型物体(如航空构件等)空间三维尺寸多视觉传感器检测系统。这种系统柔性好，测量为非接触式，动态响应快，能满足大量生产“节拍”短的要求，而且整个测量过程高度自动化。要使整个多视觉传感器检测系统成为一个独立的测量系统，必须对整个系统进行标定，即确定系统中各个传感器与被测工件坐标系的相对位置关系，这一工作成为全局标定。在结构光三维视觉检测应用中，全局标定方法一直是一个关键的研究内容。目前，多视觉传感器检测系统的全局标定主要是“电子经纬仪对法”。该方法是利用两台电子经纬仪组成一双目立体三坐标测量系统，来提供空间高精度的三维标定点。由于电子经纬仪移动灵活，精度高，测量范围大，很适合现场标定，因而成为目前多视觉传感器检测系统全局标定的主要手段。多视觉传感器检测系统的全局标定实际上就是确定每个传感器单元相对于工件测量坐标系的位置关系，这样，系统测量出的数据才是具有实际工程意义的数据。目前利用电子经纬仪对进行全局标定的方法具体又分为“同名坐标统一法”和“中介坐标统一法”。

同名坐标统一法的标定步骤是：首先在实验室中完成摄像机的内部参数标定和系统中单个传感器的局部标定。这时，摄像机和传感器各部件的位置必须由良好的固定，不能发生变化，以保证所标定参数的有效性。然后，到测量现场，将所有传感器固定，构建好整个系统后，再由经纬仪对系统和每个传感器同时测量总体测量坐标系下的标定点，实现传感器的全局统一。

中介坐标统一法的标定步骤是：首先在实验室中完成摄像机的内部参数标定。这时，摄像机和传感器各部件的位置必须由良好的固定，不能发生变化，以保证所标定参数的有效性。其次，到测量现场，将所有传感器固定，构建好整个系统后，确定每个传感器的摄像机在某一标定靶标坐标系下的位置和方向。第三，由经纬仪对系统确定靶标坐标系在工件坐标系下的位置和方向，实现全局的统一。

“同名坐标统一法”和“中介坐标统一法”存在的不足是：第一、部分参数在实验室标定好后，在往现场运输的过程中，由于震动等无法克服的因素的影响，传感器各个部件的相对位置可能会发生变化，从而使得已经标定好的参数失真。第二、全局统一的过程中经过了多次坐标系的转换，不可避免地造成了精度的损失。现有的多视觉传感器检测系统的全局标定方法存在的不足，使得整个系统的检测精度很难达到较高的水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有方法存在的不足，提供一种精度较高，适合现场标定的多传感器视觉检测系的全局标定方法，进一步提高多视觉传感器检测系统测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种多视觉传感器检测系统全局标定方法，其特征在于按照以下步骤进行标定：

(1)在测量现场把整个多视觉传感器检测系统构建好，即确定每个视觉传感器的位置并加以固定，同时确定经纬仪的位置并加以固定；

(2)在测量现场，在适当的位置安放好用于标定经纬仪的标准靶尺，采集足够数量的标定点，把经纬仪对测量系统建好；

(3)根据不同被测工件的具体测量要求，选定工件坐标系，使用经纬仪对系统建立好工件坐标系；

(4)把一个具有鲜明特征点的标定靶标安放在合适的位置，应使系统中的每个视觉传感器以及经纬仪都能正常使用该靶标；靶标由两个平面组成，其夹角θ为45°≤θ≤135°，两个靶标面上有预先设置的特征点，靶标面为下述结构之一：

A、靶标甲，在靶标面上有两列三行凸起的黑色的矩形块，每行中矩形块的数量为2～100个，矩形块的间距为10～200mm，每个矩形块的四个顶点为特征点；

B、靶标乙，在靶标面上有成矩阵排列的圆孔，圆孔的行数和列数为3～100个，采用圆孔的中心作为特征点；

C、靶标丙，在靶标面上有成矩阵排列的十字叉丝，十字叉丝行数和列数为3～100个，以十字叉丝的交叉点作为特征点；

(5)开启多视觉传感器检测系统的电源，由多视觉传感器检测系统的视觉传感器采集靶标的图像，存储到计算机中；

(6)由经纬仪对靶标上的某一个特征点进行瞄准，读取其水平和俯仰角α和β的值并记录，然后计算该特征点在工件坐标系下的三维物坐标并存储到计算机中；

(7)采用相关的特征点提取算法获得靶标图像上该特征点对应的二维像坐标并存储到计算机中；

(8)重复(6)、(7)的工作，直到所获得的标定点满足标定所有的视觉传感器的需要；

(9)利用获得的标定点对整个多视觉传感器检测系统的每个视觉传感器进行标定，获得各个视觉传感器相对于工件坐标系的位置关系，完成全局标定；

(10)存储标定结果，以备后续测量使用。

本发明方法的优点是：第一、实现了在测量现场摄像机内部参数标定和传感器全局标定的统一，避免了传感器搬运过程和安装过程中可能引起的传感器参数的变化而产生的精度损失，保证了标定状态和工作状态的一致性，有利于提高整个视觉检测系统的精度。第二、减少了坐标转换次数，从而减少了由坐标系转换所带来的精度损失。

附图说明

图1是一种标定靶标的示意图。

图2是结构光视觉传感器的实物图。图2中，1是壳体，2是CCD视窗，3是激光器出射口。

具体实施方式

下面对本发明方法做进一步详细说明。本发明方法又称“世界坐标唯一法”，它进行多视觉传感器检测系统全局标定的基本思路是：在测量现场，直接由经纬仪对测量系统获得世界工件坐标系下的特征点作为标定点，用于同时标定摄像机的内部参数和传感器的外部参数。这样，整个系统中每个传感器标定完毕后，便获得了各个摄像机的内部参数，并同时实现了各个传感器的全局统一，即完成了系统的全局标定。

使用本发明进行多视觉传感器检测系统全局标定的具体步骤如下：

(1)在测量现场把整个多视觉传感器检测系统构建好，即确定每个视觉传感器的位置并加以固定，同时确定经纬仪的位置并加以固定。

(2)在测量现场，在适当的位置安放好用于标定经纬仪的标准靶尺，采集足够数量的标定点，把经纬仪对测量系统建好；建立经纬仪的具体方法是已知技术，可以参见罗明著《多传感器视觉检测系统及其应用研究》，天津大学博士论文，1996。

(3)根据不同被测工件的具体测量要求，选定工件坐标系，使用经纬仪对系统建立好工件坐标系。工件坐标系的建立一般根据其设计图纸来进行，即工件在所建立的工件坐标系的下各种尺寸和公差与图纸上所标示的完全一致。

(4)把一个具有鲜明特征点的标定靶标安放在合适的位置，应使系统中的每个视觉传感器以及经纬仪都能正常使用该靶标。通俗地说，要使系统中的每个视觉传感器以及经纬仪都能“看到”靶标，即能从靶标上获取标定所需要的足够多的特征点。靶标由两个平面组成，其夹角θ为45°≤θ≤135°，两个靶标面上有预先设置的特征点，靶标面为下述结构之一：

A、靶标甲，在靶标面上有两列三行凸起的黑色的矩形块，每行中矩形块的数量为2～100个，矩形块的间距为10～200mm，每个矩形块的四个顶点为特征点。

B、靶标乙，在靶标面上有成矩阵排列的圆孔，圆孔的行数和列数为3～100个，采用圆孔的中心作为特征点。

C、靶标丙，在靶标面上有成矩阵排列的十字叉丝，十字叉丝行数和列数为3～100个，以十字叉丝的交叉点作为特征点。

如图1所示，这是靶标甲的一种实施例，靶标面上黑色方块的角点为特征点，θ＝90°。

(5)开启多视觉传感器检测系统的电源，由多视觉传感器检测系统的视觉传感器采集靶标的图像，存储到计算机中。

(6)由经纬仪对靶标上的某一个特征点进行瞄准，读取其水平和俯仰角α和β的值并记录，然后计算该特征点在工件坐标系下的三维物坐标并存储到计算机中。具体技术方法可以参见罗明著《多传感器视觉检测系统及其应用研究》，天津大学博士论文，1996。

(7)采用相关的特征点提取算法获得靶标图像上该特征点对应的二维像坐标并存储到计算机中。特征点提取算法参见C.G.Harris and M.J.Stephens的文章“一种综合的角点和边缘探测器”[A combined corner andedge detector]，第四届Alvey视觉会议论文集，曼彻斯特，第147～151页，1988年。[Proceedings Fourth Alvey Vision Conference，Manchester.pp 147～151，1988]和魏振忠、张广军的文章“结构光视觉检测中直棱边特征点自动提取方法”，2002全国光电技术学术交流会议论文集，第196～199页。

(8)重复(6)、(7)的工作，直到所获得的标定点满足标定所有的视觉传感器的需要。

(9)利用获得的标定点对整个多视觉传感器检测系统的每个视觉传感器进行标定，获得各个视觉传感器相对于工件坐标系的位置关系，完成全局标定。

(10)存储标定结果，以备后续测量使用。

实施例

利用本发明的方法，对由如图2所示的五个结构光视觉传感器构成的多视觉传感器检测系统进行了标定。需要标定的参数如式[1]和式[2]所示：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\·X\\ \mathrm{\ω}\·Y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中 $R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]$ 为旋转矩阵， $t=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$ 为平移矢量，ω为比例因子，是一常数。

光平面方程的方程可描述为：a·x_w+b·y_w+c·z_w+d＝0  [2]

标定的结果如下：

(1)传感器一：

$\·R=\left[\begin{array}{ccc}0.347027& 0.244612& -0.905393\\ -0.627354& 0.778147& -0.030224\\ 0.697136& 0.578491& 0.423497\end{array}\right]$   $t=\left[\begin{array}{c}55.099585\\ 9.309396\\ 491.199576\end{array}\right]$

·结构光平面方程系数

[a b c d]＝[0.003167 0.001147 -0.014804 1.390404]

(2)传感器二：

$\·R=\left[\begin{array}{ccc}0.180767& 0.352066& -0.918353\\ -0.869409& 0.493760& 0.018158\\ 0.459839& 0.795142& 0.395344\end{array}\right]$   $t=\left[\begin{array}{c}11.624459\\ 22.440675\\ 544.071467\end{array}\right]$

·结构光平面方程系数

[a b c d]＝[-0.002036 0.000763 -0.018162 0.598640]

(3)传感器三：

$\·R=\left[\begin{array}{ccc}0.183649& 0.330879& -0.925631\\ -0.820275& 0.570485& 0.041182\\ 0.541685& 0.751708& 0.376180\end{array}\right]$   $t=\left[\begin{array}{c}67.876501\\ 8.940593\\ 515.987783\end{array}\right]$

·结构光平面方程系数

[a b c d]＝[0.171965 -0.134121 2.392007 -228.244697]

(4)传感器四：

$\·R=\left[\begin{array}{ccc}0.251127& 0.301105& -0.919930\\ -0.776509& 0.630079& -0.005742\\ 0.577900& 0.715776& 0.392041\end{array}\right]$   $t=\left[\begin{array}{c}56.021709\\ 14.672523\\ 509.689664\end{array}\right]$

·结构光平面方程系数

[a b c d]＝[-0.049510 0.175063 -3.77078035 0.999684]

(5)传感器五：

$\·R=\left[\begin{array}{ccc}0.289718& 0.302576& -0.908026\\ -0.750725& 0.660327& -0.019492\\ 0.593696& 0.687325& 0.418460\end{array}\right]$   $t=\left[\begin{array}{c}47.350343\\ -1.241391\\ 494.465622\end{array}\right]$

·结构光平面方程系数

[a b c d]＝[-0.053936 -0.153525 2.731544 -248.999779]

利用以上标定的由五个结构光视觉传感器组成的检测系统，对标准长度为1021.413mm的尺子进行了测量，测量精度达到了0.373mm。

Claims (1)

1、一种多视觉传感器检测系统全局标定方法，其特征在于按照以下步骤进行标定：

(1)在测量现场把整个多视觉传感器检测系统构建好，即确定每个视觉传感器的位置并加以固定，同时确定经纬仪的位置并加以固定；

(2)在测量现场，在适当的位置安放好用于标定经纬仪的标准靶尺，采集足够数量的标定点，把经纬仪对测量系统建好；

(3)根据不同被测工件的具体测量要求，选定工件坐标系，使用经纬仪对系统建立好工件坐标系；

(4)把一个具有鲜明特征点的标定靶标安放在合适的位置，应使系统中的每个视觉传感器以及经纬仪都能正常使用该靶标；靶标由两个平面组成，其夹角θ为45°≤θ≤135°，两个靶标面上有预先设置的特征点，靶标面为下述结构之一：

A、靶标甲，在靶标面上有两列三行凸起的黑色的矩形块，每行中矩形块的数量为2～100个，矩形块的间距为10～200mm，每个矩形块的四个顶点为特征点；

B、靶标乙，在靶标面上有成矩阵排列的圆孔，圆孔的行数和列数为3～100个，采用圆孔的中心作为特征点；

C、靶标丙，在靶标面上有成矩阵排列的十字叉丝，十字叉丝行数和列数为3～100个，以十字叉丝的交叉点作为特征点；

(5)开启多视觉传感器检测系统的电源，由多视觉传感器检测系统的视觉传感器采集靶标的图像，存储到计算机中；

(6)由经纬仪对靶标上的某一个特征点进行瞄准，读取其水平和俯仰角α和β的值并记录，然后计算该特征点在工件坐标系下的三维物坐标并存储到计算机中；

(7)采用相关的特征点提取算法获得靶标图像上该特征点对应的二维像坐标并存储到计算机中；

(8)重复(6)、(7)的工作，直到所获得的标定点满足标定所有的视觉传感器的需要；

(9)利用获得的标定点对整个多视觉传感器检测系统的每个视觉传感器的旋转矩阵R、平移矢量t、比例因子ω、光平面方程系数a、b、c、d进行标定，获得各个视觉传感器相对于工件坐标系的位置关系，完成全局标定；

(10)存储标定结果，以备后续测量使用。