大幅面多相機(jī)高精度定位及測(cè)量解決方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上大幅面多相機(jī)高精度定位及測(cè)量解決方案日期：2011年12月27日 14:58隨著機(jī)器視覺應(yīng)用的日益廣泛，大幅面多相機(jī)視覺系統(tǒng)的需求越來越多，主要應(yīng)用方向?yàn)榇蠓娓呔鹊亩ㄎ慌c測(cè)量和場(chǎng)景拼接等。多相機(jī)視覺系統(tǒng)的難點(diǎn)在于多相機(jī)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，可以分為兩類，一是相機(jī)視野間無重疊部分，二是相機(jī)視野間有重疊部分。相機(jī)間無重疊部分的情況主要用于大幅面多相機(jī)高精度的定位和測(cè)量，相機(jī)間有重疊部分的情況主要用于場(chǎng)景的拼接等使用大標(biāo)定板統(tǒng)一坐標(biāo)的方法方案簡(jiǎn)介：此方法采用一塊大標(biāo)定板來統(tǒng)一各個(gè)相機(jī)的坐標(biāo)，每個(gè)大標(biāo)定板中有若干小標(biāo)定板，各個(gè)小標(biāo)定板間的位置關(guān)系都是已知的，各個(gè)相機(jī)都能拍攝到一個(gè)

2、小標(biāo)定板。通過各個(gè)小標(biāo)定板可以標(biāo)定每個(gè)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，每個(gè)相機(jī)的坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換到各個(gè)小標(biāo)定板的坐標(biāo)系上，從而統(tǒng)一各個(gè)相機(jī)的坐標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：相機(jī)在各個(gè)位置拍攝mark圖像，通過圖像處理方法得到mark坐標(biāo)常用的標(biāo)定板形式：上圖所示為單個(gè)標(biāo)定板圖像，大標(biāo)定板由若干單個(gè)標(biāo)定板組成，標(biāo)定板的大小和數(shù)量根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況而定。多個(gè)標(biāo)定板組合示意圖：案例分析：（1）檢測(cè)目標(biāo)分析測(cè)量產(chǎn)品需要若干個(gè)測(cè)量指標(biāo)。如下圖所示。（2）圖像獲取采用4只相機(jī)來完成所有項(xiàng)目的測(cè)量，分別拍到的照片如下圖所示。（3）檢測(cè)流程先分別利用每張圖的兩條垂直邊計(jì)算出它們的交點(diǎn)，那么得到的4個(gè)交點(diǎn)就可以算出L1和L2的值，如下圖

3、所示。利用4個(gè)邊角圖來測(cè)量4個(gè)角的L3，如下圖所示，這里可以選擇測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，也可以取它們的平均值。注意事項(xiàng)：此種方法需要將多只相機(jī)的坐標(biāo)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，并且單一相機(jī)還要做自己的校準(zhǔn)，保證精度。根據(jù)檢測(cè)要求，設(shè)置取多少個(gè)點(diǎn)作為參考，但是這影響測(cè)試的時(shí)間，需酌情考慮。 應(yīng)用領(lǐng)域：手機(jī)和平板電腦面板尺寸的檢測(cè)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一坐標(biāo)的方法方案簡(jiǎn)介：此方法采用相機(jī)和被測(cè)物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來統(tǒng)一相機(jī)的坐標(biāo)，相機(jī)和被測(cè)物只要一方運(yùn)動(dòng)即可，記錄各個(gè)位置的坐標(biāo)，然后通過數(shù)學(xué)運(yùn)算來統(tǒng)一坐標(biāo)。通常情況下是相機(jī)位置固定，被測(cè)物通過機(jī)械手等運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行移動(dòng)，然后把相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一到機(jī)械手等運(yùn)動(dòng)裝置的原點(diǎn)?？傮w結(jié)構(gòu)

4、：方法介紹： 通過相機(jī)拍攝的圖像對(duì)mark點(diǎn)進(jìn)行定位，從而計(jì)算出被測(cè)物相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差，包含角度偏差和位移偏差，最終確定機(jī)械裝置需要旋轉(zhuǎn)的角度和平移的距離。選用手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼的定位系統(tǒng)來介紹算法原理。手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼的定位系統(tǒng)，使用多支相機(jī)代替一支相機(jī)的方法進(jìn)行定位，使手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼精確組裝。相機(jī)分為兩組，每組兩支相機(jī)，一組拍攝手機(jī)外殼(組1)，一組拍攝觸摸屏(組2)，兩組相機(jī)標(biāo)定方法相同，下面只介紹拍攝手機(jī)外殼的兩支相機(jī)的標(biāo)定。相機(jī)固定，機(jī)械手吸住手機(jī)外殼移動(dòng)，兩支相機(jī)分別拍攝手機(jī)外殼的兩個(gè)定位孔，使用模板匹配的方法對(duì)兩個(gè)定位孔進(jìn)行識(shí)別，如下圖所示：（1）通過機(jī)械手的移動(dòng)

5、獲取標(biāo)定所用坐標(biāo)組1相機(jī)1： 把mark點(diǎn)移動(dòng)到相機(jī)視野中，定相機(jī)的初始位置，得到初始mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point11(cRow11, cColumn11)，機(jī)械手沿X方向移動(dòng)一定距離(5mm)后得到mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point12 (cRow12, cColumn12)，機(jī)械手沿Y方向移動(dòng)一定距離(6mm)后得到mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point13(cRow13, cColumn13)，同時(shí)可以得到在上述三個(gè)位置機(jī)械手的空間坐標(biāo)Robot11(X10，Y10)、 Robot12(X11，Y11) 、Robot13(X12，Y12)。組1相機(jī)2： 同上，把相同mark點(diǎn)移動(dòng)到相機(jī)視野中，通過

6、相同的操作得到坐標(biāo)：Point21 (cRow21, cColumn21)、Point22 (cRow22, cColumn22)、Point23 (cRow23, cColumn23)、Robot21 (X20，Y20)、 Robot22(X21，Y22)、Robot23(X22，Y22)。（2） 圖像距離和實(shí)際距離之間轉(zhuǎn)換比例關(guān)系的確定：通過數(shù)學(xué)運(yùn)算可計(jì)算得到比例關(guān)系。（3） 標(biāo)準(zhǔn)線斜率求?。盒枰趦蓚€(gè)相機(jī)的視野中各選取一點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，然后求取此標(biāo)準(zhǔn)線在機(jī)械手坐標(biāo)系中的斜率。調(diào)整機(jī)械手到合適位置，確定此處為標(biāo)準(zhǔn)位置，此時(shí)組1的兩支相機(jī)分別拍攝初始位置的兩個(gè)不同的mark點(diǎn)的圖

7、像。通過模板匹配方法找到兩個(gè)相機(jī)初始位置視野中兩個(gè)mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point10(Row10,Column10)和Point20(Row20,Column20)，Point10和Point20確定為標(biāo)準(zhǔn)線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)。求取Point10在機(jī)械手中的坐標(biāo)如圖6所示，下圖中XOY是機(jī)械手坐標(biāo)系，X1O1Y1是組1相機(jī)1的圖像坐標(biāo)。通過點(diǎn)到直線的距離運(yùn)算可以得到d14，d15和d16的實(shí)際長(zhǎng)度，由于在移動(dòng)過程中使用的是同一個(gè)mark點(diǎn)，d1，d2，d3在相機(jī)1和相機(jī)2的視野中的值是一樣的。從而可以得到Point10在機(jī)械手坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)為：Point10X=X11+d16+d2，Point

8、10Y=Y11+(d1-d15)。同樣可以得到Point20在機(jī)械手坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)：Point20X=X21+d26+d2，Point20Y=Y21+(d1-d25)。求取該標(biāo)準(zhǔn)線斜率;K=(Point20Y-Point10Y)/(Ponit20X-Point20Y)=(Y21-Y11-d25+d15)/(X21-X11+d26-d16)之后在每次定位時(shí)需要和此標(biāo)準(zhǔn)線的斜率進(jìn)行比較，從而得到和標(biāo)準(zhǔn)線的夾角，最后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正。注意：由于Point10和Point20會(huì)落在不同的位置，在計(jì)算Point10和Point20的實(shí)際坐標(biāo)時(shí)上述公式會(huì)有所變化，但原理相同。（1） 旋轉(zhuǎn)中心的確定依據(jù)三個(gè)

9、點(diǎn)就可以確定一個(gè)圓的原理，讓機(jī)械手在初始位置旋轉(zhuǎn)三次，得到Robot31，Robot32和Robot33三個(gè)相對(duì)于機(jī)械手坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn)，三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)就可以求出旋轉(zhuǎn)圓心的坐標(biāo)。定位校準(zhǔn) 以后在每次進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，得到的結(jié)果都和標(biāo)準(zhǔn)線進(jìn)行比較，可以得到和標(biāo)準(zhǔn)線的夾角和相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的位置偏差，根據(jù)得到的角度和位置偏差進(jìn)行校正。在校正過程中需要先旋轉(zhuǎn)后平移，做一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)校正。應(yīng)用領(lǐng)域：手機(jī)或平板電腦觸摸屏和外殼的裝配定位。標(biāo)定方法拼接圖像方案簡(jiǎn)介：對(duì)于有些大幅面物體 ，可以通過拍攝多幅圖像，每幅圖像覆蓋物體的不同的部分。如果攝像機(jī)經(jīng)過標(biāo)定并且它們與一個(gè)共有的世界坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系已知，就可以

10、通過不同的圖像進(jìn)行精確測(cè)量。甚至可以將多幅圖像拼接為一副覆蓋整個(gè)物體的大圖，這個(gè)可以通過將每幅圖像都校正到同一個(gè)測(cè)量平面上實(shí)現(xiàn)。在結(jié)果圖像上，可以直接在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行測(cè)量。圖像拼接示意圖：安裝：兩個(gè)攝像機(jī)或多個(gè)攝像機(jī)必須安裝在一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)上，并且每幅圖像覆蓋整個(gè)場(chǎng)景的一部分。攝像機(jī)的方位可以隨意，也就是說不需要它們看起來平行或垂直于物體表面。調(diào)整攝像機(jī)焦距、燈光以及交迭區(qū)域，使用一個(gè)大的可以覆蓋整個(gè)視野的參照物。為了保證可以將多幅圖像拼接為一副大圖，它們之間必須存在一個(gè)小的交迭區(qū)域。交迭區(qū)域可以很小，因?yàn)檫@個(gè)交迭區(qū)域只是為了保證在拼接的結(jié)果圖像中沒有縫隙，下圖為交疊區(qū)域示意圖。標(biāo)定：圖像的

11、標(biāo)定可以分為兩個(gè)步驟。確定每個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參。可以分別對(duì)每個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定求取攝像機(jī)的內(nèi)參。確定所有攝像機(jī)的外參。因?yàn)樽詈笠獙⑺械膱D像轉(zhuǎn)換到某一個(gè)世界坐標(biāo)系中，所以需要使用一個(gè)大的標(biāo)定物，這個(gè)標(biāo)定物可以出現(xiàn)在所有的圖像中，它可以由多個(gè)標(biāo)定板組合而成，標(biāo)定板的數(shù)量和使用攝像機(jī)的數(shù)量一致。下圖為兩個(gè)相機(jī)分別拍攝到的標(biāo)定圖像。 注意：為了確定攝像機(jī)的外參，每個(gè)攝像機(jī)只需要拍攝一副標(biāo)定圖像就已經(jīng)足夠。標(biāo)定物在多個(gè)攝像機(jī)分別進(jìn)行拍攝標(biāo)定圖像的過程中不可以移動(dòng)。理想情況下，這些標(biāo)定圖像應(yīng)該同時(shí)獲取。將單個(gè)圖像拼接為一個(gè)大圖：首先，每幅圖像都必須進(jìn)行校正，將這些圖像轉(zhuǎn)換到一個(gè)共有的坐標(biāo)系中，它們之

12、間就會(huì)正確匹配。在得到所有進(jìn)行校正圖像需要的映射圖后，使用兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的每個(gè)圖像對(duì)都可以進(jìn)行校正并且高效的拼接。拼接的結(jié)果圖由兩幅校正后的圖像組成，每個(gè)校正后的圖像占圖像的一個(gè)部分，下圖為校正后的圖像和拼接結(jié)果。應(yīng)用領(lǐng)域：液晶面板表面質(zhì)量的檢測(cè)非標(biāo)定方法拼接圖像簡(jiǎn)介：此種方法和前三種方法相比精度較低，適用于不需要實(shí)現(xiàn)高精度拼接的應(yīng)用場(chǎng)合。這種拼接方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，并且每幅單獨(dú)的圖像可以自動(dòng)進(jìn)行排列。拍攝單幅圖像規(guī)則：在拍攝每幅圖像時(shí)需要遵循下面這些規(guī)則：（1）相鄰的圖像之間必須有交迭（2）圖像之間的交迭區(qū)域必須有比較明顯的特征，這樣就可以保證比較精確的自動(dòng)匹配過程。如果在某些

13、交迭區(qū)域內(nèi)的特征不明顯那么可以通過定義合適的圖像對(duì)來克服。如果整個(gè)物體的特征都不是特別明顯，那么交迭區(qū)域就應(yīng)該更大一些。（3）交迭的圖像的縮放比例必須大約相等。一般情況下，縮放比例的不同不能超過 510（4）這些圖像的亮度應(yīng)該相似，至少在交迭區(qū)域部分的亮度相似。否則，如果亮度區(qū)別非常明顯的話，圖像之間的接縫在結(jié)果圖像中就非常明顯，如下圖所示。定義交疊圖像對(duì)： 需要定義一些交迭圖像對(duì)，通過匹配確定這些圖像對(duì)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。匹配的過程只會(huì)應(yīng)用在這些交迭圖像對(duì)上。 如果需要拼接的圖像比較多，或者交迭圖像每行圖像比較多，此時(shí)合理徹底地安排圖像對(duì)的配置十分重要。否則就可能有些圖像不能實(shí)現(xiàn)精確匹配。這主要是因?yàn)樵肼曉斐牲c(diǎn)坐標(biāo)的一些誤差導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計(jì)算圖像之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這些誤差會(huì)由一個(gè)圖像傳到下一幅圖像上。提取圖像中的特征點(diǎn)：提取出的特征點(diǎn)的數(shù)量影響運(yùn)行時(shí)間以及匹配的結(jié)果。特征點(diǎn)的數(shù)量越多，匹配的過程就越慢。但是太少的特征點(diǎn)將增大產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果的可能性。在交迭的區(qū)域中匹配特征點(diǎn)并且確定圖像之間轉(zhuǎn)換關(guān)系：在進(jìn)行圖像拼接過程中最重要的任務(wù)就是圖像對(duì)之間的匹配過程。匹配的圖像對(duì)可以有任意的平移和旋轉(zhuǎn)，唯一的要求就是圖像應(yīng)該有大約相同的縮放比例。如果圖像之間平移和旋轉(zhuǎn)的信息可用，它就可以用來限