專利名稱：一種多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測中傳感器標(biāo)定方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
在諸多的視覺檢測方法中，結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測廣泛地應(yīng)用于工件的完整性、表面平整度的測量；微電子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自動檢測；軟質(zhì)、易碎零部件的檢測；各種模具三維形狀的檢測；機器人的視覺導(dǎo)引等。視覺檢測技術(shù)以其大量程、大視場、測量速度快、光條圖像易于提取及較高精度等特點在工業(yè)環(huán)境中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。最具有吸引力地是由視覺傳感器陣列組成的大型物體(如航空構(gòu)件等)空間三維尺寸多視覺傳感器檢測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)柔性好，測量為非接觸式，動態(tài)響應(yīng)快，能滿足大量生產(chǎn)“節(jié)拍”短的要求，而且整個測量過程高度自動化。要使整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)成為一個獨立的測量系統(tǒng)，必須對整個系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即確定系統(tǒng)中各個傳感器與被測工件坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系，這一工作成為全局標(biāo)定。在結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測應(yīng)用中，全局標(biāo)定方法一直是一個關(guān)鍵的研究內(nèi)容。目前，多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的全局標(biāo)定主要是“電子經(jīng)緯儀對法”。該方法是利用兩臺電子經(jīng)緯儀組成一雙目立體三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，來提供空間高精度的三維標(biāo)定點。由于電子經(jīng)緯儀移動靈活，精度高，測量范圍大，很適合現(xiàn)場標(biāo)定，因而成為目前多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定的主要手段。多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的全局標(biāo)定實際上就是確定每個傳感器單元相對于工件測量坐標(biāo)系的位置關(guān)系，這樣，系統(tǒng)測量出的數(shù)據(jù)才是具有實際工程意義的數(shù)據(jù)。目前利用電子經(jīng)緯儀對進(jìn)行全局標(biāo)定的方法具體又分為“同名坐標(biāo)統(tǒng)一法”和“中介坐標(biāo)統(tǒng)一法”。
同名坐標(biāo)統(tǒng)一法的標(biāo)定步驟是首先在實驗室中完成攝像機的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和系統(tǒng)中單個傳感器的局部標(biāo)定。這時，攝像機和傳感器各部件的位置必須由良好的固定，不能發(fā)生變化，以保證所標(biāo)定參數(shù)的有效性。然后，到測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定，構(gòu)建好整個系統(tǒng)后，再由經(jīng)緯儀對系統(tǒng)和每個傳感器同時測量總體測量坐標(biāo)系下的標(biāo)定點，實現(xiàn)傳感器的全局統(tǒng)一。
中介坐標(biāo)統(tǒng)一法的標(biāo)定步驟是首先在實驗室中完成攝像機的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定。這時，攝像機和傳感器各部件的位置必須由良好的固定，不能發(fā)生變化，以保證所標(biāo)定參數(shù)的有效性。其次，到測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定，構(gòu)建好整個系統(tǒng)后，確定每個傳感器的攝像機在某一標(biāo)定靶標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向。第三，由經(jīng)緯儀對系統(tǒng)確定靶標(biāo)坐標(biāo)系在工件坐標(biāo)系下的位置和方向，實現(xiàn)全局的統(tǒng)一。
“同名坐標(biāo)統(tǒng)一法”和“中介坐標(biāo)統(tǒng)一法”存在的不足是第一、部分參數(shù)在實驗室標(biāo)定好后，在往現(xiàn)場運輸?shù)倪^程中，由于震動等無法克服的因素的影響，傳感器各個部件的相對位置可能會發(fā)生變化，從而使得已經(jīng)標(biāo)定好的參數(shù)失真。第二、全局統(tǒng)一的過程中經(jīng)過了多次坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，不可避免地造成了精度的損失?，F(xiàn)有的多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的全局標(biāo)定方法存在的不足，使得整個系統(tǒng)的檢測精度很難達(dá)到較高的水平。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有方法存在的不足，提供一種精度較高，適合現(xiàn)場標(biāo)定的多傳感器視覺檢測系的全局標(biāo)定方法，進(jìn)一步提高多視覺傳感器檢測系統(tǒng)測量精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行標(biāo)定(1)在測量現(xiàn)場把整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)構(gòu)建好，即確定每個視覺傳感器的位置并加以固定，同時確定經(jīng)緯儀的位置并加以固定；(2)在測量現(xiàn)場，在適當(dāng)?shù)奈恢冒卜藕糜糜跇?biāo)定經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)靶尺，采集足夠數(shù)量的標(biāo)定點，把經(jīng)緯儀對測量系統(tǒng)建好；(3)根據(jù)不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標(biāo)系，使用經(jīng)緯儀對系統(tǒng)建立好工件坐標(biāo)系；(4)把一個具有鮮明特征點的標(biāo)定靶標(biāo)安放在合適的位置，應(yīng)使系統(tǒng)中的每個視覺傳感器以及經(jīng)緯儀都能正常使用該靶標(biāo)；靶標(biāo)由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標(biāo)面上有預(yù)先設(shè)置的特征點，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數(shù)量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特征點；B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數(shù)和列數(shù)為3～100個，采用圓孔的中心作為特征點；C、靶標(biāo)丙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數(shù)和列數(shù)為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特征點；(5)開啟多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的電源，由多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的視覺傳感器采集靶標(biāo)的圖像，存儲到計算機中；(6)由經(jīng)緯儀對靶標(biāo)上的某一個特征點進(jìn)行瞄準(zhǔn)，讀取其水平和俯仰角α和β的值并記錄，然后計算該特征點在工件坐標(biāo)系下的三維物坐標(biāo)并存儲到計算機中；(7)采用相關(guān)的特征點提取算法獲得靶標(biāo)圖像上該特征點對應(yīng)的二維像坐標(biāo)并存儲到計算機中；(8)重復(fù)(6)、(7)的工作，直到所獲得的標(biāo)定點滿足標(biāo)定所有的視覺傳感器的需要；(9)利用獲得的標(biāo)定點對整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的每個視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲得各個視覺傳感器相對于工件坐標(biāo)系的位置關(guān)系，完成全局標(biāo)定；(10)存儲標(biāo)定結(jié)果，以備后續(xù)測量使用。
本發(fā)明方法的優(yōu)點是第一、實現(xiàn)了在測量現(xiàn)場攝像機內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和傳感器全局標(biāo)定的統(tǒng)一，避免了傳感器搬運過程和安裝過程中可能引起的傳感器參數(shù)的變化而產(chǎn)生的精度損失，保證了標(biāo)定狀態(tài)和工作狀態(tài)的一致性，有利于提高整個視覺檢測系統(tǒng)的精度。第二、減少了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而減少了由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換所帶來的精度損失。
圖1是一種標(biāo)定靶標(biāo)的示意圖。
圖2是結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的實物圖。圖2中，1是殼體，2是CCD視窗，3是激光器出射口。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明方法又稱“世界坐標(biāo)唯一法”，它進(jìn)行多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定的基本思路是在測量現(xiàn)場，直接由經(jīng)緯儀對測量系統(tǒng)獲得世界工件坐標(biāo)系下的特征點作為標(biāo)定點，用于同時標(biāo)定攝像機的內(nèi)部參數(shù)和傳感器的外部參數(shù)。這樣，整個系統(tǒng)中每個傳感器標(biāo)定完畢后，便獲得了各個攝像機的內(nèi)部參數(shù)，并同時實現(xiàn)了各個傳感器的全局統(tǒng)一，即完成了系統(tǒng)的全局標(biāo)定。
使用本發(fā)明進(jìn)行多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定的具體步驟如下(1)在測量現(xiàn)場把整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)構(gòu)建好，即確定每個視覺傳感器的位置并加以固定，同時確定經(jīng)緯儀的位置并加以固定。
(2)在測量現(xiàn)場，在適當(dāng)?shù)奈恢冒卜藕糜糜跇?biāo)定經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)靶尺，采集足夠數(shù)量的標(biāo)定點，把經(jīng)緯儀對測量系統(tǒng)建好；建立經(jīng)緯儀的具體方法是已知技術(shù)，可以參見羅明著《多傳感器視覺檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究》，天津大學(xué)博士論文，1996。
(3)根據(jù)不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標(biāo)系，使用經(jīng)緯儀對系統(tǒng)建立好工件坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系的建立一般根據(jù)其設(shè)計圖紙來進(jìn)行，即工件在所建立的工件坐標(biāo)系的下各種尺寸和公差與圖紙上所標(biāo)示的完全一致。
(4)把一個具有鮮明特征點的標(biāo)定靶標(biāo)安放在合適的位置，應(yīng)使系統(tǒng)中的每個視覺傳感器以及經(jīng)緯儀都能正常使用該靶標(biāo)。通俗地說，要使系統(tǒng)中的每個視覺傳感器以及經(jīng)緯儀都能“看到”靶標(biāo)，即能從靶標(biāo)上獲取標(biāo)定所需要的足夠多的特征點。靶標(biāo)由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標(biāo)面上有預(yù)先設(shè)置的特征點，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數(shù)量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特征點。
B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數(shù)和列數(shù)為3～100個，采用圓孔的中心作為特征點。
C、靶標(biāo)丙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數(shù)和列數(shù)為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特征點。
如圖1所示，這是靶標(biāo)甲的一種實施例，靶標(biāo)面上黑色方塊的角點為特征點，θ＝90°。
(5)開啟多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的電源，由多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的視覺傳感器采集靶標(biāo)的圖像，存儲到計算機中。
(6)由經(jīng)緯儀對靶標(biāo)上的某一個特征點進(jìn)行瞄準(zhǔn)，讀取其水平和俯仰角α和β的值并記錄，然后計算該特征點在工件坐標(biāo)系下的三維物坐標(biāo)并存儲到計算機中。具體技術(shù)方法可以參見羅明著《多傳感器視覺檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用研究》，天津大學(xué)博士論文，1996。
(7)采用相關(guān)的特征點提取算法獲得靶標(biāo)圖像上該特征點對應(yīng)的二維像坐標(biāo)并存儲到計算機中。特征點提取算法參見C.G.Harris and M.J.Stephens的文章“一種綜合的角點和邊緣探測器”[A combined corner andedge detector]，第四屆Alvey視覺會議論文集，曼徹斯特，第147～151頁，1988年。[Proceedings Fourth Alvey Vision Conference，Manchester.pp 147～151，1988]和魏振忠、張廣軍的文章“結(jié)構(gòu)光視覺檢測中直棱邊特征點自動提取方法”，2002全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會議論文集，第196～199頁。
(8)重復(fù)(6)、(7)的工作，直到所獲得的標(biāo)定點滿足標(biāo)定所有的視覺傳感器的需要。
(9)利用獲得的標(biāo)定點對整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的每個視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲得各個視覺傳感器相對于工件坐標(biāo)系的位置關(guān)系，完成全局標(biāo)定。
(10)存儲標(biāo)定結(jié)果，以備后續(xù)測量使用。
實施例利用本發(fā)明的方法，對由如圖2所示的五個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器構(gòu)成的多視覺傳感器檢測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定。需要標(biāo)定的參數(shù)如式[1]和式[2]所示ω·Xω·Yω=f0000f000010Rt0T1·xwywzw1---[1]]]>
其中R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9]]>為旋轉(zhuǎn)矩陣，t=txtytz]]>為平移矢量，ω為比例因子，是一常數(shù)。
光平面方程的方程可描述為a·xw+b·yw+c·zw+d＝0 [2]標(biāo)定的結(jié)果如下(1)傳感器一·R=0.3470270.244612-0.905393-0.6273540.778147-0.0302240.6971360.5784910.423497t=55.0995859.309396491.199576]]>·結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù)[a b c d]＝
(2)傳感器二·R=0.1807670.352066-0.918353-0.8694090.4937600.0181580.4598390.7951420.395344t=11.62445922.440675544.071467]]>·結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù)[a b c d]＝[-0002036 0.000763 -0.018162 0.598640](3)傳感器三·R=0.1836490.330879-0.925631-0.8202750.5704850.411820.5416850.7517080.376180t=67.8765018.940593515.987783]]>·結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù)[a b c d]＝
(4)傳感器四·R=0.2511270.301105-0.919930-0.7765090.630079-0.0057420.5779000.7157760.392041t=56.02170914.672523509.689664]]>·結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù) ＝[-0.049510 0.175063 -3.77078035 0.999684](5)傳感器五·R=0.2897180.302576-0.908026-0.7507250.660327-0.0194920.5936960.6873250.418460t=47.350343-1.241391494.465622]]>·結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù)[a b c d]＝[-0.053936 -0.153525 2.731544 -248.999779]利用以上標(biāo)定的由五個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器組成的檢測系統(tǒng)，對標(biāo)準(zhǔn)長度為1021.413mm的尺子進(jìn)行了測量，測量精度達(dá)到了0.373mm。
權(quán)利要求
1.一種多視覺傳感器檢測系統(tǒng)全局標(biāo)定方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行標(biāo)定(1)在測量現(xiàn)場把整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)構(gòu)建好，即確定每個視覺傳感器的位置并加以固定，同時確定經(jīng)緯儀的位置并加以固定；(2)在測量現(xiàn)場，在適當(dāng)?shù)奈恢冒卜藕糜糜跇?biāo)定經(jīng)緯儀的標(biāo)準(zhǔn)靶尺，采集足夠數(shù)量的標(biāo)定點，把經(jīng)緯儀對測量系統(tǒng)建好；(3)根據(jù)不同被測工件的具體測量要求，選定工件坐標(biāo)系，使用經(jīng)緯儀對系統(tǒng)建立好工件坐標(biāo)系；(4)把一個具有鮮明特征點的標(biāo)定靶標(biāo)安放在合適的位置，應(yīng)使系統(tǒng)中的每個視覺傳感器以及經(jīng)緯儀都能正常使用該靶標(biāo)；靶標(biāo)由兩個平面組成，其夾角θ為45°≤θ≤135°，兩個靶標(biāo)面上有預(yù)先設(shè)置的特征點，靶標(biāo)面為下述結(jié)構(gòu)之一A、靶標(biāo)甲，在靶標(biāo)面上有兩列三行凸起的黑色的矩形塊，每行中矩形塊的數(shù)量為2～100個，矩形塊的間距為10～200mm，每個矩形塊的四個頂點為特征點；B、靶標(biāo)乙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的圓孔，圓孔的行數(shù)和列數(shù)為3～100個，采用圓孔的中心作為特征點；C、靶標(biāo)丙，在靶標(biāo)面上有成矩陣排列的十字叉絲，十字叉絲行數(shù)和列數(shù)為3～100個，以十字叉絲的交叉點作為特征點；(5)開啟多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的電源，由多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的視覺傳感器采集靶標(biāo)的圖像，存儲到計算機中；(6)由經(jīng)緯儀對靶標(biāo)上的某一個特征點進(jìn)行瞄準(zhǔn)，讀取其水平和俯仰角α和β的值并記錄，然后計算該特征點在工件坐標(biāo)系下的三維物坐標(biāo)并存儲到計算機中；(7)采用相關(guān)的特征點提取算法獲得靶標(biāo)圖像上該特征點對應(yīng)的二維像坐標(biāo)并存儲到計算機中；(8)重復(fù)(6)、(7)的工作，直到所獲得的標(biāo)定點滿足標(biāo)定所有的視覺傳感器的需要；(9)利用獲得的標(biāo)定點對整個多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的每個視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲得各個視覺傳感器相對于工件坐標(biāo)系的位置關(guān)系，完成全局標(biāo)定；(10)存儲標(biāo)定結(jié)果，以備后續(xù)測量使用。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測中傳感器標(biāo)定方法的改進(jìn)。本發(fā)明的步驟是系統(tǒng)構(gòu)建－采集標(biāo)定點－選定坐標(biāo)系－安放靶－采集靶標(biāo)圖像－計算特征點的三維物坐標(biāo)－提取特征點的二維像坐標(biāo)－重復(fù)提取特征點坐標(biāo)－標(biāo)定傳感器－存儲標(biāo)定結(jié)果。本發(fā)明有利于提高整個視覺檢測系統(tǒng)的精度，減少由于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換所帶來的精度損失。
文檔編號G01B11/24GK1508512SQ02156600
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者張廣軍, 魏振忠, 徐園 申請人:北京航空航天大學(xué)