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机器视觉标定-多相机坐标系标定及统一之一相机视野间不重叠

作者:康耐德智能 浏览:162 发表时间:2020-09-18 11:08:49 来源:原创

随着机器视觉应用的日益广泛,大幅面多相机视觉系统的需求越来越多,主要应用方向为大幅面高精度的定位与测量和场景拼接等。

多相机[视觉系统]的难点在于多相机坐标系的统一. 可以分为两类,一是相机视野间无重叠部分,二是相机视野间有重叠部分。

相机间无重叠部分的情况主要用于大幅面多相机高精度的定位和测量,相机间有重叠部分的情况主要用于场景的拼接等。

一. 相机间无重叠部分,介绍两种典型方法。

1.使用大标定板统一坐标

方案简介: 

此方法采用一块大标定板来统一各个相机的坐标,每个大标定板中有若干小标定板,各个小标定板间的位置关系都是已知的,各个相机都能拍摄到一个小标定板。通过各个小标定板可以标定每个相机的内部参数和外部参数,每个相机的坐标都可以转换到各个小标定板的坐标系上,从而统一各个相机的坐标。 
系统结构:


相机在各个位置拍摄Mark图像,通过图像处理方法得到Mark坐标


1.使用相对运动统一坐标


方案简介:

此方法采用相机和被测物之间的相对运动来统一相机的坐标,相机和被测物只要一方运动即可,记录各个位置的坐标,然后通过数学运算来统一坐标。通常情况下是相机位置固定,被测物通过机械手等运动装置进行移动,然后把相机坐标系统一到机械手等运动装置的原点


总体结构:

方法介绍:

通过相机拍摄的图像对Mark点进行定位,从而计算出被测物相对于标准位置的偏差,包含角度偏差和位移偏差,然后确定机械装置需要旋转的角度和平移的距离。选用手机触摸屏和手机外壳的定位系统来介绍算法原理。 


手机触摸屏和手机外壳的定位系统,使用多支相机代替一支相机的方法进行定位,使手机触摸屏和手机外壳精确组装。相机分为两组,每组两支相机,一组拍摄手机外壳(组1),一组拍摄触摸屏(组2),两组相机标定方法相同,下面只介绍拍摄手机外壳的两支相机的标定。相机固定,机械手吸住手机外壳移动,两支相机分别拍摄手机外壳的两个定位孔,使用模板匹配的方法对两个定位孔进行识别,如下图所示:


(1)通过机械手的移动获取标定所用坐标(三点线性标定法)

1相机1: 

Mark点移动到相机视野中,定相机的初始位置,得到初始Mark点的中心坐标Point11(cRow11, cColumn11),机械手沿X方向移动一定距离(5mm)后得到Mark点的中心坐标Point12 (cRow12, cColumn12),机械手沿Y方向移动一定距离(6mm)后得到Mark点的中心坐标Point13(cRow13, cColumn13),同时可以得到在上述三个位置机械手的空间坐标Robot11(X1[0],Y1[0])、 Robot12(X1[1],Y1[1]) 、Robot13(X1[2],Y1[2])。 


1相机2: 

同上,把相同Mark点移动到相机视野中,通过相同的操作得到坐标:Point21 (cRow21, cColumn21)、Point22 (cRow22, cColumn22)、Point23 (cRow23, cColumn23)、Robot21 (X2[0],Y2[0])、 Robot22(X2[1],Y2[1])、Robot23(X2[2],Y2[2])。


(2)图像距离和实际距离之间转换比例关系的确定:

通过数学运算可计算得到比例关系。 


(3)旋转中心的确定:

依据三个点就可以确定一个圆的原理,让机械手在初始位置旋转三次,得到Robot31,Robot32和Robot33三个相对于机械手坐标系的坐标点,三个点的坐标就可以求出旋转圆心的坐标。


(4) 标准线斜率求取: 

需要在两个相机的视野中各选取一点作为标准线的起始点和终点,然后求取此标准线在机械手坐标系中的斜率。调整机械手到合适位置,确定此处为标准位置,此时组1的两支相机分别拍摄初始位置的两个不同的Mark点的图像。通过模板匹配方法找到两个相机初始位置视野中两个Mark点的中心坐标Point10(Row10,Column10)和Point20(Row20,Column20),Point10和Point20确定为标准线的起始点和终点。求取Point10在机械手中的坐标如下图所示,下图中XOY是机械手坐标系,X1O1Y1是组1相机1的图像坐标。


通过点到直线的距离运算可以得到d14,d15和d16的实际长度,由于在移动过程中使用的是同一个mark点,d1,d2,d3在相机1和相机2的视野中的值是一样的。从而可以得到Point10在机械手坐标系中的实际坐标为: 
Point10X=X1[1] d16 d2,Point10Y=Y1[1] (d1-d15)。 

同样可以得到Point20在机械手坐标系中的实际坐标: 

Point20X=X2[1] d26 d2,Point20Y=Y2[1] (d1-d25)。

求取该标准线斜率


K  = (Point20Y-Point10Y) / (Ponit20X-Point20X) 

   = (Y2[1]-Y1[1]-d25 d15) / (X2[1]-X1[1] d26-d16) 

之后在每次定位时需要和此标准线的斜率进行比较,从而得到和标准线的夹角,然后进行旋转校正。 

注意:由于Point10和Point20会落在不同的位置,在计算Point10和Point20的实际坐标时上述公式会有所变化,但原理相同。


定位校准 

以后在每次进行检测时,得到的结果都和标准线进行比较,可以得到和标准线的夹角和相对于标准位置的位置偏差,根据得到的角度和位置偏差进行校正。在校正过程中需要先旋转后平移,做一个闭环反馈系统实时校正。

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