機器視覺(jué)軟件Sherlock的應用――標定

關(guān)鍵詞：標定（calibrate） 校正 放射性失真 畸變 虛擬相機

在應用機器視覺(jué)進(jìn)行檢測或測量時(shí)，要得到精確的測量值，需要相機CCD平面和實(shí)際檢測或測量零件的表面相平行。否則，將發(fā)生透視性失真，從而很難保證精度。相機CCD與零件表面的平行通常通過(guò)人工調整夾具來(lái)保證。但是，調整夾具不可能完全保證平行，而且需要耗費很長(cháng)的時(shí)間。

相機所拍攝圖像的坐標系并不是用戶(hù)實(shí)際需要的坐標系，因此需要將坐標系轉換成用戶(hù)需要的坐標系。

機器視覺(jué)軟件Sherlock利用標定很容易修正仿射性失真引起的畸變，并可方便的進(jìn)行坐標變換。

1 相機標定工作原理

相機標定就是將相機像素坐標系轉換成用戶(hù)實(shí)際測量或檢測所需要的坐標系，使虛擬攝像機以真實(shí)單位進(jìn)行精密測量。

Sherlock的相機標定利用了透視算法進(jìn)行標定。每一次失真的類(lèi)型都不一定相同，透視校正算法將對仿射變換和線(xiàn)性透視畸變進(jìn)行補償，特別是當攝像機平面和物體平面不平行的時(shí)候，圖像中物體的直線(xiàn)仍然是直的，但是平行線(xiàn)不再平行（如圖1，透視失真），標定將補償仿射變換和少量的非線(xiàn)性畸變。

Sherlock的相機標定方法是在一個(gè)虛擬相機中利用四點(diǎn)坐標系函數來(lái)建立四點(diǎn)的位置。這樣，根據相機中的四個(gè)點(diǎn)的位置同實(shí)際坐標的關(guān)系，Sherlock可以通過(guò)內部數學(xué)轉換進(jìn)行坐標變換，來(lái)校正仿射性失真或由于比例、偏移和旋轉（傾斜）引起的變化。

當攝像機傳感器平面和物體平面之間存在一個(gè)角度時(shí)，透視畸變就會(huì )發(fā)生。此時(shí)棋盤(pán)上的正方形看起來(lái)像梯形。透視畸變的數學(xué)公式如下：

u=(ax+by+c)/(hx+hy+I),

υ=(dx+ey+?)/(gx+hy+i)

（x,y）是攝像機或物體平面上的坐標，（u,v）是另一個(gè)平面上的轉換坐標。A,b,c,d,e,f,g,h和I是透視畸變算法從內部取出用于轉換每個(gè)要求點(diǎn)的轉換參數。

2 相機標定的步驟

圖2是標定主頁(yè)圖。相機標定的一般步驟如下：

（1）建立一個(gè)子程序（Insert | Subroutine）。

（2）在策略窗口樹(shù)的頂部雙擊子程序圖標，Sherlock顯示子程序編輯對話(huà)框。

（3）編輯子程序，選取“Execute During Calibration”點(diǎn)擊OK按鈕保存并且退出。

（4）創(chuàng )建一個(gè)虛擬相機（Insert | Subroutine）。

（5）通過(guò)使用菜單命令（Stakeout | Options）顯示默認的相機坐標柵格，在坐標柵格下方選擇“Lines"，然后點(diǎn)擊OK按鈕退出對話(huà)框。

圖2

（6）將一個(gè)已知尺寸的零件作為標定塊放置在相機的視野范圍內。

（7）在虛擬相機窗口，選擇零件上的四個(gè)特征點(diǎn)作為標定點(diǎn)。

（8）在子程序中插入公式（fromular）。編輯公式，將四個(gè)特征點(diǎn)的坐標作為公式的輸入值，選擇標定（calibrate）函數。

（9）編輯標定（calibrate）函數的參數，輸入四個(gè)標定點(diǎn)的實(shí)際坐標值。

（10）再次選擇菜單命令（Investigate | Calibrate），將出現新的坐標柵格?？梢栽赟takeout | Options中改變柵格大小。

（11）對其他零件進(jìn)行測量，測量的結果將是實(shí)際測量值。

3 單個(gè)相機多個(gè)標定

Sherlock的標定在同一個(gè)測量平面內是有效的。如果用一臺相機對多個(gè)平面的尺寸進(jìn)行測量，那么就需要進(jìn)行多個(gè)標定。如圖3所示，用一臺相機測量Ф5和Ф10尺寸，如果相機從上面拍攝，由于兩個(gè)平面距離相機的遠近不同，所以?xún)蓚€(gè)平面在所拍攝的圖像中對應的比例也不同，如果對Ф10的平面進(jìn)行標定，則Ф5的平面上測量的結果就不準確，同樣，對Ф5的平面進(jìn)行標定，則Ф10的平面上測量的結果就不準確。Sherlock可以對同一相機產(chǎn)生兩個(gè)多個(gè)虛擬相機（stakeout），在該圖中可以利用兩個(gè)虛擬相機（stakeout），分別對Ф5的平面和Ф10的平面進(jìn)行標定，這樣就能得到精確的結果。

4 虛擬相機的一個(gè)標定

在機器視覺(jué)中，有時(shí)候多個(gè)虛擬相機（stakeout）可能只對一個(gè)平面進(jìn)行測量或檢測，或者多個(gè)相機所測量或檢測的物體與相機的CCD平面距離相等，此時(shí)如果對每一個(gè)虛擬相機都進(jìn)行標定將很耗時(shí)，這種情況下，Sherlock可以只對一個(gè)虛擬相機進(jìn)行標定，以使多個(gè)虛擬相機可利用同一標定進(jìn)行測量或檢測。