機器視覺軟件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

在應用機器視覺進行檢測或測量時，要得到精確的測量值，需要相機CCD平面和實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人工調(diào)整夾具來保證。但是，調(diào)整夾具不可能完全保證平行，而且需要耗費很長的時間。

相機所拍攝圖像的坐標系并不是用戶實際需要的坐標系，因此需要將坐標系轉(zhuǎn)換成用戶需要的坐標系。

機器視覺軟件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(zhuǎn)換成用戶實際測量或檢測所需要的坐標系，使虛擬攝像機以真實單位進行精密測量。

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

Sherlock的相機標定方法是在一個虛擬相機中利用四點坐標系函數(shù)來建立四點的位置。這樣，根據(jù)相機中的四個點的位置同實際坐標的關(guān)系，Sherlock可以通過內(nèi)部數(shù)學轉(zhuǎn)換進行坐標變換，來校正仿射性失真或由于比例、偏移和旋轉(zhuǎn)（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角度時，透視畸變就會發(fā)生。此時棋盤上的正方形看起來像梯形。透視畸變的數(shù)學公式如下：

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）是另一個平面上的轉(zhuǎn)換坐標。A,b,c,d,e,f,g,h和I是透視畸變算法從內(nèi)部取出用于轉(zhuǎn)換每個要求點的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2 相機標定的步驟

圖2是標定主頁圖。相機標定的一般步驟如下：

（1）建立一個子程序（Insert | Subroutine）。

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

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

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

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

圖2

    （6）將一個已知尺寸的零件作為標定塊放置在相機的視野范圍內(nèi)。

（7）在虛擬相機窗口，選擇零件上的四個特征點作為標定點。

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

（9）編輯標定（calibrate）函數(shù)的參數(shù)，輸入四個標定點的實際坐標值。

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

（11）對其他零件進行測量，測量的結(jié)果將是實際測量值。

3 單個相機多個標定

Sherlock的標定在同一個測量平面內(nèi)是有效的。如果用一臺相機對多個平面的尺寸進行測量，那么就需要進行多個標定。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，由于兩個平面距離相機的遠近不同，所以兩個平面在所拍攝的圖像中對應的比例也不同，如果對Ф10的平面進行標定，則Ф5的平面上測量的結(jié)果就不準確，同樣，對Ф5的平面進行標定，則Ф10的平面上測量的結(jié)果就不準確。Sherlock可以對同一相機產(chǎn)生兩個多個虛擬相機（stakeout），在該圖中可以利用兩個虛擬相機（stakeout），分別對Ф5的平面和Ф10的平面進行標定，這樣就能得到精確的結(jié)果。

4 虛擬相機的一個標定

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