機(jī)器視覺(jué)軟件Sherlock的應(yīng)用——標(biāo)定

    關(guān)鍵詞：標(biāo)定（calibrate）  校正  放射性失真  畸變  虛擬相機(jī)

在應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行檢測(cè)或測(cè)量時(shí)，要得到精確的測(cè)量值，需要相機(jī)CCD平面和實(shí)際檢測(cè)或測(cè)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(jī)CCD與零件表面的平行通常通過(guò)人工調(diào)整夾具來(lái)保證。但是，調(diào)整夾具不可能完全保證平行，而且需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。

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

機(jī)器視覺(jué)軟件Sherlock利用標(biāo)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(biāo)變換。

1 相機(jī)標(biāo)定工作原理

相機(jī)標(biāo)定就是將相機(jī)像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成用戶實(shí)際測(cè)量或檢測(cè)所需要的坐標(biāo)系，使虛擬攝像機(jī)以真實(shí)單位進(jìn)行精密測(cè)量。

Sherlock的相機(jī)標(biāo)定利用了透視算法進(jìn)行標(biāo)定。每一次失真的類型都不一定相同，透視校正算法將對(duì)仿射變換和線性透視畸變進(jìn)行補(bǔ)償，特別是當(dāng)攝像機(jī)平面和物體平面不平行的時(shí)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(biāo)定將補(bǔ)償仿射變換和少量的非線性畸變。

Sherlock的相機(jī)標(biāo)定方法是在一個(gè)虛擬相機(jī)中利用四點(diǎn)坐標(biāo)系函數(shù)來(lái)建立四點(diǎn)的位置。這樣，根據(jù)相機(jī)中的四個(gè)點(diǎn)的位置同實(shí)際坐標(biāo)的關(guān)系，Sherlock可以通過(guò)內(nèi)部數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換進(jìn)行坐標(biāo)變換，來(lái)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(dāng)攝像機(jī)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)棋盤上的正方形看起來(lái)像梯形。透視畸變的數(shù)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(jī)或物體平面上的坐標(biāo)，（u,v）是另一個(gè)平面上的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。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(gè)要求點(diǎn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2 相機(jī)標(biāo)定的步驟

圖2是標(biāo)定主頁(yè)圖。相機(jī)標(biāo)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(biāo)，Sherlock顯示子程序編輯對(duì)話框。

（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(jī)（Insert | Subroutine）。

（5）通過(guò)使用菜單命令（Stakeout | Options）顯示默認(rèn)的相機(jī)坐標(biāo)柵格，在坐標(biāo)柵格下方選擇“Lines"，然后點(diǎn)擊OK按鈕退出對(duì)話框。

圖2

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

（7）在虛擬相機(jī)窗口，選擇零件上的四個(gè)特征點(diǎn)作為標(biāo)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(biāo)作為公式的輸入值，選擇標(biāo)定（calibrate）函數(shù)。

（9）編輯標(biāo)定（calibrate）函數(shù)的參數(shù)，輸入四個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值。

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

（11）對(duì)其他零件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果將是實(shí)際測(cè)量值。

3 單個(gè)相機(jī)多個(gè)標(biāo)定

Sherlock的標(biāo)定在同一個(gè)測(cè)量平面內(nèi)是有效的。如果用一臺(tái)相機(jī)對(duì)多個(gè)平面的尺寸進(jìn)行測(cè)量，那么就需要進(jìn)行多個(gè)標(biāo)定。如圖3所示，用一臺(tái)相機(jī)測(cè)量Ф5和Ф10尺寸，如果相機(jī)從上面拍攝，由于兩個(gè)平面距離相機(jī)的遠(yuǎn)近不同，所以兩個(gè)平面在所拍攝的圖像中對(duì)應(yīng)的比例也不同，如果對(duì)Ф10的平面進(jìn)行標(biāo)定，則Ф5的平面上測(cè)量的結(jié)果就不準(zhǔn)確，同樣，對(duì)Ф5的平面進(jìn)行標(biāo)定，則Ф10的平面上測(cè)量的結(jié)果就不準(zhǔn)確。Sherlock可以對(duì)同一相機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)多個(gè)虛擬相機(jī)（stakeout），在該圖中可以利用兩個(gè)虛擬相機(jī)（stakeout），分別對(duì)Ф5的平面和Ф10的平面進(jìn)行標(biāo)定，這樣就能得到精確的結(jié)果。

4 虛擬相機(jī)的一個(gè)標(biāo)定

在機(jī)器視覺(jué)中，有時(shí)候多個(gè)虛擬相機(jī)（stakeout）可能只對(duì)一個(gè)平面進(jìn)行測(cè)量或檢測(cè)，或者多個(gè)相機(jī)所測(cè)量或檢測(cè)的物體與相機(jī)的CCD平面距離相等，此時(shí)如果對(duì)每一個(gè)虛擬相機(jī)都進(jìn)行標(biāo)定將很耗時(shí)，這種情況下，Sherlock可以只對(duì)一個(gè)虛擬相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，以使多個(gè)虛擬相機(jī)可利用同一標(biāo)定進(jìn)行測(cè)量或檢測(cè)。