本发明专利技术提供一种在不同的已知高度处利用至少两个（例如平行的）物体平面在一3D容积空间中沿三个不连续平面生成用于视觉系统摄像机的摄像机校准的系统和方法。对于任何指定高度的第三（例如平行的）平面，所述系统和方法根据起初的两个校准通过内插/外推自动生成摄影机校准数据。这降低了在两个以上的高度处设置校准物体的需要，加快了校准程序并简化了用户校准设置，且还允许对空间限制的、校准物体不易达到的高度进行内插/外推。可在每一高度处利用全2D手眼校准，或在第一高度处利用手眼校准然后在第二高度处沿高度（如Z）方向通过平移至一已知的位置对校准板进行校准。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及视觉系统摄像机的校准，更特别地是涉及到关于多个不连续的目标平面校准视觉系统摄像机的系统和方法。
技术介绍
在机器视觉系统(此处也称为“视觉系统”)中，一个或多个摄像机在一成像场景内一物体或表面上用于执行视觉系统程序。这些程序可包括检测、符号解码、对齐和各种其它的自动化任务。更特别地，视觉系统可用于检测通过成像场景的扁平工件。所述场景通常由一个或多个视觉系统摄像机成像，所述视觉系统摄像机可包括内部或外部视觉系统处理器，视觉系统处理器运行相关联的视觉系统程序生成结果。通常需要校准一个或多个摄像机，使其执行视觉任务具有足够的精度和可靠性。一校准板可用于校准摄像机。一校准板通常设置为一扁平物，其表面上可见独特的图案。所述独特的图案通常是精心且精细地设计的，以便使用户能够很容易地辨别摄像机所获取的校准板的影像上每个可见的特征。一些典型的图案包括但不限于点网格、网格线，或类蜂巢图案、三角形棋盘格等。从校准板的设计了解每个可见特征的特点，如相对于暗含于设计内的参考位置和/或坐标系的位置和/或方向。棋盘格图案的设计在执行校准中的准确性和稳定性方面具有一定的优势，即使在存在有其它非理想条件下的角度和镜头畸变、图案部分损坏和照明不均匀的情况下。更特别地，在静止物体的二维(2D)校准中，通过校准棋盘格的边缘，来确定棋盘格方块边角的相对位置，通常足以确定视觉系统的准确性，并视情况向摄像机的处理器提供适当的校正因数，以便鉴于这种校正因数测量运行时的物体。在大致了解刚性体(如校准板)的某些校准原则的进一步的背景下，一动作的特征可通过一对姿态来描绘:动作之前的开始姿态和所述动作之后的结束姿态——此处的“姿态”定义为在任何一个特定时间处、一些基本坐标系内的一组描述主体状态的数值-主体的虚拟表征。例如，在二维中，一刚性体的特征可通过三个数字描述:x方向的平移、Y方向的平移和旋转度R。在校准板的上下文环境中，姿态描述了当摄像机和校准板之间有相对运动时校准板如何呈现给摄像机。通常，在标准的所谓“手眼校准”中，一校准板以各种不同的姿态呈现给摄像机，且每个摄像机采集每一个这种姿态的校准板的影像。对于机器视觉手眼校准，通常将校准板移动至多个预定的姿态，摄像机采集校准板处于该姿态时的各个影像。这种手眼校准的目标是在“运动坐标系”中确定摄像机和校准板的刚性体姿态。运动坐标系可通过多种方式定义。姿态(特指处于空间中的校准板和/或摄像机情况下的)中的数字必须转换为适当的坐标系。一旦选择了单个统一坐标系，姿态和动作就在全局坐标系中描述/表达。该所选坐标系通常称为“运动坐标系”。通常“动作”由一能够实施物理动作的物理装置提供，如机械手臂，或是运动平台，如起重机架。要注意，板能够相对于一个或多个固定摄像机移动，或摄像机能够相对于固定板移动。这种动作实施装置的控制器采用数值(即姿态)来命令装置实施任何所需的动作，且这些值表达在所述装置的本地坐标系中。要注意，尽管能够选择任何运动坐标系相对于运动实施装置和摄像机提供一共同的全局坐标系，但很多时候需要选择运动实施装置的本地坐标系作为整体运动坐标系。因此，手眼校准通过实施动作(移动校准板或移动摄像机)和在该动作之前和之后采集图像来将系统校准为一单个运动坐标系，以确定该动作对移动的物体的影响。通过进一步的背景，这不同于标准的“非手眼”校准，在“非手眼”校准中机器视觉应用一般没有任何动作实施装置。在这种情况下，利用一个采集到的在所有摄像机的视野内的一特定位置处的板的影像，“摄像机”通常相对于校准板本身的坐标系全部得以校准。机器视觉校准软件从通过每个摄像机所获得的板的影像推算每个摄像机的相对位置。这种校准称为“校准摄像机至板”，而手眼校准称为“校准摄像机至运动坐标系”。当机器视觉系统采用手眼校准时，其软件使用命令动作(对其来说命令动作数据是已知的)通过关联在影像中观察到的动作效应分辨姿态。校准的另一个结果是摄像机影像中的每一像素位置与运动坐标系中的物理位置之间的映射，以便在图像空间中找到一位置后，可平移运动坐标系中的位置且可命令运动实施装置对其施加作用。在各种制造工序中，需要对齐一扁平工件，或更一般地，一有用特征存在于通常平行的不连续平面内的工件。更特别地，在组装应用中，一个工件与另一个工件对齐。一个示范性的工序需要将一移动电话或平板电脑的保护玻璃插入至其外壳中。另一示范性的工序涉及打印应用，其中工件与工艺设备对齐，例如在对移动电话、平板电脑或平板显示器的保护玻璃屏幕进行丝印时。在这种制造工序中，工件必须沿参考平面的X-Y轴方向对齐，且还在不同的高度处(即沿正交Z轴)进行该对齐。一些工件可能在多个高度处拥有多个对齐特征。每一有用高度都需要准确和精确的摄像机校准，确保通过视觉系统对该对齐进行适当地分析和验证。虽然在这种工序中可采用三维(3D)视觉系统的应用，但可预想到，在物体的平面在每个高度保持平行的情况下，2D视觉系统可充分地执行。校准通常是很耗时的过程，且必须在工作区的空间限制内进行。因此有必要在这种“2.5D”装置中，在沿平行平面(即物体在不同的高度位置之间，不经历关于X轴或Y轴的旋转)高度变化的情况下，提供一种用于准确且方便地校准视觉系统摄像机的系统和方法。该系统和方法应合意地允许测量多个待准确校准的高度，同时使校准板的操控和设置达到最低限度。
技术实现思路
本专利技术所述的一种在不同的已知高度处利用至少两个(说明性地，为平行平面)物体平面在一 3D容积空间中沿三个或更多(即至少三个)不连续的平面生成用于视觉系统摄像机的摄像机校准的系统和方法克服了现有技术的缺点。对于任意第三指定平面(说明性地，该平面在一指定高度处与起初的两平面中的一个或多个平行)，系统和方法根据起初的两个校准通过线性内插/外推自动生成准确的摄像机校准数据。理论上这种方法是准确的，且不用使用任何明确的近似法。这降低了在两个以上的高度处设置校准板或类似的校准物体的需要，加快了校准程序并简化了用户校准设置。另外，说明性的系统和方法理想地实现了高度校准，通常这通过校准物体是无法达成的(例如，由于空间限制——如成像壳体的内部凹槽)。可在每个高度处利用全2D手眼校准，或在第一高度处利用手眼校准对校准板进行校准，然后仅沿高度(Z)方向平移(通常该平移关于Z轴不旋转且关于X和Y轴不平移或旋转)将其移动至第二高度。在一个说明性的实施例中，提供一种沿至少三个(或更多)不连续平面校准视觉系统摄像机的系统和方法，且包括视觉系统摄像机组件，其具有在一立体空间内的视野。还提供了校准物体，其具有可在一平面板上设置为棋盘格图案的校准特征。校准程序通过所采集的校准物体图像执行(a)立体空间的第一平面内校准物体的第一校准，和(b)立体空间的第二平面内校准物体的第二校准，所述第二平面沿分离轴从第一平面分离。一内插/外推程序从第一校准和第二校准接收校准数据，所述内插/外推程序沿与每个像素有用位置相关联的每一 3D光线操作。然后其生成立体空间内第三平面的校准数据，所述第三平面沿轴从第一平面和第二平面隔开。在说明性的实施例中，内插/外推程序为常规的线性内插/外推程序。说明性地，第一平面、第二平面和第三平面中的至少两个可相互平行。当不平行时，在内插程序中使用限定平本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种沿至少三个不连续平面校准视觉系统摄像机的系统，包括：一具有立体空间内视野的视觉系统摄像机组件；至少一个具有校准特征的校准物体；一校准程序，其通过所采集的校准物体图像执行（a）立体空间的第一平面内利用校准物体的第一校准，和（b）立体空间的第二平面内利用校准物体的第二校准，所述第二平面沿一轴从第一平面分离；和一内插/外推程序，其与校准程序相关联，该校准程序从第一校准和第二校准接收校准数据，从而在立体空间内生成至少一第三平面的校准数据，所述第三平面沿轴从第一平面和第二平面隔开。
【技术特征摘要】
2013.02.25 US 13/776,6171.一种沿至少三个不连续平面校准视觉系统摄像机的系统，包括: 一具有立体空间内视野的视觉系统摄像机组件； 至少一个具有校准特征的校准物体； 一校准程序，其通过所采集的校准物体图像执行(a)立体空间的第一平面内利用校准物体的第一校准，和(b)立体空间的第二平面内利用校准物体的第二校准，所述第二平面沿一轴从第一平面分离；和 一内插/外推程序，其与校准程序相关联，该校准程序从第一校准和第二校准接收校准数据，从而在立体空间内生成至少一第三平面的校准数据，所述第三平面沿轴从第一平面和第二平面隔开。2.根据权利要求1所述的系统，其中至少第一校准和第二校准的其中一个包括相对于运动坐标系的手眼校准。3.根据权利要求2所述的系统，其中相对一制造装置中的运动实施装置的运动方向限定运动坐标系，该运动实施装置移动第一物体和第二物体中的一个。4.根据权利要求3所述的系统，其中运动实施装置包括操控器和运动平台的其中一个。5.根据权利要求3所述的系统，其中第三平面与沿轴的一位置相关联，将第一物体与第二物体组装期间，第一 物体和第二物体中的至少其中一个的一个对齐特征存在于该位置。6.根据权利要求2所述的系统，其中第一校准和第二校准其中的每一个都包括相对于运动坐标系的手眼校准。7.根据权利要求2所述的系统，其中校准物体以一已知的方式在第一校准和第二校准之间移动，且第一校准或第二校准采用映射至运动坐标系的校准物体的一单个影像。8.根据权利要求2所述的系统，其中视觉系统摄像机组件为以下其中一个:(a)固定的或(b)关于运动坐标系相对运动的。9.根据权利要求1所述的系统，其中内插/外推限定为线性内插/外推程序。10.根据权利要求1所述的系统，其中视觉系统摄像机组件包括多个视觉系统摄像机，每个视觉系统摄像机都具有一光轴，每个视觉系统摄像机的光轴相对立体空间具有不连续的方向。11....
【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，G·什瓦拉姆，C·C·马里恩，
申请(专利权)人：康耐视公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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