高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法，属于图像处理、高精度测量领域。本发明专利技术的具体步骤为：定义多相机视场拼接时使用的坐标系；根据建立完成的相关坐标系，通过平面靶标确定相机坐标系之间坐标变换矩阵；求得相机坐标系之间的坐标变换关系后，进一步求出相机坐标系与总体世界坐标系之间变换矩阵，从而实现多相机的全局标定；将多个相机的测量数据统一到同一个相机坐标系中，最后将该相机坐标系中的测量数据变换到总体世界坐标系中。本发明专利技术采用多相机视场拼接的方式实现大视场下的位姿测量，能够在不降低测量精度的前提下增加位姿测量系统的测量范围。

【技术实现步骤摘要】
高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法
本专利技术涉及高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法，属于图像处理、图像跟踪和高精度测量领域。
技术介绍
论文“大视场视觉定位系统的精度提升技术研究”(天津大学硕士学位论文，赵扬，20141215)中提出了一种针对航空领域中大视场视觉定位精度问题的技术改进方法。该方法针对系统中的定位摄像机具有大视场、高噪声的特点，通过分析定位摄像机的模型，研究了提高定位系统精度的一些关键技术。该论文研究了摄像机畸变模型对位姿测量精度的影响，并且研究了一种基于成像光线追踪的非模型化摄像机标定方法，经实验验证该模型具有抗噪声和提高定位精度的能力。虽然具有抗噪声和提高定位精度的能力，但是无法从根本上解决测量精度随视场增大而降低的特性，只能在摄像机分辨率允许的范围内提高系统的测量精度。论文“大视场内多靶板位姿单目视觉跟踪测量系统的仿真研究”(南京航空航天大学硕士学位论文，翁璇，20140301)中提出了一种多靶板位姿单目视觉测量仿真研究软件平台VSM。该仿真平台以飞机机载设备安装姿态单目视觉跟踪监测系统Archer-M为研究背景，为研究靶板结构参数、关键算法的系统误差、靶点定位随机误差、测量场的布设等相关因素的影响提供帮助。该论文基于VSM平台对图像噪声引起的靶点光斑质心定位误差进行了仿真分析，分析了单目视觉系统中Z轴方向测量误差偏大的内在原因。虽然能够得出单目视觉系统中Z轴方向测量误差偏大的内在原因，但是并未给出从工程角度上有效降低该误差的方法，难以直接应用于实际项目中。专利“基于编码结构光的高速运动目标位姿测量方法”(专利技术专利，刘巍，20150921)中提出了一种用于大视场小目标高速运动物体位姿测量的测量方法。该方法采用彩色投影仪向测量区域投射含有编码信息的彩色栅线，并且使用高速摄像机连续拍摄经运动物体表面调制而变形的结构光编码栅线图案，经数字图像解码后，反推出高速运动物体的三维动态形貌，最终准确地测量出高速运动物体的位置、姿态信息，有效解决了立体视觉中的匹配难题。虽然能准确地测量出高速运动物体的位置、姿态信息，并且可以有效解决立体视觉中的匹配难题，但是由于采用了结构光作为位姿测量的光源，其产生的编码光斑容易受到太阳光等环境光的干扰，而且使用的结构光激光器难以长时间连续工作，对于标定的精度要求也较高。基于此，本专利提出高精度大视场视觉测量与标定装置及方法。首先，采用多相机视场拼接的方式增大测量范围，每个单目相机的测量范围不变，避免了分辨率固定时测量精度随测量范围增大而降低的问题。其次，采用黑色圆形标志点组成的标志物作为位姿测量时的靶标，采用常见的工业相机作为图像采集设备，在降低成本的同时降低了标定的难度。最后，本专利提出的一种简单高效、稳定可靠的位姿测量系统精度标定装置及方法，仅需采集一次测试图像即可获得大量的测试数据，实现对系统位姿测量精度的标定。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术存在的问题，进而提供高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述高精度大视场机器视觉测量与标定装置包括工业相机、相机支架、图像采集卡和工控机，相机支架与工业相机固定连接，4个工业相机分别位于每个视场子区域的上方，工业相机的信号输出端与图像采集卡的信号输入端连接，图像采集卡的输出端与工控机的输入端连接。高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述高精度大视场机器视觉测量与标定方法的具体步骤为：步骤一：定义多相机视场拼接时使用的坐标系；步骤二：根据建立完成的相关坐标系，通过平面靶标确定相机坐标系之间坐标变换矩阵；步骤三：根据求得相机坐标系之间的坐标变换关系后，求出相机坐标系与总体世界坐标系之间变换矩阵，从而实现多相机的全局标定；步骤四：将多个相机的测量数据统一到同一个相机坐标系中，最后将该相机坐标系中的数据变换到总体世界坐标系中。本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述定义多相机视场拼接时使用的坐标系的具体过程为：在待测目标运动平面上建立总体世界坐标系GCS，在每个相机上建立相机坐标系CCSi(i＝1,2,3,4)。本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述通过平面靶标确定相机坐标系之间坐标变换矩阵的方法的具体过程为：首先通过靶标特征点建立CCS1、CCS2与靶标坐标系TCS之间的关系，然后确定靶标平面与图像平面之间的单应矩阵，最后确定CCS1和CCS2之间的变换矩阵。本专利技术一种高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述标定相机坐标系与总体世界坐标系之间变换矩阵的方法的具体过程为：在待测物体运动平台上放置平面靶标，靶标特征点在总体世界坐标系GCS中的坐标已知，在相机坐标系CCS1中的坐标可以计算得到，由此可确定CCS1和GCS之间的变换矩阵，同理可求得其他相机坐标系与总体世界坐标系之间的变换矩阵，从而实现对多相机的全局标定。本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法采用多相机视场拼接的方式实现大视场下的位姿测量，能够在不降低测量精度的前提下增加位姿测量系统的测量范围；采用黑色圆形标志点组成的标志物作为位姿测量时的靶标，采用常见的工业相机作为图像采集设备，在降低成本的同时降低了标定的难度，适合实际工程项目使用；提出的位姿测量系统精度标定方法具有简单快捷、稳定可靠的特点，仅需采集一次测试图像即可获得大量的测试数据，实现对系统位姿测量精度的标定。附图说明图1为本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定装置的整体装置图。图2为本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法的视场拼接坐标示意图。图3为本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法的相机坐标系之间的坐标变换示意图。图4为本专利技术高精度大视场机器视觉测量与标定方法的相机坐标系与总体世界坐标系之间的变换示意图。图5为实施例六基于人工靶标的精度标定方法的位置测量精度标定靶标示意图。图6为实施例六基于人工靶标的精度标定方法的姿态测量精度标定靶标示意图。附图说明有：1为工业相机；2为相机支架；3为图像采集卡；4为工控机。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的高精度大视场机器视觉测量与标定装置，包括工业相机、相机支架、图像采集卡和工控机，相机支架与工业相机固定连接，4个工业相机分别位于每个视场子区域的上方，工业相机的信号输出端与图像采集卡的信号输入端连接，图像采集卡的输出端与工控机的输入端连接。相机支架与工业相机固连，用于支撑工业相机。工业相机共有4个，分别用于每个视场子区域的视觉测量。图像采集卡用于接收4个相机传回的图像数据，并将图像数据传输到工控机中。工控机中运行多相机视场拼接算法，将多个相机的测量数据统一到同一个坐标系中，之后用于其他视觉测量算法的处理。实施例二：如图2-4所示，本实施例所涉及的高精度大视场机器视觉测量与标定方法，所述高精度大视场机器视觉测量与标定方法的具体步骤为：步骤一：定义多相机视场拼接时使用的坐标系；步骤二：根据建立完成的相关坐标系，通过平面靶标确定相机坐标系之间坐标变换矩阵；步骤三：根据求得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高精度大视场机器视觉测量与标定装置，其特征在于，所述高精度大视场机器视觉测量与标定装置包括工业相机(1)、相机支架(2)、图像采集卡(3)和工控机(4)，相机支架(2)与工业相机(1)固定连接，4个工业相机(1)分别位于每个视场子区域的上方，工业相机(1)的信号输出端与图像采集卡(3)的信号输入端连接，图像采集卡(3)的输出端与工控机(4)的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.高精度大视场机器视觉测量与标定装置，其特征在于，所述高精度大视场机器视觉测量与标定装置包括工业相机(1)、相机支架(2)、图像采集卡(3)和工控机(4)，相机支架(2)与工业相机(1)固定连接，4个工业相机(1)分别位于每个视场子区域的上方，工业相机(1)的信号输出端与图像采集卡(3)的信号输入端连接，图像采集卡(3)的输出端与工控机(4)的输入端连接。2.高精度大视场机器视觉测量与标定方法，其特征在于，所述高精度大视场机器视觉测量与标定方法的具体步骤为：步骤一：定义多相机视场拼接时使用的坐标系；步骤二：根据建立完成的相关坐标系，通过平面靶标确定相机坐标系之间坐标变换矩阵；步骤三：求得相机坐标系之间的坐标变换关系后，进一步求出相机坐标系与总体世界坐标系之间变换矩阵的方法，从而实现多相机的全局标定；步骤四：将多个相机的测量数据统一到同一个相机坐标系中，最后将该相机坐标系中的数据变换到总体世界坐标系中。3.根据权利要求2所述的高精度大视场机器视...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏红伟，张昊翔，马广程，马长波，王常虹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23