視覺傳感器的標(biāo)定技術(shù)
??????? 雙目視覺傳感器由兩臺(tái)性能相同的面陣CCD攝像機(jī)組成，基于立體視差的原理，可完成視場(chǎng)內(nèi)的所有特征點(diǎn)的三維測(cè)量，尤其是其它類型的視覺傳感器所不能完成的測(cè)量任務(wù)，如圓孔的中心、三棱頂點(diǎn)位置的測(cè)量等。因此，雙目視覺傳感器是多傳感器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的主要傳感器之一。要實(shí)現(xiàn)雙目視覺傳感器直接測(cè)量大型物體關(guān)鍵點(diǎn)的三維測(cè)量，就必須知道傳感器的內(nèi)部參數(shù)(攝像機(jī)的參數(shù))、結(jié)構(gòu)參數(shù)(兩攝像機(jī)間的位置關(guān)系)及傳感器坐標(biāo)系與檢測(cè)系統(tǒng)的整體坐標(biāo)系的關(guān)系(即全局標(biāo)定)。因此，在實(shí)際測(cè)量之前，先要對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。一般方法是，傳感器被提供給整個(gè)系統(tǒng)使用前，就離線完成傳感器的內(nèi)部參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定，采用一標(biāo)準(zhǔn)二維精密靶標(biāo)及一維精密導(dǎo)軌，通過移動(dòng)導(dǎo)軌來確定坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)，通過攝像機(jī)的像面坐標(biāo)及三個(gè)世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系求得這些參數(shù)
????????這種方法的缺點(diǎn)是：標(biāo)定過程中，需要精確調(diào)整靶標(biāo)與導(dǎo)軌的垂直關(guān)系，而且需多次準(zhǔn)確移動(dòng)導(dǎo)軌；同時(shí)標(biāo)定過程的環(huán)境與實(shí)際測(cè)量的情形有差異；傳感器在安裝的過程中，易引起部分參數(shù)的變化，需多次的拆卸；攝像機(jī)還需進(jìn)行全局標(biāo)定。由此可知標(biāo)定的勞動(dòng)強(qiáng)度大，精度難以保證。本文提出了一種現(xiàn)場(chǎng)雙目傳感器的標(biāo)定方法，只需先確定攝像機(jī)的部分不易變化的參數(shù)，其它參數(shù)在攝像機(jī)安裝到整個(gè)系統(tǒng)后進(jìn)行標(biāo)定。該方法大大地減少了上述因素的影響，能得到滿意的標(biāo)定精度。
2 雙目視覺傳感器三坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型
2.1 攝像機(jī)模型 假定攝像機(jī)模型為理想的針孔透視變換模型，不考慮透鏡的畸變，采用較好的光學(xué)鏡頭，獲得的精度足以滿足象白車身檢測(cè)一類的大型尺寸檢測(cè)系統(tǒng)。建立如圖2所示的攝像機(jī)模型?！ ≡O(shè)(x,y,z)是空間點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系(定義如圖2)中的三維坐標(biāo)，攝像機(jī)坐標(biāo)系定義為：中心在O點(diǎn)(光學(xué)中心)，Z軸與光軸重合。OXY是中心在O點(diǎn)(光軸Z與圖像平面的交點(diǎn))平行于x、y軸的圖像坐標(biāo)系。物空間點(diǎn)與OXY像面間構(gòu)成理想的透視對(duì)應(yīng)。圖像在計(jì)算機(jī)中的坐標(biāo)系Ofuv的單位是像素(pixels)，則oxyz空間點(diǎn)到像面的透視變換為：
2.2 雙目視覺傳感器三坐標(biāo)測(cè)量模型 由兩臺(tái)CCD攝像機(jī)組成的空間三坐標(biāo)測(cè)量傳感器的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的各種坐標(biāo)系如圖3所示。設(shè)攝像機(jī)1位于傳感器測(cè)量坐標(biāo)系oxyz的原點(diǎn)處且無旋轉(zhuǎn)，像面坐標(biāo)系為O1X1Y1，有效焦距為f1，像面中心為(u01，v01)；攝像機(jī)2坐標(biāo)系為o2x2y2z2，像面坐標(biāo)系為O2X2Y2，有效焦距為f2，像面中心為(u02，v02)，攝像機(jī)模型如前所述。 參數(shù)標(biāo)定 橫縱像素轉(zhuǎn)換當(dāng)量比sx與圖像中心點(diǎn)(u0,v0)的標(biāo)定 對(duì)CCD面陣攝像機(jī)而言，CCD面陣上相鄰兩行像素的間距已知，而X方向的等效間距受時(shí)序及采樣的影響，將是不確定的。因焦距同時(shí)在X和Y方向上放縮圖像，假定垂直像素間距為1，則此時(shí)sx代表圖像的橫縱比。因此，垂直拍攝一個(gè)圓環(huán)，然后計(jì)算水平方向和垂直方向上的直徑比，就可求得sx。實(shí)際X方向的等效間距為sx與Y方向?qū)嶋H像素間距的乘積?！ ∫?yàn)閿z像機(jī)CCD面陣安裝并不能保證與透鏡的光軸為中心，且圖像采集數(shù)字化的窗口的中心不一定與光學(xué)中心重合，這些因素造成了實(shí)際中心與圖象幀存中心不重合。所以對(duì)三維視覺來說，必須精確標(biāo)定攝像機(jī)的光學(xué)中心。利用激光束照射攝像機(jī)的透鏡系統(tǒng)，根據(jù)激光束的反射情況調(diào)節(jié)激光束使其精確地通過光學(xué)中心，此時(shí)圖像中激光束的像(一個(gè)光點(diǎn))表示出了圖像中心，這種直接的標(biāo)定方法簡(jiǎn)便且有足夠的精度。