胡洋++任小洪++彭彩平

摘 要因?yàn)橄鄼C(jī)鏡頭都會(huì)發(fā)生畸變影響測(cè)量結(jié)果，為了把圖像變換到?jīng)]有畸變的理想狀態(tài)就需要進(jìn)行必要的標(biāo)定，相機(jī)標(biāo)定是視覺測(cè)量中的必要環(huán)節(jié)。本文采用Halcon軟件中的標(biāo)定助手實(shí)現(xiàn)對(duì)CDD相機(jī)的標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定理論和圖像成像原理逐步求出了相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，標(biāo)定結(jié)果快速準(zhǔn)確，得到了測(cè)量刀具磨損所需的各個(gè)相機(jī)參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺 Halcon軟件 相機(jī)標(biāo)定 刀具磨損測(cè)量

1 引言

刀具的磨損檢測(cè)已成為機(jī)床加工中的必要環(huán)節(jié)，刀具的運(yùn)行狀態(tài)和質(zhì)量直接決定著切削加工的精度和效率，在機(jī)器視覺測(cè)量刀具磨損量的過程中，相機(jī)標(biāo)定的是否準(zhǔn)確會(huì)直接影響到測(cè)量精度和誤差。因?yàn)橄鄼C(jī)鏡頭都有一定的畸變，采集的圖像會(huì)扭曲變形，影響圖像處理并導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，從而給帶來一定誤差，為了把圖像變換到?jīng)]有畸變的理想狀態(tài)，就需要事先對(duì)相機(jī)進(jìn)行必要的標(biāo)定。對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的目的是找出確定相機(jī)拍攝的刀具圖像在整幅圖像中的位置以及圖像中各個(gè)像素點(diǎn)之間的距離以及相互關(guān)系，因而就有必要建立相機(jī)成像的幾何模型，相機(jī)標(biāo)定就是求解相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的過程。

2 標(biāo)定理論

2.1 成像的幾何模型

在機(jī)器視覺中，常常采用右手準(zhǔn)則來定義坐標(biāo)系，成像平面有三個(gè)不同的坐標(biāo)系。

（1）世界坐標(biāo)系（XW，YW，ZW）就是全局坐標(biāo)系，也就是我們常說的現(xiàn)實(shí)的坐標(biāo)系，是可以自己選取和定義的一個(gè)客觀世界的三維的空間坐標(biāo)系。

（2）攝像機(jī)坐標(biāo)系（XC，YC），以小孔成像模型的焦距中心作為攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)和相機(jī)的光軸組成的一個(gè)三維坐標(biāo)系。

（3）圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系又分為圖像的像元坐標(biāo)系（u，v）和圖像的物理模型坐標(biāo)系（r，c），前者坐標(biāo)系的原點(diǎn)是相機(jī)透鏡的光軸與圖像平面的交叉點(diǎn)，后者坐標(biāo)系是固定在圖像上的，它的單位是像素。

根據(jù)空間上的點(diǎn)成像到圖像平面上的路線，方向依次向左：現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系映射到相機(jī)坐標(biāo)系，再從相機(jī)坐標(biāo)系變換到圖像坐標(biāo)系，這個(gè)過程中存在畸變，因此需要進(jìn)行變換處理，畸變的處理是從圖像坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系，然后從相機(jī)坐標(biāo)系再到世界坐標(biāo)系。

2.2 坐標(biāo)系變換

從點(diǎn)成像到畸變的處理，大致需要進(jìn)行四次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系、從攝像機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系、從真實(shí)成像平面坐標(biāo)到理想坐標(biāo)及理想坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到圖像坐標(biāo)系。

（1）世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系，空間點(diǎn)PW到PC的轉(zhuǎn)換。

（2）從攝像機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系。攝像機(jī)點(diǎn)PC轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)系。

（3）從真實(shí)成像平面坐標(biāo)到理想坐標(biāo)。

（4）理想坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到圖像坐標(biāo)系。

2.3 Halcon軟件標(biāo)定實(shí)現(xiàn)

本文采用了Halcon軟件上自帶的標(biāo)定助手來對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。其具體完成步驟如下：

（1）按照從菜單欄中選擇助手，然后打開新的Calibration，進(jìn)入相機(jī)安裝頁面，導(dǎo)入標(biāo)定板文件和相機(jī)參數(shù)，選擇相機(jī)模型。

標(biāo)定任務(wù)：本研究中標(biāo)定任務(wù)默認(rèn)為全標(biāo)定；攝像機(jī)模型選擇：有面掃描和線掃面，面掃描分為Division和多項(xiàng)式，這里選擇Division模式，不考慮切向畸變，按一般情況模式設(shè)置；單個(gè)像元的寬Sx和高Sy相機(jī)說明書都有像元大小，這里為1.13μm×1.13μm；焦距：前面相機(jī)鏡頭中參數(shù)已經(jīng)給出。

（2）進(jìn)入標(biāo)定頁面之后打開標(biāo)定圖像，然后進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)入標(biāo)定界面之后，如果是實(shí)時(shí)的采集則選擇圖像采集助手，如果事先已經(jīng)保存好的文件就選擇圖像文件，加載標(biāo)定的圖像，標(biāo)定圖像越多越好，最好12幅以上更精確。選擇一幅圖像作為參考位置，設(shè)置過程如圖1所示。

圖像品質(zhì)：圖像是否過曝，標(biāo)定圖像數(shù)量是否過少，一般不能超過70的默認(rèn)警告等級(jí)。

（3）在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置之后，進(jìn)入到結(jié)果界面，如果沒有問題，則點(diǎn)擊標(biāo)定，自動(dòng)進(jìn)入標(biāo)定結(jié)果界面。具體參數(shù)如圖1所示。

可以看到狀態(tài)為標(biāo)定成功，內(nèi)外參數(shù)已經(jīng)求解出來，平均誤差為0.01638個(gè)像素。如果不需要再修改，點(diǎn)擊保存，保存相機(jī)的內(nèi)參。

Kapp：相機(jī)畸變系數(shù)，為-27418.6（1/m2）；相機(jī)位姿：如圖1所示，即為X，Y，Z后面的數(shù)值代表在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的距離，后面的方向旋轉(zhuǎn)代表在各自坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度。也可以點(diǎn)擊保存，保存相機(jī)的外參。

3 結(jié)論

本文提出了對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定詳細(xì)有效的方法，通過機(jī)器視覺中刀具磨損圖像的深入研究，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析用檢測(cè)刀具磨損狀態(tài)的精確度較高，重復(fù)精度在0.008mm以內(nèi)，方差小于0.02，該標(biāo)定方法能夠充分發(fā)揮Halcon軟件高精度快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)，能夠用于刀具磨損的高精度復(fù)雜的測(cè)量。

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作者單位

四川理工學(xué)院自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 四川省自貢市 643000