王春梅，張付祥，李偉峰，馬嘉琦

(河北科技大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

0 引言

目前,視覺定位方法主要有單目視覺定位與雙目視覺定位。單目視覺多用于近距離的平面測量，雙目視覺可以實(shí)現(xiàn)立體測量、但測量精度隨著距離的增加而降低[1-2]。單目視覺立體定位是通過采用三坐標(biāo)測量機(jī)等特殊設(shè)備操作相機(jī)的移動，在兩個(gè)不同的位置獲取兩張圖片進(jìn)行處理，得到對應(yīng)點(diǎn)的視差值，進(jìn)而求得三維信息[4-5]。雙目視覺立體定位[6-7]由兩臺相機(jī)組成，雙目視覺可以獲得三維位置信息，但是其精度很低，且隨著測量距離的增加而降低[8-9]。目前，針對圓鋼圖像處理方面的研究僅限于端面的識別及計(jì)算根數(shù)[3]，對圓鋼端面中心的定位還沒有通用的算法。

1 視覺定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主輔眼視覺定位方案

鋼鐵廠生產(chǎn)的圓鋼需要按用戶需求的規(guī)格和重量進(jìn)行探傷并打捆后在每一根圓鋼的端面進(jìn)行貼標(biāo)[10-11]。成捆的圓鋼端面進(jìn)行視覺識別和中心定位(即X、Y坐標(biāo))的精度控制在±1mm，圓鋼端面中心的深度(即Z坐標(biāo))的視覺定位精度為±5mm。結(jié)合單目視覺和雙目視覺定位的優(yōu)點(diǎn)，提出一種主輔眼視覺定位方法，主輔眼視覺定位系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 主輔眼視覺定位系統(tǒng)方案

圓鋼水平放置，主相機(jī)布置在圓鋼端面的正前方，輔相機(jī)在圓鋼端面左前方，主相機(jī)與輔相機(jī)的軸線相交于圓鋼端面處。C1和C2分別代表主相機(jī)和輔相機(jī)的光心位置，沿X軸放置。以C1為原點(diǎn)建立XYZ坐標(biāo)系，X軸水平朝右為正方向，Z軸向后為正方向，Y軸符合右手定則、向下為正方向。C1、C2的距離稱為基線b。主相機(jī)用來求取X、Y坐標(biāo)，主相機(jī)與輔相機(jī)結(jié)合求取深度Z坐標(biāo)。

1.2 主輔眼視覺系統(tǒng)搭建

成捆圓鋼直徑大約為360mm，相機(jī)照射的視野范圍900×900mm，相機(jī)擺放位置距離圓鋼端面1100mm。經(jīng)計(jì)算選擇大恒MER-500-7UM/UC相機(jī)。光源選擇上海方千光電科技有限公司生產(chǎn)的型號VR144-B的LED環(huán)形光源，與光源配套的電源型號為VPD-24S。考慮到過濾雜光，光源配置為藍(lán)色光、相機(jī)配套選用藍(lán)色濾鏡，型號為BP470-30.5。以工控機(jī)作為控制單元，建立起主輔眼視覺定位試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主輔眼視覺定位試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2 主輔眼視覺定位系統(tǒng)標(biāo)定方法

2.1 主相機(jī)平面標(biāo)定

采用三角內(nèi)插值法進(jìn)行標(biāo)定[12]。將標(biāo)定板放到圓鋼端面處，主相機(jī)采集標(biāo)定板圖像，設(shè)置參數(shù)包括標(biāo)定板上標(biāo)定點(diǎn)的行數(shù)、列數(shù)和二值化閾值，對標(biāo)定板圖像進(jìn)行圖像處理，識別標(biāo)定點(diǎn)，將識別出來的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)保存，如圖3建立坐標(biāo)系。

圖3 三角內(nèi)插值法坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖

XOY為世界坐標(biāo)系，ucv是圖片上的像素坐標(biāo)系，在世界坐標(biāo)系XOY中三角形P1P2P3在像素坐標(biāo)系ucv的投影為p1p2p3，P點(diǎn)在三角形P1P2P3中，與P點(diǎn)對應(yīng)的p則在三角形p1p2p3中，已知點(diǎn)P1(X1,Y1)，P2(X2,Y2)，P3(X3,Y3)和P(X,Y)的坐標(biāo)則有如下關(guān)系式：

(1)

與點(diǎn)P1，P2，P3和P對應(yīng)的點(diǎn)為p1(u1,v1)，p2(u2,v2)，p3(u3,v3)和p(u,v)也有如下關(guān)系式：

(2)

求解式(1)和式(2)可得m、n，k、l的值，可以證明m=k，n=l，因此已知像素坐標(biāo)系中三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的像素坐標(biāo)與該三角形內(nèi)的一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)，并且已知三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的世界坐標(biāo)，就可以求出目標(biāo)點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

2.2 主輔相機(jī)立體標(biāo)定

主輔相機(jī)應(yīng)用張正友標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定，首先制作一塊棋盤格式的標(biāo)定板，首先主輔相機(jī)獲取成對圖像，之后按照標(biāo)定工具箱的步驟進(jìn)行圖像讀取、角點(diǎn)提取、參數(shù)標(biāo)定和參數(shù)保存操作。主輔相機(jī)采用張正友標(biāo)定法，通過MATLAB標(biāo)定工具箱對主輔相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

3 主輔眼視覺定位方法

主輔眼視覺定位方法分為主相機(jī)求取X、Y坐標(biāo)，與主輔相機(jī)求取Z坐標(biāo)兩部分。主相機(jī)獲取圖像經(jīng)過圖像增強(qiáng)、二值化、去處干擾區(qū)域等操作后，進(jìn)行圖像分割，最后用最小二乘法進(jìn)行圓形擬合，獲得圓鋼端面的像素坐標(biāo)，通過主相機(jī)標(biāo)定原理可以計(jì)算出圓鋼端面X、Y的世界坐標(biāo)。

主輔相機(jī)在獲取圖像后首先要進(jìn)行極線校正，之后與主相機(jī)一樣進(jìn)行圖像增強(qiáng)等一系列處理，之后獲得主輔圖像各自圓鋼端面的像素坐標(biāo)，通過形心匹配方法對主輔圖像上圓鋼中心進(jìn)行匹配，獲得視差值，最后求得圓鋼端面深度值Z。

3.1 主相機(jī)平面定位

主相機(jī)獲取圖像后進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，如圖4所示為圖像增強(qiáng)的前后對比。

圖4 圖像增強(qiáng)的前后對比

圖像增強(qiáng)采用灰度變換。對圖像進(jìn)行整體的統(tǒng)計(jì)，記錄每一個(gè)像素點(diǎn)上的灰度值，設(shè)定一個(gè)閾值，讓小于一定值的灰度值等于0，大于一定值的灰度值等于255。圖像的二值化就是將圖像變?yōu)橹挥泻诎變煞N顏色的圖像，如圖5所示。

圖5 圖像二值化

圓鋼端面的輪廓都清晰的表現(xiàn)出來，但是圖片上還有許多的干擾區(qū)域。在MATLAB中采用去除過小區(qū)域的函數(shù)bwareaopen和去除與邊界相連的區(qū)域的函數(shù)imclearborder，再對圖像進(jìn)行分割處理獲得圓鋼端面的輪廓，采用最小二乘法圓形擬合[13]即可獲得圓鋼端面的中心平面坐標(biāo)，如圖6所示。由式(1)和式(2)可求出圓鋼端面坐標(biāo)X、Y坐標(biāo)。

圖6 最小二乘法擬合圓

3.2 主輔相機(jī)深度定位

主輔相機(jī)求取Z坐標(biāo)，獲取主輔圖像后進(jìn)行極線校正，如圖7所示。

圖7 極線校正后的主輔圖像

極線校正后主輔圖像上對應(yīng)點(diǎn)的y坐標(biāo)相等，通過與主相機(jī)相同的圖像增強(qiáng)、二值化等一系列處理，最后獲得主輔圖像上圓鋼端面的像素坐標(biāo)，此時(shí)的像素坐標(biāo)即為圓鋼端面的圓心坐標(biāo)，由極線校正后對應(yīng)點(diǎn)y坐標(biāo)相等的特點(diǎn)，通過對像素坐標(biāo)x坐標(biāo)匹配即可獲得相應(yīng)的匹配點(diǎn)，此為形心匹配，形心匹配大大簡化了立體匹配的過程，提高了效率。

主輔眼視覺定位通過視差值求取深度信息。主圖像經(jīng)過圖像處理、圓形擬合得到圓鋼端面中心像素坐標(biāo)為(u1,v1)，輔圖像同樣獲得與主圖像對應(yīng)圓鋼的像素坐標(biāo)(u2,v2)，經(jīng)計(jì)算得深度值Z。

(3)

式中，x1為主圖像擬合圓的X坐標(biāo)；x2為輔圖像擬合圓的X坐標(biāo)；y為擬合圓的Y坐標(biāo)；f為相機(jī)焦距。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將主輔相機(jī)按照圖1所示固定，將圓鋼放好并對每一根圓鋼進(jìn)行編號，如圖8所示。

圖8 圓鋼位置與編號

1、2、3、4、6、7號圓鋼端面位于同一平面上，其余圓鋼端面位置相對1、2、3、4、6、7號圓鋼設(shè)置伸縮量，如圖9所示。5號鋼端面相對尺寸為12mm，見圖9a；10號鋼端面相對尺寸為11mm，見圖9b；9號鋼端面相對尺寸為10mm，見圖9c；8號鋼端面相對尺寸為9mm，見圖9d。

(a) 5號圓鋼端面縮進(jìn)12mm (b) 10號圓鋼端面縮進(jìn)11mm

(c) 9號圓鋼端面縮進(jìn)10mm (d) 8號圓鋼端面縮進(jìn)9mm圖9 圓鋼端面深度測量

連接光源，對主相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定并保存數(shù)據(jù)，對主輔相機(jī)進(jìn)行立體標(biāo)定并保存數(shù)據(jù)，采集圖像，對主相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，求取圓鋼端面的X、Y坐標(biāo)；之后通過對主輔相機(jī)圖像處理，對圓鋼端面進(jìn)行最小二乘圓形擬合，獲得圓鋼端面中心的像素坐標(biāo)，通過中心點(diǎn)對圓鋼進(jìn)行匹配對應(yīng)，最后求取每根圓鋼的視差值，最終求取圓鋼端面深度信息Z坐標(biāo)，10根圓鋼端面中心坐標(biāo)如表1所示。

表1 圓鋼端面中心坐標(biāo)

由表2計(jì)算出1、2、3、4、6、7號鋼Z坐標(biāo)的平均值為1355.6。第5、8、9、10號鋼與Z的平均值之差的絕對值為：15、5、12.9、13.8。5、8、9、10號鋼的Z坐標(biāo)相對誤差為3、-4、2.9、2.8。本系統(tǒng)用小二乘法擬合圓獲得的圓鋼端面像素坐標(biāo)，求取的深度值的精度范圍小于±5mm，滿足設(shè)定技術(shù)指標(biāo)。

目前，主輔眼視覺定位系統(tǒng)已經(jīng)集成到成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)中并在石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司大型連軋線示范應(yīng)用，機(jī)器人自動貼標(biāo)系統(tǒng)如圖10所示，采用直徑為50mm的標(biāo)簽對直徑為60mm的成捆圓鋼進(jìn)行貼標(biāo)，貼標(biāo)過程中能有效控制機(jī)器人末端操作器的進(jìn)深，最終的貼標(biāo)效果如圖14所示，平面定位精度小于±1mm，滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求。

圖10 成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用及貼標(biāo)效果

5 結(jié)論

本文提出一種主輔眼視覺定位方法，主相機(jī)采用單目視覺定位求取X、Y坐標(biāo)，主輔相機(jī)采用雙目視覺定位求取Z坐標(biāo)。充分結(jié)合了單目平面定位的高精度和采用形心匹配雙目立體定位的簡便性，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場示范應(yīng)用，主輔眼視覺定位方法能夠滿足貼標(biāo)機(jī)器人對圓鋼端面中心坐標(biāo)定位精度的要求。