機器視覺軟件Sherlock的應用――標定

關鍵詞：標定（calibrate） 校正 放射性失真 畸變 虛擬相機

在應用機器視覺進行檢測或測量時，要得到精確的測量值，需要相機CCD平面和實際檢測或測量零件的表面相平行。否則，將發生透視性失真，從而很難保證精度。相機CCD與零件表面的平行通常通過人工調整夾具來保證。但是，調整夾具不可能完全保證平行，而且需要耗費很長的時間。

相機所拍攝圖像的坐標系并不是用戶實際需要的坐標系，因此需要將坐標系轉換成用戶需要的坐標系。

機器視覺軟件Sherlock利用標定很容易修正仿射性失真引起的畸變，并可方便的進行坐標變換。

1 相機標定工作原理

相機標定就是將相機像素坐標系轉換成用戶實際測量或檢測所需要的坐標系，使虛擬攝像機以真實單位進行精密測量。

Sherlock的相機標定利用了透視算法進行標定。每一次失真的類型都不一定相同，透視校正算法將對仿射變換和線性透視畸變進行補償，特別是當攝像機平面和物體平面不平行的時候，圖像中物體的直線仍然是直的，但是平行線不再平行（如圖1，透視失真），標定將補償仿射變換和少量的非線性畸變。

Sherlock的相機標定方法是在一個虛擬相機中利用四點坐標系函數來建立四點的位置。這樣，根據相機中的四個點的位置同實際坐標的關系，Sherlock可以通過內部數學轉換進行坐標變換，來校正仿射性失真或由于比例、偏移和旋轉（傾斜）引起的變化。

當攝像機傳感器平面和物體平面之間存在一個角度時，透視畸變就會發生。此時棋盤上的正方形看起來像梯形。透視畸變的數學公式如下：

u=(ax+by+c)/(hx+hy+I),

υ=(dx+ey+?)/(gx+hy+i)

（x,y）是攝像機或物體平面上的坐標，（u,v）是另一個平面上的轉換坐標。A,b,c,d,e,f,g,h和I是透視畸變算法從內部取出用于轉換每個要求點的轉換參數。

2 相機標定的步驟

圖2是標定主頁圖。相機標定的一般步驟如下：

（1）建立一個子程序（Insert | Subroutine）。

（2）在策略窗口樹的頂部雙擊子程序圖標，Sherlock顯示子程序編輯對話框。

（3）編輯子程序，選取“Execute During Calibration”點擊OK按鈕保存并且退出。

（4）創建一個虛擬相機（Insert | Subroutine）。

（5）通過使用菜單命令（Stakeout | Options）顯示默認的相機坐標柵格，在坐標柵格下方選擇“Lines"，然后點擊OK按鈕退出對話框。

圖2

（6）將一個已知尺寸的零件作為標定塊放置在相機的視野范圍內。

（7）在虛擬相機窗口，選擇零件上的四個特征點作為標定點。

（8）在子程序中插入公式（fromular）。編輯公式，將四個特征點的坐標作為公式的輸入值，選擇標定（calibrate）函數。

（9）編輯標定（calibrate）函數的參數，輸入四個標定點的實際坐標值。

（10）再次選擇菜單命令（Investigate | Calibrate），將出現新的坐標柵格。可以在Stakeout | Options中改變柵格大小。

（11）對其他零件進行測量，測量的結果將是實際測量值。

3 單個相機多個標定

Sherlock的標定在同一個測量平面內是有效的。如果用一臺相機對多個平面的尺寸進行測量，那么就需要進行多個標定。如圖3所示，用一臺相機測量Ф5和Ф10尺寸，如果相機從上面拍攝，由于兩個平面距離相機的遠近不同，所以兩個平面在所拍攝的圖像中對應的比例也不同，如果對Ф10的平面進行標定，則Ф5的平面上測量的結果就不準確，同樣，對Ф5的平面進行標定，則Ф10的平面上測量的結果就不準確。Sherlock可以對同一相機產生兩個多個虛擬相機（stakeout），在該圖中可以利用兩個虛擬相機（stakeout），分別對Ф5的平面和Ф10的平面進行標定，這樣就能得到精確的結果。

4 虛擬相機的一個標定

在機器視覺中，有時候多個虛擬相機（stakeout）可能只對一個平面進行測量或檢測，或者多個相機所測量或檢測的物體與相機的CCD平面距離相等，此時如果對每一個虛擬相機都進行標定將很耗時，這種情況下，Sherlock可以只對一個虛擬相機進行標定，以使多個虛擬相機可利用同一標定進行測量或檢測。