双目视觉传感器系统

双目视觉传感器系统

视觉检测广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量:微电子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自动检测;软质、易脆零部件的检测;各种模具三维形状的检测;机器人的视觉导引等。最具有吸引力的是由视觉传感器阵列组成的大型物体(如白车身)空间三维尺寸多传感器视觉检测系统。

双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成,基于立体视差的原理,可完成视场内的所有特征点的三维测量,尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务,如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此,双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三维测量,就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系(即全局标定)。因此,在实际测量之前,先要对摄像机进行参数标定。一般方法是,传感器被提供给整个系统使用前,就离线完成传感器的内部参数及结构参数的标定,采用一标准二维精密靶标及一维精密导轨,通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标,通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的对应关系求得这些参数。

这种方法的缺点是:标定过程中,需要精确调整靶标与导轨的垂直关系,而且需多次准确移动导轨;同时标定过程的环境与实际测量的情形有差异;传感器在安装的过程中,易引起部分参数的变化,需多次的拆卸;摄像机还需进行全局标定。由此可知标定的劳动强度大,精度难以保证。本文提出了一种现场双目传感器的标定方法,只需先确定摄像机的部分不易变化的参数,其它参数在摄像机安装到整个系统后进行标定。该方法大大地减少了上述因素的影响,能得到满意的标定精度。

双目视觉测量探头由2个CCD摄像机和1个半导体激光器组成，如下图所示。

半导体激光器作为光源,它发射出一点光源射到一柱状透镜上后变成一条直线。该线激光投射到工件表面,作为测量标志线。激光波长为650 nm,其扫描激光线宽约为1mm。 2个普通CCD摄像机呈一定角度放置,构成深度测量的传感器。 CCD镜头焦距长短会影响镜头光轴与线激光的夹角、探头与待测物体的距离以及测量景深。

视觉测量属于一种非接触式测量,它是基于激光三角法测量原理。激光器1发出的光线经柱状透镜单方向扩展后变成一光条,投射在被测物体表面,由于物体表面曲度或深度的变化,使光条变形,由CCD摄像机摄取此变形光条的图像,这样就可以由激光束的发射角和激光束在CCD内成像位置,通过三角几何关系获得被测点的距离或位置等数据。

与人类使用双眼观察物体的远近类似,双目视觉测量传感器是通过2个CCD摄像机同时摄取一个光条的图像,再通过两幅图像的匹配,得到光条上所有像素点分别在两幅图像中的位置,利用视差,即可计算该点的位置以及深度信息的。如果配合扫描机构得到的扫描线某一坐标值,可得到被扫描物体所有的轮廓信息(即三维坐标点)。

一般来说,双目传感器的视差(x2-x1)越大,则其测量精度越高。通过实验发现,增大基线长度可以提高视觉测量的精度。但对某一焦距的镜头,过大的基线长度会造成双目轴线夹角增大,使图像产生较大畸变,不利于CCD的标定及特征匹配,反而使测量精度下降。选择2

个焦距为8mm的镜头,通过实验,找到与之相匹配的基线长度,可保证在镜头的景深范围内,双目视觉传感器有较高的测量精度。

摄像机标定的目的是建立有效的成像模型,并确定摄像机的内外部属性参数,以便正确建立空间坐标系中物点与它在图像平面上像素之间的对应关系。由小孔成像原理,若考虑透镜径向一阶畸变,其摄像机模型如图所示。三维物点(实际坐标系的坐标Pw=(xw,yw,zw))与其平面像点(成像平面二维坐标系的坐标Pu=(xu,yu))之间的转换关系为

式中ρ= x2d+ y2d为像点到像面中心的距离;k为径向畸变参数。(xu,yu)表示没有畸变时P点在成像平面二维坐标系中的理想坐标。(xd,yd)表示没有存在畸变时P点在成像平面二维坐标系中的实际坐标。

当扫描轮廓确定后,双目视觉测量传感器将按照设定的扫描速度沿某一方向扫描,扫描过程中,可设置左右图像采集速率为每秒25帧,这些图像保存在计算机内存中。采集的图像可进行实时处理,包括特征提取、立体匹配。

图像中的激光扫描线是需要提取的特征。由于激光光条宽度约为1mm,其在摄取的图像中所占的像素数目不止一个像素,所以,激光光条图像必须做中心线搜寻处理,即激光光条需进行细化处理。细化时,采用高斯分布算法。

采用极线约束条件[4],可以搜索左图像中激光光条上某一点在右图像激光光条中的对应点,得到相应的视差后,可以计算出光条上所有点的深度信息,从而恢复工件三维信息。

在双目视觉的硬件结构中，目前通常采用两个 CCD 摄像机作为视频信号的采集设备，通过专用的图像采集卡与计算机连接，把采集到的模拟信号经过采样、滤波、量化，最终提供给计算机图像数据，如图所示。双目视觉硬件系统由视觉传感器、云台、图像采集设备及控制主机等设备构成。

图像传感器是测定图像的输入装置，通常选用CCD(电荷耦合器)传感器。来自被测对象的光通过光学系统，由CCD 器件转换成电信号(时间序列的输出信号)，然后将传感器的电荷逐步移出，形成像素。现在比较流行的图像传感器还有 CMOS 传感器。与 CCD 传感器相比，它具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与 MOS 图像传感器集成在一个芯片上的优点。但其图像质量(特别是低照度环境下)与系统灵活性与 CCD 相比相对较低。适用于小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的保安用小型微型像机、手机、计算机视频网络中等。但对于图像质量要求较高的系统中，通常会选用价格稍为昂贵的 CCD 传感器。

所谓视频采集即将视频转换成PC机可使用的数字格式。一些专业图像采集卡是将视频信号经过AD 转换后，经过 PCI总线实时传到内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用 PCI Master Burst 方式，图像传送速度可以达到 33 帧/秒，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用 CPU 时间，留给 CPU 更多的时间去做图像的运算与处理。

图像采集卡主要包括图像存储器单元、显示查找表单元、CCD 摄像头接口(A/D)、监视器接口(D/A)和 PC 总线接口单元。工作过程如下：摄像头实时或准时采集图像数据，经 A/D 变换后将图像存放在图像存储单元的一个或三个通道中，D/A 变换电路自动将图像显示在监视器上。通过主机发出指令，将某一帧图像静止在存储通道中，即采集或捕获一帧图像，然后可以对图像进行处理或存盘。高档的采集卡还包括卷积滤波、FFT 等图像处理专用软件包，并能够实时显示彩