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;多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构成的大型物体(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似的面阵CCD摄像机构成,基于立体视差的原理,可完毕视场内的所有特性点的三维测量,特别是其他类型的视觉传感器所不能完毕的测量任务,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重要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体核心点的三维测量,就必须懂得传感器的内部参数(摄像机的参数)、构造参数(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。一般措施是,传感器被提供应整个系统使用前,就离线完毕传感器的内部参数及构造参数的标定,采用一原则二维精密靶标及一维精密导轨,通过移动导轨来拟定坐标系的一种坐标,通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的相应关系求得这些参数。 这种措施的缺陷是:标定过程中,需要精确调节靶标与导轨的垂直关系,并且需多次精确移动导轨;同步标定过程的环境与实际测量的情形有差别;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措施,只需先拟定摄像机的部分不易变化的参数,其他参数在摄像机安装到整个系统后进行标定。该措施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个半导体激光器构成，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个一般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。与人类使用双眼观测物体的远近类似,双目视觉测量传感器是通过2个CCD摄像机同步摄取一种光条的图像,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,运用视差,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,过大的基线长度会导致双目轴线夹角增大,使图像产生较大畸变,不利于CCD的标定及特性匹配,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畴内,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,并拟定摄像机的内外部属性参数,以便对的建立空间坐标系中物点与它在图像平面上像素之间的相应关系。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= x2d+ y2d为像点到像面中心的距离;k为径向畸变参数。(xu,yu)表达没有畸变时P点在成像平面二维坐标系中的抱负坐标。(xd,yd)表达没有存在畸变时P点在成像平面二维坐标系中的实际坐标。当扫描轮廓拟定后,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,可设立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解决,涉及特性提取、立体匹配。图像中的激光扫描线是需要提取的特性。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种像素,因此,激光光条图像必须做中心线搜寻解决,即激光光条需进行细化解决。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相应点,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。在双目视觉的硬件构造中，目前一般采用两个 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通过采样、滤波、量化，最后提供应计算机图像数据，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，一般选用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渐移出，形成像素。目前比较流行的图像传感器尚有 CMOS 传感器。与 CCD 传感器相比，它具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号解决电路与 MOS 图像传感器集成在一种芯片上的长处。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。合用于小尺寸、低价格、摄像质量无过高规定的保安用小型微型像机、手机、计算机视频网络中档。但对于图像质量规定较高的系统中，一般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。某些专业图像采集卡是将视频信号通过AD 转换后，通过 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解决。图像采集卡重要涉及图像存储器单元、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 变换后将图像寄存在图像存储单元的一种或三个通道中，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解决或存盘。高档的采集卡还涉及卷积滤波、FFT 等图像解决专用软件包，并可以实时显示彩色活动图像。云台作为 CCD 摄像机的支架，用以控制摄像机左右摇晃或上下俯仰。控制主机作为图像传播及解决，是视觉系统的核心设备。由于图像解决的数据量较大，运营时间也较长，要想实现实时控制，除了在尽量优化算法的基本上，还应当尽量的提高控制主机的硬件设备规定。对于不同的传感器和采集卡，对主机规定也不同。图所示为 CCD 图像传感器工作原理框图。器件完毕曝光后光子通过像元转换为电子电荷包，电荷包顺序转移到共同的输出端，通过输出放大器将大小不同的电荷包(相应不同强弱的光信号)转换为电压信号，缓冲并输出到芯片外的信号解决电路。 在选用器材过程中考虑性价比，最后选用松下 WV-CP470 摄像头。重要因素是该摄像头具有同步锁定功能，对于双目视觉系统规定在同一时刻采集左右两幅视图，特别是在进一步研究动态物体时，因此规定具有同步功能。该摄像头的 CCD 传感器为 753582 像素，逐行变换，扫描面积是4.8 3.6mm，相称于 1/3 英寸传感器的扫描面积，水平辨别率为 480 线(彩色)，每秒钟可传送 25 帧图像，在使用焦距为 14mm 的镜头时，彩色模式下最小照度为 0.8lx。选择这款镜头完全达到本实验的性能规定，并可以达到为进一步作动态实验研究的性能规定。 图像采集卡工作原理是将输入的模拟信号通过 A/D 转换，或将数字摄像机的输出信号，通过计算机总线传播到计算机内存或显存，计算机可以对现场采集的图像进行解决和存储。本实验选用了大恒 DH-CG300 彩色图形采集卡。DH-CG300 是基于 PCI总线的视频/音频采集卡，其基本构造及工原理见图。视频图像经多路切换器、数字解码器、A/D 转换器，将数字化的图像数据送到数据缓存区。经比例缩放、裁剪、数据格式转换等解决后，由内部 RISC 控制图像覆盖与数据传播，数据传播目的位置由软件拟定可以通过 PCI 总线传播到VGA 卡上实现实时显示，也可传送到计算机内存中实时存储。图像解决的重要特点是数据量大、运算时间长，因而对系统硬件规定较高。对于显卡的重要规定是 DMA 传播速率、显存的读写速率。目前对主板的规定是提供符合 PCI2.1 原则的扩展槽，扩展槽同步提供 5V 电源，支持奔腾以上 CPU。PC 机图像解决系统的最小配备如下：奔腾以上 CPU，VGA 显卡，内存容量 128MB，硬盘至少 10G。