雙目視覺(jué)傳感器系統(tǒng)

雙目視覺(jué)傳感器系統(tǒng)視覺(jué)檢測(cè)廣泛地應(yīng)用于工件的完整性、表面平整度的測(cè)量:微電子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自動(dòng)檢測(cè);軟質(zhì)、易脆零部件的檢測(cè);各種模具三維形狀的檢測(cè);機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)引等。最具有吸引力的是由視覺(jué)傳感器陣列組成的大型物體(如白車(chē)身)空間三維尺寸多傳感器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。雙目視覺(jué)傳感器由兩臺(tái)性能相同的面陣CCD攝像機(jī)組成,基于立體視差的原理,可完成視場(chǎng)內(nèi)的所有特征點(diǎn)的三維測(cè)量,尤其是其它類(lèi)型的視覺(jué)傳感器所不能完成的測(cè)量任務(wù),如圓孔的中心、三棱頂點(diǎn)位置的測(cè)量等。因此,雙目視覺(jué)傳感器是多傳感器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的主要傳感器之一。要實(shí)現(xiàn)雙目視覺(jué)傳感器直接測(cè)量大型物體關(guān)鍵點(diǎn)的三維測(cè)量,就必須知道傳感器的內(nèi)部參數(shù)(攝像機(jī)的參數(shù))、結(jié)構(gòu)參數(shù)(兩攝像機(jī)間的位置關(guān)系)及傳感器坐標(biāo)系與檢測(cè)系統(tǒng)的整體坐標(biāo)系的關(guān)系(即全局標(biāo)定)。因此,在實(shí)際測(cè)量之前,先要對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。一般方法是,傳感器被提供給整個(gè)系統(tǒng)使用前,就離線完成傳感器的內(nèi)部參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定,采用一標(biāo)準(zhǔn)二維精密靶標(biāo)及一維精密導(dǎo)軌,通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)軌來(lái)確定坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo),通過(guò)攝像機(jī)的像面坐標(biāo)及三個(gè)世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系求得這些參數(shù)。這種方法的缺點(diǎn)是:標(biāo)定過(guò)程中,需要精確調(diào)整靶標(biāo)與導(dǎo)軌的垂直關(guān)系,而且需多次準(zhǔn)確移動(dòng)導(dǎo)軌;同時(shí)標(biāo)定過(guò)程的環(huán)境與實(shí)際測(cè)量的情形有差異;傳感器在安裝的過(guò)程中,易引起部分參數(shù)的變化,需多次的拆卸;攝像機(jī)還需進(jìn)行全局標(biāo)定。由此可知標(biāo)定的勞動(dòng)強(qiáng)度大,精度難以保證。本文提出了一種現(xiàn)場(chǎng)雙目傳感器的標(biāo)定方法,只需先確定攝像機(jī)的部分不易變化的參數(shù),其它參數(shù)在攝像機(jī)安裝到整個(gè)系統(tǒng)后進(jìn)行標(biāo)定。該方法大大地減少了上述因素的影響,能得到滿意的標(biāo)定精度。雙目視覺(jué)測(cè)量探頭由2個(gè)CCD攝像機(jī)和1個(gè)半導(dǎo)體激光器組成，如下圖所示。半導(dǎo)體激光器作為光源,它發(fā)射出一點(diǎn)光源射到一柱狀透鏡上后變成一條直線。該線激光投射到工件表面,作為測(cè)量標(biāo)志線。激光波長(zhǎng)為650nm,其掃描激光線寬約為1mm。2個(gè)普通CCD攝像機(jī)呈一定角度放置,構(gòu)成深度測(cè)量的傳感器。CCD鏡頭焦距長(zhǎng)短會(huì)影響鏡頭光軸與線激光的夾角、探頭與待測(cè)物體的距離以及測(cè)量景深。視覺(jué)測(cè)量屬于一種非接觸式測(cè)量,它是基于激光三角法測(cè)量原理。激光器1發(fā)出的光線經(jīng)柱狀透鏡單方向擴(kuò)展后變成一光條,投射在被測(cè)物體表面,由于物體表面曲度或深度的變化,使光條變形,由CCD攝像機(jī)攝取此變形光條的圖像,這樣就可以由激光束的發(fā)射角和激光束在CCD內(nèi)成像位置,通過(guò)三角幾何關(guān)系獲得被測(cè)點(diǎn)的距離或位置等數(shù)據(jù)。與人類(lèi)使用雙眼觀察物體的遠(yuǎn)近類(lèi)似,雙目視覺(jué)測(cè)量傳感器是通過(guò)2個(gè)CCD攝像機(jī)同時(shí)攝取一個(gè)光條的圖像,再通過(guò)兩幅圖像的匹配,得到光條上所有像素點(diǎn)分別在兩幅圖像中的位置,利用視差,即可計(jì)算該點(diǎn)的位置以及深度信息的。如果配合掃描機(jī)構(gòu)得到的掃描線某一坐標(biāo)值,可得到被掃描物體所有的輪廓信息(即三維坐標(biāo)點(diǎn))。一般來(lái)說(shuō),雙目傳感器的視差(x2-x1)越大,則其測(cè)量精度越高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增大基線長(zhǎng)度可以提高視覺(jué)測(cè)量的精度。但對(duì)某一焦距的鏡頭,過(guò)大的基線長(zhǎng)度會(huì)造成雙目軸線夾角增大,使圖像產(chǎn)生較大畸變,不利于CCD的標(biāo)定及特征匹配,反而使測(cè)量精度下降。選擇2色活動(dòng)圖像。云臺(tái)作為CCD攝像機(jī)的支架，用以控制攝像機(jī)左右搖擺或上下俯仰?？刂浦鳈C(jī)作為圖像傳輸及處理，是視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。由于圖像處理的數(shù)據(jù)量較大，運(yùn)行時(shí)間也較長(zhǎng)，要想實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，除了在盡量?jī)?yōu)化算法的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該盡可能的提高控制主機(jī)的硬件設(shè)備要求。對(duì)于不同的傳感器和采集卡，對(duì)主機(jī)要求也不同。圖所示為CCD圖像傳感器工作原理框圖。器件完成曝光后光子通過(guò)像元轉(zhuǎn)換為電子電荷包，電荷包順序轉(zhuǎn)移到共同的輸出端，通過(guò)輸出放大器將大小不同的電荷包(對(duì)應(yīng)不同強(qiáng)弱的光信號(hào))轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，緩沖并輸出到芯片外的信號(hào)處理電路。在選取器材過(guò)程中考慮性價(jià)比，最終選用松下WV-CP470攝像頭。主要原因是該攝像頭具有同步鎖定功能，對(duì)于雙目視覺(jué)系統(tǒng)要求在同一時(shí)刻采集左右兩幅視圖，尤其是在進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)物體時(shí)，所以要求具有同步功能。該攝像頭的CCD傳感器為753×582像素，逐行變換，掃描面積是4.8×3.6mm，相當(dāng)于1/3英寸傳感器的掃描面積，水平分辨率為480線(彩色)，每秒鐘可傳送25幀圖像，在使用焦距為14mm的鏡頭時(shí)，彩色模式下最小照度為0.8lx。選擇這款鏡頭完全達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的性能要求，并能夠達(dá)到為進(jìn)一步作動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的性能要求。圖像采集卡工作原理是將輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，或?qū)?shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存或顯存，計(jì)算機(jī)可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)選取了大恒DH-CG300彩色圖形采集卡。DH-CG300是基于PCI總線的視頻/音頻采集卡，其基本結(jié)構(gòu)及工原理見(jiàn)圖。視頻圖像經(jīng)多路切換器、數(shù)字解碼器、A/D轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)。經(jīng)比例縮放、裁剪、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等處理后，由內(nèi)部RISC控制圖像覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置由軟件確定可以通過(guò)PCI總線傳輸?shù)絍GA卡上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，也可傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。圖像處理的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因而對(duì)系統(tǒng)硬件要求較高。對(duì)于顯卡的主要要求是DMA傳輸速率、