多相機(jī)視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)定與統(tǒng)一及其應(yīng)用

隨著機(jī)器視覺應(yīng)用的日益廣泛，大幅面多相機(jī)視覺系統(tǒng)的需求越來越多，主要應(yīng)用方向?yàn)榇蠓?a target="_blank">高精度的定位與測量和場景拼接等。

多相機(jī)視覺系統(tǒng)的難點(diǎn)在于多相機(jī)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。 可以分為兩類，一是相機(jī)視野間無重疊部分，二是相機(jī)視野間有重疊部分。

相機(jī)間無重疊部分的情況主要用于大幅面多相機(jī)高精度的定位和測量，相機(jī)間有重疊部分的情況主要用于場景的拼接等。

一。 相機(jī)間無重疊部分，介紹兩種典型方法。

1. 使用大標(biāo)定板統(tǒng)一坐標(biāo)

方案簡介：

此方法采用一塊大標(biāo)定板來統(tǒng)一各個相機(jī)的坐標(biāo)，每個大標(biāo)定板中有若干小標(biāo)定板，各個小標(biāo)定板間的位置關(guān)系都是已知的，各個相機(jī)都能拍攝到一個小標(biāo)定板。通過各個小標(biāo)定板可以標(biāo)定每個相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，每個相機(jī)的坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換到各個小標(biāo)定板的坐標(biāo)系上，從而統(tǒng)一各個相機(jī)的坐標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

相機(jī)在各個位置拍攝Mark圖像，通過圖像處理方法得到Mark坐標(biāo)

常用的標(biāo)定板形式：

上圖所示為單個標(biāo)定板圖像，大標(biāo)定板由若干單個標(biāo)定板組成，標(biāo)定板的大小和數(shù)量根據(jù)實(shí)際測量情況而定。

多個標(biāo)定板組合示意圖：

案例分析：

（1） 檢測目標(biāo)分析

測量產(chǎn)品需要若干個測量指標(biāo)。如下圖所示。

（2）圖像獲取 采用4只相機(jī)來完成所有項(xiàng)目的測量，分別拍到的照片如下圖所示。

（3）檢測流程

先分別利用每張圖的兩條垂直邊計(jì)算出它們的交點(diǎn)，那么得到的4個交點(diǎn)就可以算出L1和L2的值，如下圖所示（以右下角相機(jī)為例）。

注意事項(xiàng)： 此種方法需要將多只相機(jī)的坐標(biāo)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系中，并且單一相機(jī)還要做自己的校準(zhǔn)，保證精度。根據(jù)檢測要求，設(shè)置取多少個點(diǎn)作為參考，但是這影響測試的時間，需酌情考慮。

應(yīng)用領(lǐng)域： 手機(jī)和平板電腦面板尺寸的檢測。

2. 使用相對運(yùn)動統(tǒng)一坐標(biāo)

方案簡介： 此方法采用相機(jī)和被測物之間的相對運(yùn)動來統(tǒng)一相機(jī)的坐標(biāo)，相機(jī)和被測物只要一方運(yùn)動即可，記錄各個位置的坐標(biāo)，然后通過數(shù)學(xué)運(yùn)算來統(tǒng)一坐標(biāo)。通常情況下是相機(jī)位置固定，被測物通過機(jī)械手等運(yùn)動裝置進(jìn)行移動，然后把相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一到機(jī)械手等運(yùn)動裝置的原點(diǎn)。 總體結(jié)構(gòu)：

方法介紹： 通過相機(jī)拍攝的圖像對Mark點(diǎn)進(jìn)行定位，從而計(jì)算出被測物相對于標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差，包含角度偏差和位移偏差，最終確定機(jī)械裝置需要旋轉(zhuǎn)的角度和平移的距離。選用手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼的定位系統(tǒng)來介紹算法原理。 手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼的定位系統(tǒng)，使用多支相機(jī)代替一支相機(jī)的方法進(jìn)行定位，使手機(jī)觸摸屏和手機(jī)外殼精確組裝。相機(jī)分為兩組，每組兩支相機(jī)，一組拍攝手機(jī)外殼（組1），一組拍攝觸摸屏（組2），兩組相機(jī)標(biāo)定方法相同，下面只介紹拍攝手機(jī)外殼的兩支相機(jī)的標(biāo)定。相機(jī)固定，機(jī)械手吸住手機(jī)外殼移動，兩支相機(jī)分別拍攝手機(jī)外殼的兩個定位孔，使用模板匹配的方法對兩個定位孔進(jìn)行識別，如下圖所示：

（1） 通過機(jī)械手的移動獲取標(biāo)定所用坐標(biāo) （三點(diǎn)線性標(biāo)定法）

組1相機(jī)1：

把Mark點(diǎn)移動到相機(jī)視野中，定相機(jī)的初始位置，得到初始Mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point11（cRow11， cColumn11），機(jī)械手沿X方向移動一定距離（5mm）后得到Mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point12 （cRow12， cColumn12），機(jī)械手沿Y方向移動一定距離（6mm）后得到Mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point13（cRow13， cColumn13），同時可以得到在上述三個位置機(jī)械手的空間坐標(biāo)Robot11（X1［0］，Y1［0］）、Robot12（X1［1］，Y1［1］）、Robot13（X1［2］，Y1［2］）。組1相機(jī)2：

同上，把相同Mark點(diǎn)移動到相機(jī)視野中，通過相同的操作得到坐標(biāo)：Point21 （cRow21， cColumn21）、Point22 （cRow22， cColumn22）、Point23 （cRow23， cColumn23）、Robot21 （X2［0］，Y2［0］）、Robot22（X2［1］，Y2［1］）、Robot23（X2［2］，Y2［2］）。（2） 圖像距離和實(shí)際距離之間轉(zhuǎn)換比例關(guān)系的確定：

通過數(shù)學(xué)運(yùn)算可計(jì)算得到比例關(guān)系。

（3） 旋轉(zhuǎn)中心的確定

依據(jù)三個點(diǎn)就可以確定一個圓的原理，讓機(jī)械手在初始位置旋轉(zhuǎn)三次，得到Robot31，Robot32和Robot33三個相對于機(jī)械手坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn)，三個點(diǎn)的坐標(biāo)就可以求出旋轉(zhuǎn)圓心的坐標(biāo)。

（4） 標(biāo)準(zhǔn)線斜率求取：

需要在兩個相機(jī)的視野中各選取一點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，然后求取此標(biāo)準(zhǔn)線在機(jī)械手坐標(biāo)系中的斜率。調(diào)整機(jī)械手到合適位置，確定此處為標(biāo)準(zhǔn)位置，此時組1的兩支相機(jī)分別拍攝初始位置的兩個不同的Mark點(diǎn)的圖像。通過模板匹配方法找到兩個相機(jī)初始位置視野中兩個Mark點(diǎn)的中心坐標(biāo)Point10（Row10，Column10）和Point20（Row20，Column20），Point10和Point20確定為標(biāo)準(zhǔn)線的起始點(diǎn)和終點(diǎn)。求取Point10在機(jī)械手中的坐標(biāo)如下圖所示，下圖中XOY是機(jī)械手坐標(biāo)系，X1O1Y1是組1相機(jī)1的圖像坐標(biāo)。

通過點(diǎn)到直線的距離運(yùn)算可以得到d14，d15和d16的實(shí)際長度，由于在移動過程中使用的是同一個mark點(diǎn)，d1，d2，d3在相機(jī)1和相機(jī)2的視野中的值是一樣的。從而可以得到Point10在機(jī)械手坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)為： Point10X=X1［1］+d16+d2，Point10Y=Y1［1］+（d1-d15）。 同樣可以得到Point20在機(jī)械手坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)：

Point20X=X2［1］+d26+d2，Point20Y=Y2［1］+（d1-d25）。

求取該標(biāo)準(zhǔn)線斜率;

K = （Point20Y-Point10Y） / （Ponit20X-Point20X）

= （Y2［1］-Y1［1］-d25+d15） / （X2［1］-X1［1］+d26-d16）

之后在每次定位時需要和此標(biāo)準(zhǔn)線的斜率進(jìn)行比較，從而得到和標(biāo)準(zhǔn)線的夾角，最后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)校正。

注意：由于Point10和Point20會落在不同的位置，在計(jì)算Point10和Point20的實(shí)際坐標(biāo)時上述公式會有所變化，但原理相同。

定位校準(zhǔn) 以后在每次進(jìn)行檢測時，得到的結(jié)果都和標(biāo)準(zhǔn)線進(jìn)行比較，可以得到和標(biāo)準(zhǔn)線的夾角和相對于標(biāo)準(zhǔn)位置的位置偏差，根據(jù)得到的角度和位置偏差進(jìn)行校正。在校正過程中需要先旋轉(zhuǎn)后平移，做一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)實(shí)時校正。

應(yīng)用領(lǐng)域： 手機(jī)或平板電腦觸摸屏和外殼的裝配定位。

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二。 相機(jī)間有重疊部分，介紹兩種典型方法。

1. 標(biāo)定方法拼接圖像

方案簡介：

對于有些大幅面物體 ，可以通過拍攝多幅圖像，每幅圖像覆蓋物體的不同的部分。如果攝像機(jī)經(jīng)過標(biāo)定并且它們與一個共有的世界坐標(biāo)系之間的相對關(guān)系已知，就可以通過不同的圖像進(jìn)行精確測量。 甚至可以將多幅圖像拼接為一副覆蓋整個物體的大圖，這個可以通過將每幅圖像都校正到同一個測量平面上實(shí)現(xiàn)。在結(jié)果圖像上，可以直接在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行測量。圖像拼接示意圖：

安裝： 兩個攝像機(jī)或多個攝像機(jī)必須安裝在一個穩(wěn)定的平臺上，并且每幅圖像覆蓋整個場景的一部分。攝像機(jī)的方位可以隨意，也就是說不需要它們看起來平行或垂直于物體表面。調(diào)整攝像機(jī)焦距、燈光以及交迭區(qū)域，使用一個大的可以覆蓋整個視野的參照物。為了保證可以將多幅圖像拼接為一副大圖，它們之間必須存在一個小的交迭區(qū)域。交迭區(qū)域可以很小，因?yàn)檫@個交迭區(qū)域只是為了保證在拼接的結(jié)果圖像中沒有縫隙，下圖為交疊區(qū)域示意圖。

標(biāo)定： 圖像的標(biāo)定可以分為兩個步驟。 確定每個攝像機(jī)的內(nèi)參?？梢苑謩e對每個攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定求取攝像機(jī)的內(nèi)參。 確定所有攝像機(jī)的外參。因?yàn)樽詈笠獙⑺械膱D像轉(zhuǎn)換到某一個世界坐標(biāo)系中，所以需要使用一個大的標(biāo)定物，這個標(biāo)定物可以出現(xiàn)在所有的圖像中，它可以由多個標(biāo)定板組合而成，標(biāo)定板的數(shù)量和使用攝像機(jī)的數(shù)量一致。下圖為兩個相機(jī)分別拍攝到的標(biāo)定圖像。 注意：為了確定攝像機(jī)的外參，每個攝像機(jī)只需要拍攝一副標(biāo)定圖像就已經(jīng)足夠。標(biāo)定物在多個攝像機(jī)分別進(jìn)行拍攝標(biāo)定圖像的過程中不可以移動。理想情況下，這些標(biāo)定圖像應(yīng)該同時獲取。

將單個圖像拼接為一個大圖： 首先，每幅圖像都必須進(jìn)行校正，將這些圖像轉(zhuǎn)換到一個共有的坐標(biāo)系中，它們之間就會正確匹配。在得到所有進(jìn)行校正圖像需要的映射圖后，使用兩個攝像機(jī)拍攝的每個圖像對都可以進(jìn)行校正并且高效的拼接。拼接的結(jié)果圖由兩幅校正后的圖像組成，每個校正后的圖像占圖像的一個部分，下圖為校正后的圖像和拼接結(jié)果。

應(yīng)用領(lǐng)域：液晶面板表面質(zhì)量的檢測

2. 非標(biāo)定方法拼接圖像

簡介： 此種方法和前三種方法相比精度較低，適用于不需要實(shí)現(xiàn)高精度拼接的應(yīng)用場合。這種拼接方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，并且每幅單獨(dú)的圖像可以自動進(jìn)行排列。拍攝單幅圖像規(guī)則：在拍攝每幅圖像時需要遵循下面這些規(guī)則： （1） 相鄰的圖像之間必須有交迭 （2） 圖像之間的交迭區(qū)域必須有比較明顯的特征，這樣就可以保證比較精確的自動匹配過程。如果在某些交迭區(qū)域內(nèi)的特征不明顯那么可以通過定義合適的圖像對來克服。如果整個物體的特征都不是特別明顯，那么交迭區(qū)域就應(yīng)該更大一些。 （3） 交迭的圖像的縮放比例必須大約相等。一般情況下，縮放比例的不同不能超過5－10％ （4） 這些圖像的亮度應(yīng)該相似，至少在交迭區(qū)域部分的亮度相似。否則，如果亮度區(qū)別非常明顯的話，圖像之間的接縫在結(jié)果圖像中就非常明顯，如下圖所示。

定義交疊圖像對： 需要定義一些交迭圖像對，通過匹配確定這些圖像對之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。匹配的過程只會應(yīng)用在這些交迭圖像對上。

如果需要拼接的圖像比較多，或者交迭圖像每行圖像比較多，此時合理徹底地安排圖像對的配置十分重要。否則就可能有些圖像不能實(shí)現(xiàn)精確匹配。這主要是因?yàn)樵肼曉斐牲c(diǎn)坐標(biāo)的一些誤差導(dǎo)致不能準(zhǔn)確計(jì)算圖像之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這些誤差會由一個圖像傳到下一幅圖像上。

提取圖像中的特征點(diǎn)： 提取出的特征點(diǎn)的數(shù)量影響運(yùn)行時間以及匹配的結(jié)果。特征點(diǎn)的數(shù)量越多，匹配的過程就越慢。但是太少的特征點(diǎn)將增大產(chǎn)生錯誤結(jié)果的可能性。在交迭的區(qū)域中匹配特征點(diǎn)并且確定圖像之間轉(zhuǎn)換關(guān)系： 在進(jìn)行圖像拼接過程中最重要的任務(wù)就是圖像對之間的匹配過程。匹配的圖像對可以有任意的平移和旋轉(zhuǎn)，唯一的要求就是圖像應(yīng)該有大約相同的縮放比例。如果圖像之間平移和旋轉(zhuǎn)的信息可用，它就可以用來限定尋找區(qū)域，這樣就可以加速匹配過程并且使算法更加健壯。匹配特征點(diǎn)過程如下圖所示。

生成拼接圖像 知道了圖像對之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以調(diào)用函數(shù)進(jìn)行圖像拼接，下圖為拼接好的圖像。

注意： 需要注意球面拼接的情況，上述方法只適用于攝像機(jī)繞光心旋轉(zhuǎn)或縮放。如果攝像機(jī)的移動包含平移或不是嚴(yán)格繞光心的旋轉(zhuǎn)，使用這種方法得到的拼接結(jié)果將不準(zhǔn)確也就不能夠用在精確測量的場合。

應(yīng)用領(lǐng)域：（1） 街景的拼接。（2） 電子地圖的制作。（3） 醫(yī)學(xué)影像的拼接。