一种软膜贴附机的机器视觉系统标定方法

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摘 要：在现代工业自动化生产中，机器视觉系统的应用与日俱增。在视觉系统的定位使用中，必须先统一坐标系，将视觉系统中的镜头坐标系及运动坐标系联系在一起，即标定。文章介绍了一种软膜贴附机视觉系统定位标定方法。

关键词： 机器视觉系统；坐标标定；软膜贴附机

中图分类号：TN949.199文献标识码：B

A Calibration Approach to Machine Vision of a Kind of Soft-film Attaching Machine

LIAO Yi, LI Xiao-peng, HUANG Li-yong, BAI Yan-bing

(Taiyuan Fenghua Information-equipment Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030024, China)

Abstract: The application of machine vision system has been grown fast in the modern industrial automation production. In the position usage of machine vision system, it must unify coordinate systems first to connect camera coordinate system with moving coordinate system, which is called calibration. This paper introduces a calibration approach to the position usage of machine vision system of soft-film attaching machine.

Keywords:machine vision system; calibration; soft-film attaching machine

引 言

机器视觉是研究用计算机来模拟生物宏观视觉功能的科学和技术，首先采用照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征。

所谓标定，就是确定摄像机内外参数的一个过程，其中内部参数的标定是指确定摄像机固有的、与位置参数无关的内部几何与光学参数，包括主点坐标（图像中心坐标）、焦距、比例因子和镜头畸变等；而外部参数的标定是指确定摄像机坐标系相对于某一视觉坐标系的位置和方向关系。摄像机标定参数总是相对于某种几何成像模型，根据不同需要可建立不同的摄像机模型，一般将摄像机模型分为两大类：一类是在标定中不考虑各种镜头畸变的线性模型，如针孔模型和直接线性变换模型，主要应用于镜头视角不大或物体在光轴附近的情况，是其它模型和标定方法的基础；另一类是非线性模型，是扩展的针孔模型，考虑了线性与非线性畸变的修正问题以获得较高的精度，主要应用于广角镜头的场合，如摄影测量法模型、Tsai模型、Weng模型和双平面模型。

本文以一种软膜贴附机的视觉系统为例，详细论述标定的算法及过程。

1设备介绍

该设备用于将矩形膜贴附到基板上的固定位置，由于基板和矩形贴附膜在上料时存在角度及位置偏差，需要通过检测机构获取它们的角度及位置信息，再控制运动系统纠正该偏差后进行贴合，从而保证贴合精度，如图1所示。其中，贴附膜的角度及位置可由安装在软膜平台上方的X向传感器及Y向传感器检测其边缘得到，放置在工件平台上的基板的角度及位置信息可由左右镜头测得。流程图如图2所示。

2标定算法

在软膜贴附机中，左右镜头水平度以及各轴运动的水平度及垂直度已调整完成。为方便计算，将软膜检测的X及Y向传感器位置坐标及机台运动坐标统一到左镜头坐标系，右镜头用于确定基板角度。

在以下计算中，已知软膜平台X向脉冲当量为mx_k，Y向脉冲当量为my_k，工件平台X向脉冲当量为px_k，Y向脉冲当量为py_k。

2.1实际物理长度单位与像素的转换

标定的第一步需要先测得实际物理长度单位（这里使用μm）与照相机所得图像像素之间的转换系数φ。具体步骤如下：

（1） 将基板放置在工件平台上，并使基板上的特征点位于左相机视野内，记录此时工件平台位置（px1、py1），以及通过图像处理获取特征点坐标（x1、y1）。

（2） 移动工件平台至另一位置（px2、py2），通过图像处理获取此时的特征点坐标（x2、y2）。

则：φ= sqrt(px_k*px_k(px1-px2)*(px1-px2)+py_k*py_k(py1-py2)*(py1-py2))/sqrt((x1-x2)*(x1-x2)+(y1-y2)*(y1-y2))

2.2软膜检测X及Y向传感器统一到左镜头的方法

步骤如下：

（1） 通过Y向传感器检测贴附膜长边上不同位置两点的软膜平台Y向位置是否相同，从而确定该膜是否水平，如果不水平则根据测得的数据计算出角度偏差，再控制软膜平台旋转将贴附膜调正；

（2） 将贴附膜横边边缘移动至Y向传感器位置，记录此时软膜平台的Y向位置my1，再将与该横边相邻的竖边移动至X向传感器位置，记录此时软膜平台的X向位置mx1；

（3） 将软膜平台移动至吸附机构下方，记录此时软膜平台的位置（my2，mx2）；

（4） 将贴附膜转移到吸附机构上，软膜平台移出吸附机构下方；

（5） 将工件平台移动到吸附机构下方，并将贴附膜转移到工件平台上，记录此时工件平台的位置（px1，py1）；

（6） 移动工件平台，使得检测贴附膜两边的交点与左镜头十字线中心点重合（已知该点坐标为（320，240）），记录此时工件平台位置（px2，py2）；

（7） 令fx为X向传感器在左镜头坐标系中的坐标，fy为Y向传感器在左镜头坐标系中的坐标，可得：

fx = ((mx2-mx1)*mx_k+(px1-px2)*px_k)/φ+320

fy = ((my2-my1)*my_k+(py1-py2)*py_k)/φ-240

2.3旋转机构中心位置标定

为了纠正贴附膜与基板的角度偏差，必须通过与吸附机构相连的旋转机构带动贴附膜旋转，使之与基板平行，这样就必须计算出旋转机构中心在左镜头坐标系中的位置。步骤如下：

（1） 将基板放置于工件平台并吸附，移动平台使得基板上的一个固定特征点位于左镜头图像中，使用视觉系统获取该特征点位置（x1，y1），记录此时工件平台位置（lpx1，lpy1）；

（2） 移动工件平台至吸附机构下方，记录此时平台位置（lpx2，lpy2），将基板转移至吸附机构上，再通过旋转机构旋转一定角度θ后，将基板放置到工件平台，返回初始位置（lpx1，lpy1）。此时，通过视觉系统获取旋转后特征点位置（x2，y2）；

（3） 令平移旋转中心后在左镜头坐标系中的坐标为（xo，yo），实际旋转中心的坐标为（lxo，lyo）。

x2 = (x1-xo)*cosθ - (y1-yo)*sinθ + xo

y2 = (x1-xo)*sinθ + (y1-yo)*cosθ + yo

令t1 = (y2 - x1*sinθ - y1*cosθ)/(1 - cosθ)

t2 = (x2 - x1*cosθ + y1* sinθ)/(1 - cosθ)

t3 = sinθ/(1 - cosθ)

则xo = (t2 - t1*t3)/(1 + t3*t3)

yo = t1 + t3*xo

lxo = xo + (lpx2-lpx1)* px_k/φ

lyo = yo - (lpy2-lpy1)* py_k/φ

同理可求得右镜头坐标系中旋转中心的坐标（rxo，ryo），再根据该中心在左镜头坐标系中的坐标，即可求得右镜头坐标转换到左镜头坐标的关系式。令任意一点在右镜头坐标中的坐标为（rx，ry），该点在左镜头坐标系中的坐标为（lx，ly），则：

lx = rx + (lxo - rxo)

ly = ry + (lyo - ryo)

3结论

本文以软膜贴附机视觉系统为实例，分步详细说明了标定方法。实验结果表明，该方法标定的结果在确保运动各轴水平度和垂直度以及视觉系统成像清晰的情况下，能够使最终贴合精度达到±0.05mm。

参考文献

[1] 陈爱华，高诚辉，何炳蔚. 计算机视觉中的摄像机标定方法[J]. 中国工程机械学报，2006，4（4）：498-504.

[2] 刘小力，田梦倩，罗翔，史金飞. 机器人视觉伺服系统的图像处理和标定技术[J]. 中国制造业信息化，2005，34（10）：119-122.

[3] 贾云得. 机器视觉[M]. 北京：科学出版社，2000.

作者简介：廖毅（1983-），男，2005年毕业于华东交通大学自动化专业，工程师，现从事电子专用设备的研发工作，E-mail：.cn。