專利名稱：用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測技術領域的標定系統(tǒng)及方法，具體地說，是涉及一 種用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)及方法。
背景技術：
零件尺寸檢測是機械制造業(yè)的常規(guī)測試項目，具有最為廣泛的應用需求。隨 著計算機技術、精密光學技術、圖象處理與模式識別技術的不斷進步，基于計算 機視覺的視覺檢測系統(tǒng)的應用日益廣泛。
在各類視覺檢測系統(tǒng)中，標定(亦稱定標)是一個極為關鍵的環(huán)節(jié)，它對檢 測精度與效率具有直接的影響。目前世界范圍內(nèi)的單目視覺檢測系統(tǒng)的標定(或 稱定標)主要有以下兩種方法
第一種方法實物標定法。采用這種方法進行標定的視覺檢測系統(tǒng)，都是采 用一個實物標準件來完成的，例如標靶、掩模板等。其典型代表是天津大學提出 的"一種攝像機標定方法及其實施裝置"(申請?zhí)?3109649.2)。這種方法的優(yōu) 點是精度高、概念明確，缺點是需要人工參與、操作麻煩、效率低、標定與測量 狀態(tài)很難完全一致。
第二種方法移位旋轉(zhuǎn)法。采用這種方法進行標定的視覺檢測系統(tǒng)，都是將 攝像機進行若干步驟的平移和旋轉(zhuǎn)，通過計算得出標定參數(shù)。其典型代表是上海 微電子裝備有限公司提出的"機器視覺動態(tài)標定系統(tǒng)與方法"(申請 號200710173715.7)。這種方法的優(yōu)點是標定過程可自動完成、無需標準件，缺 點是速度慢、效率低、存在移動部件、穩(wěn)定性和可靠性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，提出一種用于視覺檢測系統(tǒng)的 自標定系統(tǒng)及方法，采用內(nèi)置式標準件，引入一條正交光路，可在瞬間完成自標 定過程。標定過程在測量之前自動進行，無需中斷測量過程，無需人工介入，精 度永久保障，快速、方便、實時，特別適合采用變焦鏡頭的視覺檢測系統(tǒng)。
4本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，包括CCD攝像機、鏡頭、 標準件、光源、半反半透鏡和外殼。鏡頭與攝像機直接相連，安置在被測件的正 上方，并對準被測件。在鏡頭與被測件之間放置一個半反半透鏡，半反半透鏡與 鏡頭的光軸成45度角。在半反半透鏡的側(cè)面一段距離處放置有標準件和光源， 其中標準件是透光的，其上具有規(guī)則形狀的圖形，光源與半反半透鏡分處在標準 件的不同側(cè)，這樣半反半透鏡、標準件和光源三者形成的標定光路與原有的測量 光路正交。上述所有部件均固定在外殼上。
本發(fā)明所涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，包括CCD攝像機、鏡頭、
標準件、光源、半反半透鏡和外殼、平面反射鏡，其中鏡頭與攝像機直接相連，
安放在被測件的正上方，并對準被測件。在鏡頭與被測件之間放置一個半反半透
鏡，并與鏡頭的光軸成45度角。標準件和光源均布置在鏡頭和CCD攝像機的旁 邊，標準件和光源的中心線與鏡頭和CCD攝像機的光軸平行，且盡可能靠近，在 半反半透鏡布置標準件和光源一側(cè)放置一平面反射鏡，其中標準件是透光的，其 上具有規(guī)則形狀的圖形，標準件上的規(guī)則圖形經(jīng)過光源照亮后所成的像通過這個 平面反射鏡投向半反半透鏡，最終經(jīng)過鏡頭到達CCD攝像機，上述所有部件均固 定在外殼上。該系統(tǒng)適用于當鏡頭的物距較大時，為了減小標定系統(tǒng)的橫向體積， 使系統(tǒng)結構更加緊湊。
當被測物體處在景深范圍內(nèi)時，半反半透鏡中心到被測物清晰表面距離與半 反半透鏡中心到標定物之間的距離具有明確而唯一的對應關系。因此，可以利用 內(nèi)置的標準件實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的標定。
本發(fā)明中，標準件是關鍵器件，其形式與準確性對標定效果具有直接影響。 標準件是采用透光材料制成，例如采用光學玻璃、塑料、樹脂等材料制成。
標準件上制作有若干具有規(guī)則形狀和一定間隔的一組圖形。這些規(guī)則圖形應 具有準確的尺寸參數(shù)，并需要采用更高精度的儀器設備進行檢測，以獲得尺寸參 數(shù)的準確值。
為了保證標定精度，便于處理，上述規(guī)則圖形可以采用多種不同的圖形，例 如(但是不限于)可以釆用等間距的斜線、棋盤方格、點陣、正方形、同心圓等 圖形。
標準件的尺寸大小選擇應考慮鏡頭的實際參數(shù)，既要保證在最小倍率(即最
5大視場范圍)條件下能夠獲得完整的規(guī)則圖形，又要保證在最大倍率(即最小視
場范圍)條件下至少有一個規(guī)則圖形能完全成像到攝像機的CCD像面上。
在采用變焦鏡頭的視覺檢測系統(tǒng)，頻繁的變倍使得測量視場大小經(jīng)常變化， 相對應地需要不同的分辨率和標定范圍。為了適應這種需要，標準件上的規(guī)則圖 形也可采用可變間距形式，靠近中心區(qū)域比較密集，而遠離中心區(qū)域逐漸變得稀 疏，從而兼顧小視野高分辨率和大視野低分辨率的需求。此時，最大的圖形間隔 也是既要保證在最低倍率(即最大視場范圍)條件下攝像機能夠分辨出不同的圖 形，又要保證在最大倍率(即最小視場范圍)條件下至少有一個規(guī)則圖形能完全 成像到CCD像面上。
本發(fā)明中，半反半透鏡的作用是引入第二條光路——標定光路。為了降低對 原有測量光路的影響，半反半透鏡應當盡可能的薄，此時光程偏差的影響基本可 以忽略。如果半反半透鏡比較厚，需要通過計算光程偏差進行修正和補償。
半反半透鏡與攝像機光軸的夾角一般為45度，因此，標準件的標定光路與 攝像機的測量光路是相互垂直的。由于實際加工與裝配過程中難免存在誤差，因 而導致標定光路與策略光路并非是理想的垂直狀態(tài)。因此，本發(fā)明中的半反半透 鏡的角度姿態(tài)是可以調(diào)整的，從而可以能夠保證標準件的圖形能夠成像在攝像機 的CCD上的成像位置處于視場的中心，降低對標準件的安裝精度要求。
本發(fā)明中，光源采用可變亮度的程控電光源為標準件提供照明，可以通過計 算機進行開關和亮度控制，保證標準件可以獲得最佳的成像效果，從而保證標定 的高精度。
本發(fā)明所涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定方法，包括如下步驟 第一步，調(diào)整鏡頭，保證攝像機能夠獲得清晰的圖像和視場大小，此后保持 鏡頭不動；
第二步，打開光源，標準件上的規(guī)則圖形被照亮，并通過半反半透鏡和鏡頭 成像到攝像機的CCD像面之上；
第三步，進行圖像處理，得出當前倍率下圖像坐標系內(nèi)上述規(guī)則圖形的成像
尺寸參數(shù)，單位是像素；
第四步，將上述規(guī)則圖形的成像尺寸參數(shù)與其實際尺寸參數(shù)相比，得到二者
的對應關系值即當量，單位是長度/像素，該值自動保存到計算機之中；
第五步，關閉光源，開始測量，獲得被測目標的圖像，通過圖像處理，得到
6被測目標的成像尺寸參數(shù)，單位也是像素；
第六步，測量系統(tǒng)自動調(diào)入上述當量值，與被測目標的成像尺寸參數(shù)相乘， 得到被測目標的實際尺寸參數(shù)，自標定過程結束。
本發(fā)明采用內(nèi)置標準件實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的自標定，解決了傳統(tǒng)實物標定方 法效率低、操作繁瑣、自動化程度差的弊病，壽命長，穩(wěn)定性好?？梢詫崿F(xiàn)在每 次測量之前的自動標定，時刻保持原有的測量精度，有效克服測量系統(tǒng)漂移等問 題，提綱了測量系統(tǒng)的精度保持性。在采用變焦鏡頭的場合下，在系統(tǒng)變倍情況 下，通過實時自標定可以確定準確的光學放大比，有效解決鏡頭變倍不準的缺陷。


圖1為本發(fā)明的實施例1結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的標準件圖形示意其中(a)斜線；(b)正方形；(C)網(wǎng)格；(d)圓形。
圖3是本發(fā)明的實施例2結構示意其中(a)斜線；(b)正方形；(C)網(wǎng)格；(d)圓形。
圖4是本發(fā)明的實施例2總體結構示意圖。
上述圖中1-CCD攝像機，2-鏡頭，3-標準件，4-光源，5-被測件，6-半反 半透鏡，7-外殼，8-反射鏡。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案
為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。 實施例1
如圖1所示，本實施例涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)包括CCD攝像 機l、鏡頭2、標準件3、光源4、半反半透鏡6和外殼7。鏡頭2與攝像機1直 接相連，安放在被測件5的正上方，并對準被測件5。在鏡頭2與被測件5之間 放置一個半反半透鏡6，并與鏡頭2的光軸成45度角。在半反半透鏡6的側(cè)面 一段距離處安置有標準件3和光源4,其中光源4與半反半透鏡6分處在標準件 3的不同側(cè)，半反半透鏡、標準件和光源三者形成的標定光路與原有的測量光路 正交。上述所有部件均固定在外殼7上，從而可以保證嚴格的相互位置關系，同 時可以起到遮光和防塵的作用。
7當被測物件5處在鏡頭2的景深范圍內(nèi)時，半反半透鏡6的中心到被測件5 表面的距離(力)與半反半透鏡6中心到標準件3之間的距離(厶)具有明確而唯一
的對應關系，在這里二者相等，即厶=厶。因此，可以利用內(nèi)置的標準件3實現(xiàn) 視覺檢測系統(tǒng)的自標定。
標準件3是采用透光材料制成的，例如采用光學玻璃、塑料、樹脂等材料制成。
如圖2所示，標準件3上制作有若干具有規(guī)則形狀和一定間隔的一組圖形。 可以采用腐蝕、刻劃、蒸鍍等方法制作圖形。這些規(guī)則圖形具有準確的尺寸參數(shù)， 并需要采用更高精度的儀器設備進行檢測，以獲得尺寸參數(shù)的準確值。
所述規(guī)則圖形可以采用多種不同的圖形，圖2a)所示為斜線形式的圖形，圖 2b)所示為正方形的圖形，圖2c)所示為棋盤方格形式的圖形，圖2d)所示為同心 圓形式的圖形。
標準件3的尺寸大小既要保證在最小倍率(即最大視場范圍)條件下能夠獲 得完整的規(guī)則圖形，又要保證在最大倍率(即最小視場范圍)條件下至少有一個 規(guī)則圖形能完全成像到攝像機1CCD像面上。
標準件3上的規(guī)則圖形也可采用可變間距形式，如圖3所示，靠近中心區(qū)域 比較密集，而遠離中心區(qū)域逐漸變得稀疏，從而兼顧小視野高分辨率和大視野低 分辨率的需求。此時，最大的圖形間隔既要保證在最低倍率(即最大視場范圍) 條件下攝像機1能夠分辨出不同的圖形，又要保證在最大倍率(即最小視場范圍) 條件下至少有一個規(guī)則圖形能完全成像到攝像機1的CCD像面上。圖3a)所示為 不等間隔斜線形式的圖形，圖3b)所示為不等間隔正方形組的圖形，圖3c)所示 為不等間隔棋盤方格形式的圖形，圖3d)所示為不等間隔同心圓形式的圖形。
半反半透鏡6的作用是引入第二條光路——標定光路。為了降低對原有測量 光路的影響，半反半透鏡6應當盡可能的薄，例如小于lmm，此時光程偏差的影 響基本可以忽略。如果半反半透鏡6比較厚，需要通過計算光程偏差進行修正和 補償。
半反半透鏡6與攝像機1的光軸的夾角一般為45度，因此，標準件3的標 定光路與攝像機1的測量光路是相互垂直的。由于實際加工與裝配過程中難免存 在誤差，因而導致標定光路與測量光路并非是理想的垂直狀態(tài)。因此，本發(fā)明中 的半反半透鏡6的角度姿態(tài)是可以調(diào)整的，可以在攝像機1的CCD上觀察標準件3的規(guī)則圖形成像的實際位置，通過調(diào)整改變半反半透鏡6與測量光軸的夾角， 保證標準件3的規(guī)則圖形在攝像機3的CCD上的成像位置處于視場的中心，從而 降低對標準件3的安裝精度要求。
光源4采用可變亮度的程控電光源為標準件3提供照明，可以通過測量系統(tǒng) 的計算機(圖中未標出)進行開關和亮度控制，保證標準件3可以獲得最佳的成 像效果，從而保證標定的高精度。
實施例2
如圖4所示，本實施例所涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)包括CCD攝 像機l、鏡頭2、標準件3、光源4、半反半透鏡6和外殼7、平面反射鏡8，鏡 頭2與攝像機1直接相連，安放在被測件5的正上方，并對準被測件5。在鏡頭 2與被測件5之間放置一個半反半透鏡6，并與鏡頭2的光軸成45度角。標準件 3和光源4均布置在鏡頭2和攝像機1的旁邊，標準件3和光源4的中心線與鏡 頭和攝像機的光軸平行，且盡可能靠近。在半反半透鏡6布置標準件3和光源4 一側(cè)放置一平面反射鏡8。其中標準件3是透光的，其上具有規(guī)則形狀的圖形， 標準件3上的規(guī)則圖形經(jīng)過光源4照亮后所成的像通過這個平面反射鏡8投向半 反半透鏡6，最終經(jīng)過鏡頭2到達攝像機1，從而依然可以實現(xiàn)自標定。
本實施例適用于鏡頭2的物距較大時，可以減小標定系統(tǒng)的橫向體積，使系 統(tǒng)結構更加緊湊。
本實施例中的其他細節(jié)與實施例l相同，而且操作方法不變。
實施例3
本實施例涉及的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定方法，包括如下步驟-
1. 調(diào)整鏡頭2，保證攝像機l能夠獲得清晰的圖像和視場大小，此后保持 鏡頭2不動；
2. 打開光源4，標準件上的規(guī)則圖形被照亮，并通過半反半透鏡6和鏡頭 2成像到攝像機1的CCD像面之上；
3. 進行必要的圖像處理和計算，得出當前倍率下圖像坐標系內(nèi)上述規(guī)則圖 形的成像尺寸參數(shù)，單位是像素；
4. 將上述規(guī)則圖形的成像尺寸參數(shù)與其實際尺寸參數(shù)相比，即可得到二者 的對應關系值(即當量)，單位是長度/像素，該值自動保存到計算機之中。
5. 關閉光源4，開始測量，攝像機1獲得被測目標5的圖像，通過圖像處理和計算，得到被測件5的成像尺寸參數(shù)，單位也是像素。
6.測量系統(tǒng)自動調(diào)入該上述當量值，與被測件5的成像尺寸參數(shù)相乘，從 而得到被測件5的實際尺寸參數(shù)，自標定過程結束。
本發(fā)明采用內(nèi)置標準件的方法實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的自標定，解決了傳統(tǒng)實物 標定方法效率低、操作復雜、實時性差的弊病，而且可以實現(xiàn)標定過程的全自動 化，符合快速檢驗的要求，大大提高檢測效率和智能化水平。
本發(fā)明可適用于各種零件的非接觸尺寸參數(shù)視覺測量系統(tǒng)，也可適用于其他 視覺測量系統(tǒng)。
權利要求
1、一種用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征在于包括CCD攝像機、鏡頭、標準件、光源、半反半透鏡和外殼，其中鏡頭與CCD攝像機直接相連，安置在被測件的正上方，并對準被測件，在鏡頭與被測件之間放置一個半反半透鏡，半反半透鏡與鏡頭的光軸成45度角，在半反半透鏡的側(cè)面一段距離處放置有標準件和光源，其中標準件是透光的，其上具有規(guī)則形狀的圖形，光源與半反半透鏡分處在標準件的不同側(cè)，這樣半反半透鏡、標準件和光源三者形成的標定光路與原有的測量光路正交，上述所有部件均固定在外殼上。
2、 一種用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征在于，包括CCD攝像機、 鏡頭、標準件、光源、半反半透鏡和外殼、平面反射鏡，其中鏡頭與CCD攝像 機直接相連，安置在被測件的正上方，并對準被測件，在鏡頭與被測件之間放置 一個半反半透鏡，半反半透鏡與鏡頭的光軸成45度角，標準件和光源均布置在 鏡頭和CCD攝像機的旁邊，標準件和光源的中心線與鏡頭和CCD攝像機的光軸平 行，且盡可能靠近，在半反半透鏡布置標準件和光源一側(cè)放置一平面反射鏡，其 中標準件是透光的，其上具有規(guī)則形狀的圖形，標準件上的規(guī)則圖形經(jīng)過光源照 亮后所成的像通過平面反射鏡投向半反半透鏡，最終經(jīng)過鏡頭到達CCD攝像機， 上述所有部件均固定在外殼上。
3、 根據(jù)權利要求1或者2所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征 是，所述標準件上具有規(guī)則形狀和一定間隔的一組圖形，這些規(guī)則圖形具有準確 的尺寸參數(shù)。
4、 根據(jù)權利要求3所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征是，所 述標準件上的規(guī)則圖形為等間距的斜線、棋盤方格、點陣、正方形或同心圓圖形。
5、 根據(jù)權利要求3所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征是，所 述標準件的尺寸大小保證在最小倍率條件下獲得完整的規(guī)則圖形，同時在最大倍 率條件下至少有一個規(guī)則圖形完全成像到攝像機的CCD像面上。
6、 根據(jù)權利要求3所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征是，所 述標準件上的規(guī)則圖形為可變間距形式，靠近中心區(qū)域密集，而遠離中心區(qū)域逐 漸變得稀疏。
7、 根據(jù)權利要求1或者2所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征 是，所述半反半透鏡的角度姿態(tài)是可調(diào)整的，通過調(diào)整半反半透鏡與測量光軸的 角度，標準件的圖形能成像在攝像機的CCD上的成像位置處于視場的中心。
8、 根據(jù)權利要求1或2所述的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征是， 所述光源為可變亮度的程控電光源，通過計算機進行開關和亮度控制。
9、 一種用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟 第一步，調(diào)整鏡頭，保證攝像機能夠獲得清晰的圖像和視場大小，此后保持鏡頭不動；第二步，打開光源，標準件上的規(guī)則圖形被照亮，并通過半反半透鏡和鏡頭 成像到攝像機的CCD像面之上；第三步，進行圖像處理，得出當前倍率下圖像坐標系內(nèi)上述規(guī)則圖形的成像 尺寸參數(shù)，單位是像素；第四步，將上述規(guī)則圖形的成像尺寸參數(shù)與其實際尺寸參數(shù)相比，得到二者 的對應關系值即當量，單位是長度/像素，該值自動保存到計算機之中；第五步，關閉光源，開始測量，獲得被測目標的圖像，通過圖像處理，得到 被測目標的成像尺寸參數(shù)，單位也是像素；第六步，測量系統(tǒng)自動調(diào)入上述當量值，與被測目標的成像尺寸參數(shù)相乘， 得到被測目標的實際尺寸參數(shù)，自標定過程結束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種精密測試技術領域的用于視覺檢測系統(tǒng)的自標定系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)包括CCD攝像機、鏡頭、標準件、光源、半反半透鏡、外殼等部分。鏡頭與攝像機直接相連，安放在被測件的正上方，并對準被測件。在鏡頭與被測件之間放置一個半反半透鏡，并與鏡頭的光軸成45度角。在半反半透鏡的側(cè)面安置有標準件和光源，其中光源與半反半透鏡分處在標準件的不同側(cè)，半反半透鏡、標準件和光源三者形成的標定光路與原有的測量光路正交。當被測物體處在景深范圍內(nèi)時，半反半透鏡中心到被測物清晰表面距離與半反半透鏡中心到標定物之間的距離具有明確而唯一的對應關系。因此，可利用內(nèi)置的標準件實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的標定，無需人工干預。
文檔編號G01B11/00GK101509759SQ20091004540
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權日2009年1月15日
發(fā)明者劉偉文, 宋旭輝, 楊金峰, 輝 趙, 衛(wèi) 陶 申請人:上海交通大學