一種基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)，適用于自動(dòng)化設(shè)備的坐標(biāo)和 路徑補(bǔ)償。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的精度要求也越來(lái)越高。當(dāng)前最有效的 提高精度的方案是采用各種精度補(bǔ)償技術(shù)。而在自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的作用在 于，通過(guò)識(shí)別在經(jīng)過(guò)工件上的若干個(gè)特征點(diǎn)（也稱為Mark點(diǎn)），計(jì)算出工件在工作臺(tái)上的實(shí) 際坐標(biāo)相對(duì)原始坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)量和偏移量。自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)獲得所述旋轉(zhuǎn)量和偏移量 后，可以對(duì)原始坐標(biāo)原點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)路徑（比如，加工刀路）進(jìn)行修正，這樣就能夠產(chǎn)生更優(yōu)的 運(yùn)動(dòng)曲線和更準(zhǔn)確的生產(chǎn)效果（比如，獲得更優(yōu)的加工輪廓）。
[0003] 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由成像模塊和軟件識(shí)別模塊組成。這兩部分都會(huì)存在誤差，前 者的誤差主要是由光學(xué)部件固有的徑向畸變和切向畸變?cè)斐?，不可避免，后者本質(zhì)上就是 由視覺(jué)處理函數(shù)庫(kù)引起。成像模塊造成的誤差是最大的，而且減少該誤差的代價(jià)尤其昂貴， 比如可以采用更好的鏡頭（比如遠(yuǎn)心鏡頭）來(lái)減少?gòu)较蚧儯蛘?，采用更高精密的攝像 機(jī)，采用專門(mén)的儀器來(lái)檢測(cè)鏡頭和攝像機(jī)的安裝精度來(lái)減少切向畸變，這樣會(huì)花費(fèi)更多的 時(shí)間來(lái)調(diào)整，成本也更高。當(dāng)前的機(jī)器視覺(jué)函數(shù)庫(kù)還無(wú)法計(jì)算出精確解，只能無(wú)窮接近解決 目標(biāo)，因此采用圖像處理庫(kù)來(lái)最小化由軟件識(shí)別模塊所帶來(lái)的誤差仍然存在技術(shù)難題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)，為 實(shí)現(xiàn)從攝像模塊自身的參數(shù)補(bǔ)償?shù)阶詣?dòng)化設(shè)備的目標(biāo)的坐標(biāo)和路徑補(bǔ)償?shù)囊幌盗芯妊a(bǔ) 償過(guò)程提供設(shè)備支持和配置方案。
[0005] 本實(shí)用新型的方案為，一種基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：攝像模塊，該攝 像模塊包含攝像頭和鏡頭；支架，用于固定安裝所述攝像模塊；標(biāo)定元件，用于布置在所述 攝像模塊的視場(chǎng)內(nèi)，為精度補(bǔ)償處理提供參考圖元；定位元件，用于輔佐所述標(biāo)定元件定位 或可拆卸安裝在待精度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化設(shè)備的工作臺(tái)上；與所述攝像模塊連接的計(jì)算機(jī)設(shè) 備，用于根據(jù)輸入的或精度補(bǔ)償處理中的指令觸發(fā)所述攝像模塊采集標(biāo)定元件的圖像。
[0006] 進(jìn)一步，所述標(biāo)定元件包括：柵格標(biāo)定板，用于提供參考圖元以標(biāo)定所述攝像模塊 的畸變系數(shù)；和/或網(wǎng)格模板，用于提供參考圖元以生成正則化網(wǎng)絡(luò)插值。
[0007] 優(yōu)選地，所述網(wǎng)格模板由預(yù)設(shè)間距的多個(gè)圓形的點(diǎn)陣元件組成。
[0008] 進(jìn)一步，所述定位元件布置在所述自動(dòng)化設(shè)備的工作臺(tái)上，以帶動(dòng)所述標(biāo)定元件 運(yùn)動(dòng)。
[0009] 進(jìn)一步，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括與所述攝像模塊連接的圖像采集卡，用于采集攝像 頭模塊所拍攝的圖像。
[0010] 作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，所述基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)還包括至少一個(gè)光 源。
[0011] 進(jìn)一步，其中一個(gè)光源被布置為發(fā)光平面與所述攝像模塊的光軸垂直，使所述光 源形成所述攝像模塊的同軸光源。
[0012] 本實(shí)用新型的有益效果為：顯著減少了傳統(tǒng)的視覺(jué)定位設(shè)備或自動(dòng)化設(shè)備中人為 定位所帶來(lái)的誤差；采用較低成本的方式，提供設(shè)備支持和配置方案實(shí)現(xiàn)了從攝像模塊自 身的參數(shù)補(bǔ)償?shù)阶詣?dòng)化設(shè)備的目標(biāo)的坐標(biāo)和路徑補(bǔ)償?shù)囊幌盗型暾木妊a(bǔ)償方案。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 以下的本實(shí)用新型的說(shuō)明書(shū)參照附圖，其中：
[0014] 圖1所示為根據(jù)本實(shí)用新型的基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2所示為根據(jù)本實(shí)用新型的柵格標(biāo)定板；
[0016] 圖3所示為求解本征旋轉(zhuǎn)角時(shí)采用的主元分析法示意圖；
[0017] 圖4a和4b所示為圖像識(shí)別精度補(bǔ)償時(shí)選取不同的懲罰系數(shù)的結(jié)果圖；
[0018] 圖5所示為根據(jù)本實(shí)用新型的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格模板；
[0019] 圖6所示為原始點(diǎn)集與目標(biāo)點(diǎn)集之間的轉(zhuǎn)換示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面通過(guò)附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述和解析。
[0021] 圖1所示為根據(jù)本實(shí)用新型的基于攝像裝置的精度補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。所述 系統(tǒng)可以與自動(dòng)化設(shè)備1配套使用，其中自動(dòng)化設(shè)備1包括數(shù)控系統(tǒng)11，用于控制自動(dòng)化 設(shè)備1中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的工作和運(yùn)動(dòng)定位，比如控制工作臺(tái)2基于預(yù)設(shè)的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)給定 的距離。根據(jù)本實(shí)用新型的系統(tǒng)包括：定位元件3、標(biāo)定元件4、鏡頭5、光源6、攝像頭7、支 架8和計(jì)算機(jī)設(shè)備10。其中，定位元件3用于輔佐所述標(biāo)定元件4定位或可拆卸安裝在待 精度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化設(shè)備1的工作臺(tái)2上，定位元件3例如可以是機(jī)械定位夾具、定位銷(xiāo)等元 件。標(biāo)定元件4用于布置在由攝像頭7和鏡頭5組成的攝像模塊的視場(chǎng)內(nèi)為精度補(bǔ)償處理 提供參考圖元。例如標(biāo)定元件4可以包括柵格標(biāo)定板和/或網(wǎng)格模板，柵格標(biāo)定板用于提 供參考圖元以標(biāo)定所述攝像模塊的畸變系數(shù)，網(wǎng)格模板用于提供參考圖元以生成正則化網(wǎng) 絡(luò)插值。
[0022] 計(jì)算機(jī)設(shè)備10用于根據(jù)輸入的或精度補(bǔ)償處理中的指令觸發(fā)所述攝像模塊采集 標(biāo)定元件的圖像。計(jì)算機(jī)設(shè)備10可以運(yùn)行程序來(lái)實(shí)施基于機(jī)器視覺(jué)的精度補(bǔ)償方法，該方 法包括以下步驟:A、布置攝像模塊和精度補(bǔ)償目標(biāo)，固定所述攝像模塊，并且使所述精度補(bǔ) 償目標(biāo)可動(dòng)地處于所述攝像模塊的視場(chǎng)內(nèi)；B、通過(guò)識(shí)別標(biāo)定件中的特定元素，確定攝像模 塊的畸變系數(shù)和本征旋轉(zhuǎn)角；C、通過(guò)攝像模塊對(duì)多個(gè)處于預(yù)設(shè)位置的已知點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，然 后采用正則化網(wǎng)絡(luò)插值算法和預(yù)設(shè)的懲罰系數(shù)，對(duì)所述多個(gè)已知點(diǎn)的識(shí)別值進(jìn)行逼近和擬 合，從而實(shí)現(xiàn)所述攝像模塊的識(shí)別精度補(bǔ)償；D、對(duì)攝像模塊的畸變系數(shù)、本征旋轉(zhuǎn)角和識(shí)別 精度補(bǔ)償后，獲取多個(gè)精度補(bǔ)償目標(biāo)上的多個(gè)特征點(diǎn)的原始位置點(diǎn)集，通過(guò)攝像模塊識(shí)別 與所述多個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置點(diǎn)集；E、根據(jù)所述原始位置點(diǎn)集和所述實(shí)際位置點(diǎn)集， 采用迭代算法計(jì)算旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和偏移轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后將所述旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和偏移轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)分配到所述精度補(bǔ)償目標(biāo)從而實(shí)現(xiàn)精度補(bǔ)償。
[0023] 具體地，所述攝像模塊包括攝像頭7和鏡頭5。為了使攝像模塊能夠采集清晰的圖 像，需要為其可視區(qū)域提供充足的關(guān)照。優(yōu)選地，可以在精度補(bǔ)償目標(biāo)的附近布置光源6裝 置，或者可以在鏡頭5前端布置同軸光源6。
[0024] 下面，在一些實(shí)例中具體說(shuō)明上述的步驟，并且明晰了工作臺(tái)2、標(biāo)定元件4、鏡頭 5、攝像頭7等為精度補(bǔ)償過(guò)程提供設(shè)備支持及各自的工作過(guò)程。
[0025] 在步驟B中，確定鏡頭5的徑向畸變系數(shù)的方法是通過(guò)提取柵格標(biāo)定板（如圖2 所示）的一組邊緣，再通過(guò)Halcon圖像處理庫(kù)（由MVtec公司開(kāi)發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué) 算法包）的徑向畸變自校正函數(shù)來(lái)計(jì)算獲得徑向畸變系數(shù)（K)。如果采用良好的鏡頭5而 計(jì)算得到非常小的徑向畸變系數(shù)（比如，K = -1. 25027e-009)，則可以忽略不計(jì)，即是不需 要對(duì)鏡頭5進(jìn)行徑向畸變補(bǔ)償。此外，鏡頭5的切向畸變是由于透鏡安裝缺陷使得透鏡本 身與感光元件（比如CCD)的成像平面不平行而產(chǎn)生。鏡頭5的切向畸變需要專業(yè)的儀器 才能精確檢測(cè)出來(lái)，但是可以通過(guò)單應(yīng)矩陣（Homography matrix)來(lái)判定，該單應(yīng)矩陣可以 通過(guò)上述的圖像處理庫(kù)和標(biāo)定板的圖像識(shí)別來(lái)計(jì)算。例如，如果計(jì)算得到的3X3單應(yīng)矩陣 如下：
[0026]
[0027] 矩陣的主對(duì)角線兩側(cè)的數(shù)的絕對(duì)值不對(duì)稱，說(shuō)明存在徑向畸變（Y方向比X方向嚴(yán) 重），并直接影響成像質(zhì)量和最終的檢測(cè)精度，需要進(jìn)行校正。公知地，上述的兩種畸變以及 其他因素對(duì)圖像品質(zhì)和檢測(cè)精度的影響可以通過(guò)數(shù)值分析法來(lái)校正。
[0028] 同樣在步驟B中，還需要確定攝像機(jī)（即攝像頭）的本征旋轉(zhuǎn)角。本質(zhì)旋轉(zhuǎn)角是在 攝像機(jī)安裝時(shí)形成的，例如是指攝像機(jī)中的感光元片的長(zhǎng)邊與自動(dòng)化設(shè)備1的X