双目视觉传感器系统

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1、双目视觉传感器系统视觉检测广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量:微电子器件（IC芯片、PC板、BGA）等的自动检测;软质、易脆零部件的检测；各种模具三维形状的检测;机器人的视觉导引等。最具有吸引力的是由视觉传感器阵列组成的人型物休（如白车身）空间三维尺寸多传感器视觉检测系统。双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成,基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务，如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此，双口视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感

2、器之一。要实现双口视觉传感器直接测量人型物体关键点的三维测量，就必须知道传感器的内部参数（摄像机的参数）、结构参数（两摄像机间的位置关系）及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系（即全局标定）。因此，在实际测量之前，先要对摄像机进行参数标定。一般方法是，传感器被提供给整个系统使用前，就离线完成传感器的内部参数及结构参数的标定，采用一标准二维精密靶标及一维精密导轨，通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标，通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的对应关系求得这些参数。这种方法的缺点是:标定过程中，需要精确调整靶标与导轨的垂直关系,

3、而且需多次准确移动导轨；同时标定过程的环境与实际测量的情形有差异;传感器在安装的过程中，易引起部分参数的变化,需多次的拆卸;摄像机还需进行全局标定。由此可知标定的劳动强度人，精度难以保证。本文捉出了一种现场双目传感器的标定方法，只需先确定摄像机的部分不易变化的参数，其它参数在摄像机安装到整个系统后进行标定。该方法人人地减少了上述因素的影响，能得到满意的标定精度。双口视觉测量探头由2个CCD摄像机和1个半导体激光器组成，如下图所示。半导体激光器作为光源，它发射出一点光源射到一柱状透镜上后变成一条直线。该线激光投射到工件表面

4、，作为测量标志线。激光波长为650nm,其扫描激光线宽约为lmmo2个普通CCD摄像机呈一定角度放置，构成深度测量的传感器。CCD镜头焦距长短会影响镜头光轴与线激光的夹角、探头与待测物体的距离以及测量景深。视觉测量属于一种非接触式测量，它是基于激光三角法测量原理。激光器1发出的光线经柱状透镜单方向扩展后变成一光条，投射在被测物体表面，由于物休表面曲度或深度的变化,使光条变形，由CCD摄像机摄取此变形光条的图像，这样就可以市激光束的发射角和激光束在CCD内成像位置,通过三角几何关系获得被测点的距离或位置等数据。与人类使用双

5、眼观察物体的远近类似，双目视觉测量传感器是通过2个CCD摄像机同时摄取一个光条的图像，再通过两幅图像的匹配，得到光条上所有像素点分别在两幅图像中的位置，利用视差，即可计算该点的位置以及深度信息的。如果配合扫描机构得到的扫描线某一坐标值，可得到被扫描物体所有的轮廓信息(即三维处标点)o一般来说，双耳传感器的视差(x2-xl)越尢则其测量精度越高。通过实验发现，增大基线长度可以提高视觉测量的精度。但对某一焦距的镜头，过大的基线长度会造成双目轴线夹角增大，使图像产生较人畸变，不利于CCD的标定及特征匹配，反而使测量精度卜'降。

6、选择2个焦距为8mm的镜头，通过实验，找到与之相匹配的基线长度,可保证在镜头的景深范围内，双冃视觉传感器有较高的测量精度。摄像机标定的目的是建立有效的成像模型，并确定摄像机的内外部属性参数，以便正确建立空间坐标系中物点与它在图像平面上像素Z间的对应关系。由小孔成像原理，若考虑透镜径向一阶畸变，其摄像机模型如图所示。三维物点(实际处标系的坐标Pw二(xw,yw,zw))与其平面像点(成像平面二维坐标系的处标Pu二(xu,yu))之间的转换关系为=Xd(1+M)_八1忑+八2儿+巾三・+厶「"'与1兀+心2儿+切《+厶血兀一

7、“2儿+$3三+£如兀+耳2儿+%%+t3=yd(1—kF)式中P=x2d+y2d为像点到像面中心的距离;k为径向畸变参数。(xu,yu)表示没有畸变时P点在成像平面二维坐标系中的理想坐标。(xd,yd)表示没有存在畸变时P点在成像平面二维坐标系中的实际坐标。X当扫描轮廓确定后，双目视觉测量传感器将按照设定的扫描速度沿某一方向扫描，扫描过程中，可设置左右图像采集速率为每秒25帧,这些图像保存在计算机内存屮。采集的图像可进行实时处理，包括特征提取、立体匹配。图像屮的激光扫描线是需要提取的特征。由于激光光条宽度约为lmm,其

8、在摄取的图像屮所占的像素数目不止一个像素，所以，激光光条图像必须做屮心线搜寻处理,即激光光条需进行细化处理。细化时，采用高斯分布算法。采用极线约束条件[4],可以搜索左图像屮激光光条上某一点在右图像激光光条屮的对应点，得到相应的视差后，可以计算出光条上所有点的深度信息，从而恢复工件三维信息。在双目视觉的硬件结构中，目