汽車涂膠機(jī)雙目視系統(tǒng)定位原理

白鍇

摘 要：通過對計算機(jī)視覺中運(yùn)用雙目立體成像來實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)準(zhǔn)確定位的可行性進(jìn)行了研究，對攝像機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，通過設(shè)計的點(diǎn)作為特征，從而方便地獲取了特征點(diǎn)的質(zhì)心特征量；通過對物體進(jìn)行秩序約束方便地實(shí)現(xiàn)了對特征點(diǎn)的對應(yīng)，最終成功地提取了目標(biāo)的空間坐標(biāo).

關(guān)鍵詞：涂膠機(jī) 雙目立體視覺 圖像標(biāo)定

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

隨著現(xiàn)代機(jī)器視覺處理技術(shù)發(fā)展，目視系統(tǒng)制造工藝得到巨大進(jìn)步，高分辨率、低非線性失真目視系統(tǒng)價格已大大降低。飛速發(fā)展的計算機(jī)視覺系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域使用日愈廣泛，雙目視系統(tǒng)通過圖像定位獲取物體的精確坐標(biāo)，并將物體位置信息提供給機(jī)器操作分支進(jìn)行精確操作。在計算機(jī)視覺系統(tǒng)和工業(yè)檢測中需要對景物進(jìn)行三維立體坐標(biāo)測量、精確定位和定量分析。雙目視系統(tǒng)是計算機(jī)視覺的重要部分，能夠?qū)σ曈X范圍內(nèi)的物體進(jìn)行自動識別定位，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)場標(biāo)定。目視系統(tǒng)需要將三維場景中的物體和二維圖像進(jìn)行連接，具有高效率、高精確度和低成本等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。一般常用的目視系統(tǒng)模型分為線性針孔模型、擬透視投影模型和正交投影模型三類。

1 透視變換模型標(biāo)定

雙目視系統(tǒng)的需要從二維圖像中計算出空間物體的三維信息，運(yùn)用透視變換模型需要獲取物體圖像信息，再根據(jù)所獲取的圖像信息分析物體的三維立體坐標(biāo)，從而進(jìn)行識別并得到物體準(zhǔn)確的位置信息。所謂的目視系統(tǒng)標(biāo)定是指通過幾何模型參數(shù)將空間物體和圖像進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)連接后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析標(biāo)定的過程。幾何模型參數(shù)決定了空間物體表面的幾何位置和圖像對應(yīng)點(diǎn)間的相互關(guān)系，對雙目視系統(tǒng)定位具有關(guān)鍵性的作用[1]。

在視覺導(dǎo)航、監(jiān)控跟蹤等立體視覺系統(tǒng)應(yīng)用中，對圖像定位處理的效率要求較高，建立高效快捷的雙目視系統(tǒng)模型是社會發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，常使用線性目視系統(tǒng)模式進(jìn)行圖像標(biāo)定處理，反而忽視了目視系統(tǒng)非線性因素的影響。

2 目視系統(tǒng)標(biāo)定重要性

目視系統(tǒng)標(biāo)定具有如下幾個重要作用：

1：從計算機(jī)圖像中導(dǎo)出三維信息

目視系統(tǒng)標(biāo)定經(jīng)過多次試驗和計算能夠得到一個目視系統(tǒng)模型參數(shù)，該參數(shù)決定了計算機(jī)圖像和空間物體表面進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)連接的相互關(guān)系，能夠提供給定坐標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并確定實(shí)際物體目標(biāo)點(diǎn)的空間位置信息。目視系統(tǒng)標(biāo)定在機(jī)電元件自動裝配、機(jī)器人標(biāo)定、軌跡分析及在線檢測等方面運(yùn)用廣泛。

2：確定自動行駛車輛上的空間位置

利用目視系統(tǒng)標(biāo)定可以確定自動行駛車輛和移動機(jī)器人的空間位置信息，如果知道目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，可以通過目視系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行分析，從而得到目視系統(tǒng)的方向信息。

3：已知物體的三維信息可導(dǎo)出物體的二維計算機(jī)圖像坐標(biāo)

在進(jìn)行模型驅(qū)動的機(jī)器視覺檢測和裝配中，有關(guān)于物體的方向假設(shè)和立體空間坐標(biāo)問題時，可以利用目視系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為該圖像的假設(shè)，然后將假設(shè)的圖像和物體三維圖像進(jìn)行比較，如果假設(shè)圖像滿足物體三維信息，則可確認(rèn)或拒絕對該物體和物體空間位置假設(shè)成立。

3 目視系統(tǒng)的標(biāo)定原則

目視系統(tǒng)的標(biāo)定包括圖像獲取、參數(shù)計算、圖像預(yù)處理等關(guān)鍵步驟，在進(jìn)行圖像標(biāo)定時一般需要在目視系統(tǒng)前放置特制的標(biāo)定參照物，獲取該物體圖像后計算內(nèi)、外部系統(tǒng)參數(shù)[2]。采用點(diǎn)特征提取方式標(biāo)定參照物，并根據(jù)每個特征點(diǎn)相對于世界坐標(biāo)系OwXwYwZw 的位置進(jìn)行精確的測量。得到物體坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)而可以解出目視系統(tǒng)內(nèi)、外部參數(shù)。

下面用矩陣形式寫出這些方程：

（1）

從以上方程中可以知道， M矩陣乘以任意一個不為零的常數(shù)都不會影響 與 的關(guān)系，我們可以任意使m34=1，可以得到M矩陣中其他元素的2n個線性方程。這些未知元素的個數(shù)為11個，將其記為11維向量，可以將（1）式簡寫成：Km = U

其中，K為（1）式左邊2n×11矩陣；m指代未知的11維向量；U為（4）式右邊的2n維向量，K，U為已知向量。當(dāng)2n>11時，用最小二乘法可以求出上述線性方程解為： m =（KTK）-1KTU 。

m向量與 =1構(gòu)成了所求解的M矩陣。從以上式子可知，若有空間6個以上的已知點(diǎn)和它們的二維圖像坐標(biāo)匹配的話，就可以求出M矩陣。一般在進(jìn)行標(biāo)定時都會使標(biāo)定模板上有數(shù)十個已知坐標(biāo)點(diǎn)，使方程的個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于未知數(shù)的個數(shù)，用最小二乘法求方程解，從而降低誤差。

求出M矩陣后，如果需要解目視系統(tǒng)的內(nèi)部、外部參數(shù)，可由（4）式表示的關(guān)系算出目視系統(tǒng)的全部的內(nèi)部、外部參數(shù)。不過，所求得的M矩陣與（4）式所表示的矩陣M相差一個常數(shù)因子 。指定 =1雖然并不影響投影關(guān)系，但在分解M矩陣時必須進(jìn)行考慮。將（1）式M矩陣與目視系統(tǒng)內(nèi)部、外部參數(shù)的關(guān)系寫成

（2）

其中，miT（i=1～3）從式子（1）中解出，作為M矩陣第i行的前三個元素組成的行向量。二mi4是M矩陣第i行第四列元素；riT（i=1～3）是作為旋轉(zhuǎn)矩陣R的第i行；tx，ty，tz分別為平移向量T的三個分量。且r1T ，r2T ，r3T ，之間有如下的約束關(guān)系：

， ， ，

， ， （3）

由式（2）可以得到

（4）

比較以上式子可知： m3= ，由 是正交單位矩陣的第三行， ，因此，可以從 求出 即 ，再由以下式子可以求得 ， ， ， ， ：

（5）

（5）式中的×表示向量運(yùn)算符號，根據(jù)（5）所得參數(shù)可以得到（6）式中的參數(shù)。

（6）

從以上方程式中可以知道，根據(jù)空間6個以上一直點(diǎn)及其坐標(biāo)信息和圖像，可以按照方程（5）和（6）求出目視系統(tǒng)的內(nèi)、外部參數(shù)。

4 總結(jié)

本文根據(jù)汽車涂膠機(jī)目視系統(tǒng)圖像坐標(biāo)和針孔目視系統(tǒng)模型定位等方面展開討論。在此基礎(chǔ)上，說明通過目視系統(tǒng)標(biāo)定和圖像點(diǎn)坐標(biāo)可以唯一地確定空間中的一條射線。利用兩個標(biāo)定過的目視系統(tǒng)觀察同一個待測點(diǎn)，它的空間三維坐標(biāo)可以用兩條這樣的射線的交點(diǎn)計算出來，說明了雙目視覺的基本原理，并討論了投影矩陣的求解方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑞森，劉冀偉.基于雙目機(jī)器人的實(shí)時測距與追蹤系統(tǒng)[J].電子器件.2007（05）

[2] 李瑞峰，李慶喜.機(jī)器人雙目視覺系統(tǒng)的標(biāo)定與定位算法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2007（11）