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雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹

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關(guān)鍵詞: 機(jī)器人,視覺

    焊接機(jī)器人視覺的基本任務(wù)就是從雙目攝像機(jī)獲得的二維圖像中恢復(fù)物體的三維空間信息,從而能夠識(shí)別目標(biāo)物體,進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)??臻g中物體與其在成像平面形成的二維圖像的相互關(guān)系由攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)決定,內(nèi)部參數(shù)是由攝像機(jī)本身的類型決定的,主要是由攝像機(jī)感光元件和光學(xué)特性決定;外部參數(shù)是由建立的攝像機(jī)坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系決定。

    攝像機(jī)標(biāo)定方法主要有兩種:傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機(jī)標(biāo)定和攝像機(jī)自標(biāo)定的方法。傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機(jī)標(biāo)定方法主要利用尺寸、大小、形狀己知的標(biāo)定模板,通過左右攝像機(jī)采集到的圖像與空間標(biāo)定模板之間的位置變換計(jì)算出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。而自標(biāo)定方法僅僅依靠攝像機(jī)采集的二維圖像信息就可以確定攝像機(jī)的參數(shù),但是必須使用運(yùn)動(dòng)序列的圖像,標(biāo)定難度較大。本章主要對傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行了研究。

    參考坐標(biāo)系介紹

    為了描述雙目焊接機(jī)器人立體視覺,需要建立以下五種坐標(biāo)系即像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、基坐標(biāo)系以及機(jī)器人末端坐標(biāo)系,同時(shí)還需要計(jì)算各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,才能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的測量、定位、建模等一系列工作。

    (1)像素坐標(biāo)系

    CCD攝像機(jī)將采集到的數(shù)字圖像信息以數(shù)組的形式記錄下來,數(shù)組中的元素代表像素,元素的大小為像素點(diǎn)的灰度值,拍攝圖像時(shí)使用的分辨率(如1600 X1200)為數(shù)組的范圍,像素坐標(biāo)系OoUV定義如圖3.1所示,Oo為像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn),U軸和V軸表示像素點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的行數(shù)和列數(shù),坐標(biāo)都是以元素為單位。

    雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹

    (2)圖像坐標(biāo)系

    由于像素坐標(biāo)系中表示的元素都是以像素為單位,而在實(shí)際的視覺系統(tǒng)應(yīng)用中需要以物理單位(如毫米)來描述目標(biāo)位置,因此需要建立一個(gè)新的坐標(biāo)系即圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系O1XY如圖3.1所示,設(shè)O1為攝像機(jī)光軸與成像平面的交點(diǎn),定義O1為圖像坐標(biāo)系原點(diǎn),一般情況下O1點(diǎn)在圖像的中心位置,但是攝像機(jī)在制造過程中由于制造工藝等原因可能會(huì)產(chǎn)生一定的偏離。像素坐標(biāo)系的X軸Y軸相互垂直,坐標(biāo)以毫米為單位。設(shè)攝像機(jī)成像平面點(diǎn)中的一點(diǎn)N,其在像素坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(u0,v0)在圖像坐標(biāo)系中實(shí)際距離分別用dx和dy表示,坐標(biāo)形式表示為〔dx, dy);則兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系如式3-1所示:

    雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹

    其中,θ角為攝像機(jī)的鏡頭由于制造工藝導(dǎo)致的偏差,使得像素坐標(biāo)系Oouv的u軸與v軸不垂直,隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的進(jìn)步,攝像機(jī)制造工藝越來越完善,θ角也越來越接近90度。

    (3)攝像機(jī)坐標(biāo)系

    為了描述攝像機(jī)的成像原理,建立攝像機(jī)坐標(biāo)系,如圖3.2所示,設(shè)攝像機(jī)鏡頭的光心Oc為坐標(biāo)原點(diǎn),Xc軸、Yc軸、Zc軸相互垂直,且Xc軸、Yc軸分別與圖像坐標(biāo)系中的X,Y軸平行,Zc軸與垂直于成像平面,且與成像平面的交點(diǎn)O1為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn),Oc到O1的距離為攝像機(jī)的焦距f,由Oc,Xc軸、yc軸、Zc軸構(gòu)成攝像機(jī)坐標(biāo)系。

    (4)基坐標(biāo)系

    基坐標(biāo)系又稱世界坐標(biāo)系,如圖3.2所示,Ow為基坐標(biāo)系的原點(diǎn),Xw軸、Yw軸、Zw軸相互垂直,基坐標(biāo)系用來描述空間中攝像機(jī)、目標(biāo)工件、機(jī)器人等所有物體的絕對坐標(biāo),同時(shí)基坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系也有確定的關(guān)系,兩個(gè)不同的坐標(biāo)系必然可以通過旋轉(zhuǎn)、平移操作相互重合,因此利用旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T可以描述這兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)空間中任意一點(diǎn)P在基坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為(Xw,Yw, Zw, 1),在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為(Xc, Yc, Zc、1),則兩者存在以下關(guān)系:

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    其中,平移矩陣T為1x3的三維平移向量,旋轉(zhuǎn)矩陣R為3x3的正交單位矩陣,為由T和R確定的4x4矩陣,因此可以用矩陣,雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹,M來描述攝像機(jī)坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

    (5)機(jī)器人末端坐標(biāo)系

    為了描述目標(biāo)工件相對于機(jī)器人末端手臂(焊槍)的位置,建立機(jī)器人末端坐標(biāo)系。如圖3.3所示,定義焊接機(jī)器人手臂末端Os為原點(diǎn),由相互垂直的Xs,Ys, Zs軸構(gòu)成機(jī)器人末端坐標(biāo)系。

    雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹

    與其他位置固定的各坐標(biāo)系不同,機(jī)器人末端坐標(biāo)系隨著機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),但是初始狀態(tài)下機(jī)器人手臂相對于基坐標(biāo)系的位姿確定,因此可以知道機(jī)器人末端坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,設(shè)空間中任意一點(diǎn)N,N點(diǎn)在基坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為(Xw, Yw, Zw,1),在機(jī)器人末端坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XS,YS,ZS,1),則機(jī)器人末端坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式3-3所示。

    雙目視覺攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定參考坐標(biāo)系介紹

    其中,N為當(dāng)前情況下4x4的位姿矩陣,可以根據(jù)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到。

    通過以上五種坐標(biāo)系可以求取任何與雙目焊接機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)的物體坐標(biāo),而且每兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定,可以在五種坐標(biāo)系下自由的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

    (審核編輯: 林靜)

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