汽車涂膠機雙目視系統定位原理

白鍇

摘 要：通過對計算機視覺中運用雙目立體成像來實現空間目標準確定位的可行性進行了研究，對攝像機進行了標定，通過設計的點作為特征，從而方便地獲取了特征點的質心特征量；通過對物體進行秩序約束方便地實現了對特征點的對應，最終成功地提取了目標的空間坐標.

關鍵詞：涂膠機 雙目立體視覺 圖像標定

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

隨著現代機器視覺處理技術發展，目視系統制造工藝得到巨大進步，高分辨率、低非線性失真目視系統價格已大大降低。飛速發展的計算機視覺系統在汽車生產領域使用日愈廣泛，雙目視系統通過圖像定位獲取物體的精確坐標，并將物體位置信息提供給機器操作分支進行精確操作。在計算機視覺系統和工業檢測中需要對景物進行三維立體坐標測量、精確定位和定量分析。雙目視系統是計算機視覺的重要部分，能夠對視覺范圍內的物體進行自動識別定位，對數據進行分析后實現系統現場標定。目視系統需要將三維場景中的物體和二維圖像進行連接，具有高效率、高精確度和低成本等特點，在現代工業中得到廣泛應用。一般常用的目視系統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 透視變換模型標定

雙目視系統的需要從二維圖像中計算出空間物體的三維信息，運用透視變換模型需要獲取物體圖像信息，再根據所獲取的圖像信息分析物體的三維立體坐標，從而進行識別并得到物體準確的位置信息。所謂的目視系統標定是指通過幾何模型參數將空間物體和圖像進行點對點連接后，進行數據分析標定的過程。幾何模型參數決定了空間物體表面的幾何位置和圖像對應點間的相互關系，對雙目視系統定位具有關鍵性的作用[1]。

在視覺導航、監控跟蹤等立體視覺系統應用中，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模型是社會發展的現實要求。在實際應用中，常使用線性目視系統模式進行圖像標定處理，反而忽視了目視系統非線性因素的影響。

2 目視系統標定重要性

目視系統標定具有如下幾個重要作用：

1：從計算機圖像中導出三維信息

目視系統標定經過多次試驗和計算能夠得到一個目視系統模型參數，該參數決定了計算機圖像和空間物體表面進行點對點連接的相互關系，能夠提供給定坐標點的圖像坐標，并確定實際物體目標點的空間位置信息。目視系統標定在機電元件自動裝配、機器人標定、軌跡分析及在線檢測等方面運用廣泛。

2：確定自動行駛車輛上的空間位置

利用目視系統標定可以確定自動行駛車輛和移動機器人的空間位置信息，如果知道目標點的空間坐標和圖像坐標，可以通過目視系統參數標定技術進行分析，從而得到目視系統的方向信息。

3：已知物體的三維信息可導出物體的二維計算機圖像坐標

在進行模型驅動的機器視覺檢測和裝配中，有關于物體的方向假設和立體空間坐標問題時，可以利用目視系統參數轉化為該圖像的假設，然后將假設的圖像和物體三維圖像進行比較，如果假設圖像滿足物體三維信息，則可確認或拒絕對該物體和物體空間位置假設成立。

3 目視系統的標定原則

目視系統的標定包括圖像獲取、參數計算、圖像預處理等關鍵步驟，在進行圖像標定時一般需要在目視系統前放置特制的標定參照物，獲取該物體圖像后計算內、外部系統參數[2]。采用點特征提取方式標定參照物，并根據每個特征點相對于世界坐標系OwXwYwZw 的位置進行精確的測量。得到物體坐標點的數據進而可以解出目視系統內、外部參數。

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都不會影響 與 的關系，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個以上的已知點和它們的二維圖像坐標匹配的話，就可以求出M矩陣。一般在進行標定時都會使標定模板上有數十個已知坐標點，使方程的個數遠遠多于未知數的個數，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的內部、外部參數，可由（4）式表示的關系算出目視系統的全部的內部、外部參數。不過，所求得的M矩陣與（4）式所表示的矩陣M相差一個常數因子 。指定 =1雖然并不影響投影關系，但在分解M矩陣時必須進行考慮。將（1）式M矩陣與目視系統內部、外部參數的關系寫成

（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×表示向量運算符號，根據（5）所得參數可以得到（6）式中的參數。

（6）

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

4 總結

本文根據汽車涂膠機目視系統圖像坐標和針孔目視系統模型定位等方面展開討論。在此基礎上，說明通過目視系統標定和圖像點坐標可以唯一地確定空間中的一條射線。利用兩個標定過的目視系統觀察同一個待測點，它的空間三維坐標可以用兩條這樣的射線的交點計算出來，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

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

[2] 李瑞峰，李慶喜.機器人雙目視覺系統的標定與定位算法[J].哈爾濱工業大學學報.2007（11）