CN104021540A - 一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置和方法，属测量领域。其静态标定装置由标尺、可移动标定模块、可延长标尺、激光发射器和角度调整装置构成。其可以精确定位光源与相机成像位置，通过标定模块能够快速准确的调整线阵相机的微角度确保其成像的准确性、一致性，既适用于一台线阵相机及光源的调整，也适用于多台相机与光源的调整标定，既适用于是实验室设备的标定，也适用于现场设备的标定和调整。其通过直观地查看采集图像效果来确定相机是否调整到最佳状态，能够提高***的检测准确率，提高调试的工作效率。可广泛用于单台或多台线阵相机的标定或管理领域。

Description

一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置和方法

技术领域

本发明属于测量领域，尤其涉及一种用于机器视觉表面检测设备的校准/标定装置和方法。

背景技术

基于机器视觉的带钢表面缺陷检测***已经在世界各大钢铁企业获得了广泛应用。这种检测***通常由多个CCD摄像机覆盖带钢整个宽度方向，并获取带钢表面图像，然后通过对图像数据进行分析，得出检测结论。

机器视觉检测技术，从技术层面上来划分，主要可分为两大技术环节，图像获取、图像分析及识别。其中，图像获取是视觉***的基本，也是视觉***成功设计的关键。同时，获得高质量的图像输入，将会大大提高视觉检测***的效率，也会提高***稳定性水平。因此，多个相机同时对带钢长度方向上同一位置清晰的图像输入，是视觉检测***成功的关键因素之一。

摄像机和光源构成单一场成像***，包括明场成像***、暗场成像***及介于两者之间的过渡场成像***，不论是哪种成像***，均需要光源照明与相机采集保证在同一位置，确保两者匹配工作。

线扫描相机广泛应用于连续带材成像领域，具有适合高速图像采集、感光性能好、分辨率稳定等优点。线扫描相机在使用过程中，调整相机清晰成像、光源与相机精确配合问题是其应用的难点。

通常调整线阵相机及光源匹配的方法是：

（1）人工目测相机、光源是否成像与照明在同一检测位置；

（2）对于多个线阵相机同一直线的标定，采用人工现场逐一摸索校对，直到满足多个相机在同一条直线成像为准。

对于上述找光带方法较为不准确，而人工调整相机标定又会耗费大量的时间和精力。

授权公告日为2010年6月30日，授权公告号为CN101365144B的中国发明专利，公开了一种“线阵CCD扫描检测***的调整及标定方法”，其调整及标定步骤如下：靶标上有高精度加工的多条等间距竖线和两条平行横线；将靶标件置于生产线上，调整靶标平面与被测平面共面，并使靶标竖线与传送带前进方向平行；采集靶标图像，根据图像处理结果调整线阵CCD相机的阵列方向与传送带运动方向垂直，调整靶标处在成像***正焦面上；调整完毕后采集靶标图像，对该图像进行处理得到靶标各条直线的位置，进而求出标定参数。

授权公告日为2011年6月15日，授权公告号为CN101419177B的中国发明专利，公开了一种“一种用于多台线扫描摄像机标定的方法”，其设计一矩形标定板，其上沿四周及对角设有8条窄缝光源；建立带材坐标系O-XYZ和摄像机坐标系O′-X′Y′Z′；a)确定标定板位置，标定板基准线与带材宽度方向平行，标定板对准摄像头；b)调整摄像机成像位置，使其在XOY平面内与Y轴平行，初始成像位置在I处，其调整目标位置为II；c)确定相邻摄像机间的重叠区域，将摄像机成像位置在XOY平面内从位置II调整至位置III；d)平移成像位置使之移动到参考的多摄像机成像的共线位置IV；e)重复以上步骤，标定相邻摄像机直至n台全部标定完成。

上述两种技术方案，只能比较粗略的观察相机的成像效果，且没有提供光源与相机匹配调整装置和方法，因此实现相机的精确调整很困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置和方法，其可以精确定位光源与相机成像位置，通过标定模块能够快速准确的调整线阵相机的微角度确保其成像的准确性、一致性。本装置既适用于一台线阵相机及光源的调整，也适用于多台相机与光源的调整标定，既适用于是实验室设备的标定，也适用于现场设备的标定和调整。通过直观地查看采集图像效果来确定相机是否调整到最佳状态，能够提高***的检测准确率，提高调试的工作效率。

本发明的技术方案是：提供一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，包括光源和待标定相机，其特征是：所述的静态标定装置由标尺、可移动标定模块、可延长标尺、激光发射器和角度调整装置构成；在所述标尺的中心设置有检测位置标定直线轨道，在标定直线轨道上设有刻度；所述标尺背面设有拼接结构，用于可延长标尺的无缝拼接，以达到加长标定宽度，标定更多相机的目的；所述的可移动标定模块可移动地设置在标定直线轨道上；在所述标尺中心直线位置的端部设有角度调整装置；用于带动激光发射器进行角度调节；所述的激光发射器可发出一条平行激光线，用于确定光源和待标定相机角度及位置，以确保光源与待标定相机能够精确匹配。

进一步的，所述的标尺配有至少两个可移动标定模块。

其所述可移动标定模块的上表面为十字交叉图案，其中心点位于标定模块中心线位置，所述十字交叉图案上半部分为粗实线，下半部分为细实线。

其所述的角度调整装置包括角度调节器、位于角度调节器一侧的角度调节旋钮、位于角度调节器下方且随角度调节器同步转动的角度调节刻度盘，在角度调节刻度盘上设置有激光器发射器定位孔。

本发明还提供了一种前述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的检测设备角度确定方法，其特征是所述的检测设备角度确定方法包括下列步骤：

1）根据预先设计的光源角度，调整角度调整装置，并由角度调整装置带动激光发射器至相应角度，完成对中心线成像和照明的角度调节的逆向调整；

2）调整光源在初步设计的光源高度，调整光源角度使光源中心线与激光器发射的平行线激光线重合；

3）相机箱体角度调整方法与光源调整方法一致，从而保证相机成像与光源照明的精准角度配合。

本发明还提供了一种前述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的单台线阵相机标定方法，其特征是所述的单台线阵相机标定方法包括下列步骤：

1′）当相机准确对准标定直线位置时，线阵相机在静态状态时三个标定模块对应线阵相机成像区域的左、中、右三个位置，其采集图像显示为三条粗实线，此时即完成了该相机与检测位置的标定；

2′）对于单台线阵相机的标定，若单台相机初始采集图像显示不是三条粗实线则说明相机与检测中心并未对准，需要调整相机角度，其标定步骤如下：

2′-1）相机中心位置对中标定：若采集图像中心位置显示为两条实线，则表明相机中心位置与基准线之间有一定距离，通过观察图像的实线粗细情况可以判断相机与基准线之间的偏差位置。

2′-2）若是粗实线则说明相机中心在标定模块粗实线位置，应从粗实线位置向细实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定。

2′-3）若是细实线则说明相机中心在标定模块细实线位置，应从细实线位置向粗实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定；

3′）相机两端对中：若采集到的图像中心位置显示为一条粗实线，说明相机中心位置与标尺中心线重合；而采集图像两端为粗实线或细实线且左右各为两条则表明相机两端位置与基准线之间有偏差；

4′）通过观察图像的实线粗细情况，可以判断相机与基准线之间的偏差位置，粗实线一端说明相机此端部靠近标定模块粗实线位置，细实线一端说明相机此端部靠近标定模块细实线位置，应当调整两端相机角度；在中心位置不变情况下，相机两端向中心线方向调整，直至调整到图像两边端部各为一条粗实线，所采集图像显示共计左、中、右三条清晰的粗实线为准，此时相机与基准线对中标定调整完毕。

本发明还提供了一种前述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的多台相机共线标定方法，其特征是所述的多台相机共线标定方法包括下列步骤：

A）分别观察图中相邻的相机1和相机2的成像图像。首先调整重合区域标定模块在两相机的成像，调整其在两相机显示均为清晰的一条粗实线；

B）在保证此点不变情况下，以此为基准，按照上述单台线阵相机的标定方法，进行两相机微角度调整，保证其他两标定模块也能呈现清晰的一条粗实线；

C）通过观察相邻相机的采集图像情况，当相邻两相机达到采集图像为5条清晰粗实线的时候即为两相机共线。

本发明又提供了一种前述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的多台相机共线标定方法，其特征是所述的多台相机共线标定方法包括下列步骤：

a）根据现场成像宽度，将标尺与可延长标尺配合使用，结合单个相机视野调节可移动校准模块之间的距离，保证每台相机在左、中、右均有一个校准模块成像，且相邻两相机有重叠标定模块；

b）逐渐调节相机镜头，观测线扫描相机的成像效果，直至可以采集到清晰的图像为止，多台线扫描相机共线标定完毕。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.能够快捷的完成光源及线扫描相机的标定并保证标定精度，起到事半功倍的效果；

2.既适用于实验室实验设备的标定，也适用于现场不同检测条件下的检测装备安装与标定，对于应用线扫描相机设备的安装、测试和维护具有重要意义。

附图说明

图1是本发明表面检测设备的静态标定装置的结构示意图；

图2是本发明角度调整装置的结构示意图；

图3是本发明标定板的结构示意图；

图4是本发明激光角度调整装置进行光源角度和位置定位的示意图；

图5是激光角度调整装置进行相机角度和位置定位的示意图；

图6是激光角度调整装置进行光源角度和位置定位的示意图；

图7是单台线阵相机成像标定的示意图；

图8是多台线阵相机共线标定的示意图。

图中1为标尺，2为可移动标定模块，3为可延长标尺，4为激光发射器，5为角度调整装置，6为光源，7为待标定相机，8为角度调节器，9为角度调节旋钮，10为激光器定位孔，11为角度调节刻度盘，12为激光角度调节器，13为标定板刻度尺。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本技术方案所提供的用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，包括光源6和待标定相机7，其所述的静态标定装置由标尺1、可移动标定模块2、可延长标尺3、激光发射器4和角度调整装置5构成。

在所述标尺的中心设置有检测位置标定直线轨道，在标定直线轨道上设有刻度。

所述标尺背面设有拼接结构，用于可延长标尺的无缝拼接，以达到加长标定宽度，标定更多相机的目的。

所述的可移动标定模块可移动地设置在标定直线轨道上。

在所述标尺中心直线位置的端部设有角度调整装置；用于带动激光发射器进行角度调节。

所述的激光发射器可发出一条平行激光线，用于确定光源和待标定相机角度及位置，以确保光源与待标定相机能够精确匹配。

进一步的，所述的标尺配有至少两个可移动标定模块。

其所述可移动标定模块的上表面为十字交叉图案，其中心点位于标定模块中心线位置，所述十字交叉图案上半部分为粗实线，下半部分为细实线。

图2中，本技术方案的角度调整装置包括角度调节器8、位于角度调节器一侧的角度调节旋钮9、位于角度调节器下方且随角度调节器同步转动的角度调节刻度盘11，在角度调节刻度盘上设置有激光器发射器定位孔10。

图3中，本技术方案的标尺中心设置有检测位置标定直线轨道，在标定直线轨道上设有刻度13。

在所述标尺中心直线位置的端部设有带有激光角度调节器12的角度调整装置。

图4中，采用前述的用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，实现检测设备角度确定的方法：

（1）根据预先设计的光源角度，调整角度调整装置5并带动激光发射器4至相应角度，完成对中心线成像和照明的角度调节的逆向调整。

（2）调整光源在适当高度后（初步设计的光源高度）调整光源角度使光源中心线与激光器发射的平行线激光线重合（如图4所示）。

（3）相机箱体角度调整方法与光源调整方法一致，从而可保证相机成像与光源照明的精准角度配合，如图5所示。

相机标定方法：

（1）可移动标定模块2为十字交叉图案，其中心点位于标定模块中心线位置，同时十字交叉图案上半部分为粗实线，下半部分为细实线。当相机准确对准标定直线位置时，线阵相机在静态状态时三个标定模块对应线阵相机成像区域的左、中、右三个位置，其采集图像显示为三条粗实线如图6所示，此时即完成了该相机与检测位置的标定。

（2）单台线阵相机的标定

按上述方法，若单台相机初始采集图像显示不是三条粗实线则说明相机与检测中心并未对准，需要调整相机角度，如图7所示，其标定方法如下：

①相机中心位置对中标定：如图7-(c)，7-(d)所示，若采集图像中心位置显示为两条实线，则表明相机中心位置与基准线之间有一定距离，通过观察图像的实线粗细情况可以判断相机与基准线之间的偏差位置。

若是粗实线则说明相机中心在标定模块粗实线位置，应从粗实线位置向细实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定。

若是细实线则说明相机中心在标定模块细实线位置，应从细实线位置向粗实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定。

②相机两端对中：如图7-(a)，7-(b)所示，若采集到的图像中心位置显示为一条粗实线，说明相机中心位置与标尺中心线重合。而采集图像两端为粗实线或细实线且左右各为两条则表明相机两端位置与基准线之间有偏差。

通过观察图像的实线粗细情况可以判断相机与基准线之间的偏差位置，粗实线一端说明相机此端部靠近标定模块粗实线位置，细实线一端说明相机此端部靠近标定模块细实线位置。因此，应当调整两端相机角度，在中心位置不变情况下，相机两端向中心线方向调整，直至调整到图像两边端部各为一条粗实线，所采集图像显示共计左、中、右三条清晰的粗实线为准。此时相机与基准线对中标定调整完毕。

（3）多台相机共线标定：

该装置还可以用来标定多个相机配合使用时的标定问题，即调整多个相机的成像位置共线问题。

如图8所示，相邻两个相机标定的模块共包含5个，每个相机均可采集到左、中、右三个标定模块的图像，其中标定模块3如图8所示为两相机重叠采集的标定模块，模块3在两相机上的图像同时为一条清晰粗实线，即可保证两个相机在该点重合，确保下一步的共线调整。其具体方法为：

①分别观察图中相邻的相机1和相机2的成像图像，首先调整重合区域标定模块在两相机的成像，调整其在两相机显示均为清晰的一条粗实线。

②在保证此点不变情况下，以此为基准，按照上述单台线阵相机的标定方法，进行两相机微角度调整，保证其他两标定模块也能呈现清晰的一条粗实线。

③通过观察相邻相机的采集图像情况，当相邻两相机达到采集图像为5条清晰粗实线的时候即为两相机共线。

④若多个相机也可采取此方法，由于现场带钢长度不一，此装置设计的标尺1可与可延长标尺3配合使用，结合单个相机视野调节可移动校准模块2之间的距离保证每台相机在左、中、右均有一个校准模块成像，且相邻两相机有重叠标定模块。

⑤在该条件下逐渐调节相机镜头，观测线扫描相机的成像效果，直至可以采集到清晰的图像为止，多台线扫描相机共线标定完毕。

实施方式一：

如图4、图5所示，将标尺1的中线对准选定采集样本的成像位置放好，根据事先设计的光源成像角度，调整角度调整装置5使其达到预设角度，开启激光发射器4，发射器将发射出一条平行激光线，根据事先设计的光源高度，调整光源并使光源发光中心位置与激光线重合，调整水平，完成光源角度位置的确定。

相机箱体角度位置的确定与光源方法一致。

经过角度调整后，基本达到光源与相机的匹配成像，为进一步调整相机成像效果，将标尺1上3个可移动标定模块2分别位于线扫描相机成像的左、中、右三个位置。通过对相机成像的粗细实线的程度和数量即可判断相机成像是否与标尺中心线平行，按照向中心靠拢原则移动相机左、右两端，观测线扫描相机的成像效果，直至可以采集到三条均匀、清晰粗实线图像时，线扫描相机标定完毕。

实施方式二：

本专利发明的装置可以用来标定多个相机配合使用时的标定问题，即调整多个相机的成像位置共线问题。如图8所示，根据现场成像宽度适当延长标尺长度，并调整标定模块位置使其分别位于一个相机的头尾和中间位置，分别观察相邻的两相机所采集实时图像，通过对两个相机各自成像的粗细实线的程度和数量即可判断相机成像是否位于同一直线上，并适当调整相机微角度，即可达到多个相机共线目的。

本发明技术方案的实施，可以精确定位光源与相机成像位置，通过标定模块能够快速准确的调整线阵相机的微角度确保其成像的准确性、一致性，该装置既适用于一台线阵相机及光源的调整，也适用于多台相机与光源的调整标定，既适用于是实验室设备的标定，也适用于现场设备的标定和调整。其标定和调整方法通过直观地查看采集图像效果来确定相机是否调整到最佳状态，能够提高***的检测准确率，提高调试的工作效率。

本发明可广泛用于单台或多台线阵相机的标定或管理领域。

Claims (8)

1.一种用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，包括光源和待标定相机，其特征是：

所述的静态标定装置由标尺、可移动标定模块、可延长标尺、激光发射器和角度调整装置构成；

在所述标尺的中心设置有检测位置标定直线轨道，在标定直线轨道上设有刻度；

所述标尺背面设有拼接结构，用于可延长标尺的无缝拼接，以达到加长标定宽度，标定更多相机的目的；

所述的可移动标定模块可移动地设置在标定直线轨道上；

在所述标尺中心直线位置的端部设有角度调整装置；用于带动激光发射器进行角度调节；

所述的激光发射器可发出一条平行激光线，用于确定光源和待标定相机角度及位置，以确保光源与待标定相机能够精确匹配。

2.按照权利要求1所述的用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，其特征是所述的标尺配有至少两个可移动标定模块。

3.按照权利要求1所述的用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，其特征是所述可移动标定模块的上表面为十字交叉图案，其中心点位于标定模块中心线位置，所述十字交叉图案上半部分为粗实线，下半部分为细实线。

4.按照权利要求1所述的用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置，其特征是所述的角度调整装置包括角度调节器、位于角度调节器一侧的角度调节旋钮、位于角度调节器下方且随角度调节器同步转动的角度调节刻度盘，在角度调节刻度盘上设置有激光器发射器定位孔。

5.一种如权利要求1所述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的检测设备角度确定方法，其特征是所述的检测设备角度确定方法包括下列步骤：

5-1）根据预先设计的光源角度，调整角度调整装置，并由角度调整装置带动激光发射器至相应角度，完成对中心线成像和照明的角度调节的逆向调整；

5-2）调整光源在初步设计的光源高度，调整光源角度使光源中心线与激光器发射的平行线激光线重合；

5-3）相机箱体角度调整方法与光源调整方法一致，从而保证相机成像与光源照明的精准角度配合。

6.一种如权利要求1所述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的单台线阵相机标定方法，其特征是所述的单台线阵相机标定方法包括下列步骤：

6-1）当相机准确对准标定直线位置时，线阵相机在静态状态时三个标定模块对应线阵相机成像区域的左、中、右三个位置，其采集图像显示为三条粗实线，此时即完成了该相机与检测位置的标定；

6-2）对于单台线阵相机的标定，若单台相机初始采集图像显示不是三条粗实线则说明相机与检测中心并未对准，需要调整相机角度，其标定步骤如下：

6-2-1）相机中心位置对中标定：若采集图像中心位置显示为两条实线，则表明相机中心位置与基准线之间有一定距离，通过观察图像的实线粗细情况可以判断相机与基准线之间的偏差位置。

6-2-2）若是粗实线则说明相机中心在标定模块粗实线位置，应从粗实线位置向细实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定。

6-2-3）若是细实线则说明相机中心在标定模块细实线位置，应从细实线位置向粗实线位置调整相机角度，直到中心成像为一条粗实线，此时完成相机中心与基准线之间的对中标定；

6-3）相机两端对中：若采集到的图像中心位置显示为一条粗实线，说明相机中心位置与标尺中心线重合；而采集图像两端为粗实线或细实线且左右各为两条则表明相机两端位置与基准线之间有偏差；

6-4）通过观察图像的实线粗细情况，可以判断相机与基准线之间的偏差位置，粗实线一端说明相机此端部靠近标定模块粗实线位置，细实线一端说明相机此端部靠近标定模块细实线位置，应当调整两端相机角度；在中心位置不变情况下，相机两端向中心线方向调整，直至调整到图像两边端部各为一条粗实线，所采集图像显示共计左、中、右三条清晰的粗实线为准，此时相机与基准线对中标定调整完毕。

7.一种如权利要求1所述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的多台相机共线标定方法，其特征是所述的多台相机共线标定方法包括下列步骤：

7-1）分别观察图中相邻的相机1和相机2的成像图像。首先调整重合区域标定模块在两相机的成像，调整其在两相机显示均为清晰的一条粗实线；

7-2）在保证此点不变情况下，以此为基准，按照上述单台线阵相机的标定方法，进行两相机微角度调整，保证其他两标定模块也能呈现清晰的一条粗实线；

7-3）通过观察相邻相机的采集图像情况，当相邻两相机达到采集图像为5条清晰粗实线的时候即为两相机共线。

8.一种如权利要求1所述用于机器视觉表面检测设备的静态标定装置的多台相机共线标定方法，其特征是所述的多台相机共线标定方法包括下列步骤：

8-1）根据现场成像宽度，将标尺与可延长标尺配合使用，结合单个相机视野调节可移动校准模块之间的距离，保证每台相机在左、中、右均有一个校准模块成像，且相邻两相机有重叠标定模块；

8-2）逐渐调节相机镜头，观测线扫描相机的成像效果，直至可以采集到清晰的图像为止，多台线扫描相机共线标定完毕。