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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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(duì)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(duì)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(duì)目標(biāo)物體的測(cè)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。

(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:

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(duì)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：

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，，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(duì)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。

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(duì)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。

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。

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