双目视觉传感器系统
视觉检测广泛地应用于工件的完整性、表面平整度的测量:微电
子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自动检测;软质、易脆零部件的检
测;各种模具三维形状的检测;机器人的视觉导引等。最具有吸引力的
是由视觉传感器阵列组成的大型物体(如白车身)空间三维尺寸多传
感器视觉检测系统。
双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成,基于立
体视差的原理,可完成视场内的所有特征点的三维测量,尤其是其它
类型的视觉传感器所不能完成的测量任务,如圆孔的中心、三棱顶点
位置的测量等。因此,双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主
要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三
维测量,就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两
摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关
系(即全局标定)。因此,在实际测量之前,先要对摄像机进行参数标定。
一般方法是,传感器被提供给整个系统使用前,就离线完成传感器的
内部参数及结构参数的标定,采用一标准二维精密靶标及一维精密导
轨,通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标,通过摄像机的像面坐标
及三个世界坐标的对应关系求得这些参数。
这种方法的缺点是:标定过程中,需要精确调整靶标与导轨的垂
直关系,而且需多次准确移动导轨;同时标定过程的环境与实际测量
的情形有差异;传感器在安装的过程中,易引起部分参数的变化,需多
次的拆卸;摄像机还需进行全局标定。由此可知标定的劳动强度大,
精度难以保证。本文提出了一种现场双目传感器的标定方法,只需先
确定摄像机的部分不易变化的参数,其它参数在摄像机安装到整个系
统后进行标定。该方法大大地减少了上述因素的影响,能得到满意的
标定精度。
双目视觉测量探头由2个CCD摄像机和1个半导体激光器组成，
如下图所示。
半导体激光器作为光源,它发射出一点光源射到一柱状透镜上后
变成一条直线。该线激光投射到工件表面,作为测量标志线。激光波
长为650 nm,其扫描激光线宽约为1mm。 2个普通CCD摄像机呈一定
角度放置,构成深度测量的传感器。 CCD镜头焦距长短会影响镜头光
轴与线激光的夹角、探头与待测物体的距离以及测量景深。
视觉测量属于一种非接触式测量,它是基于激光三角法测量原理。
激光器1发出的光线经柱状透镜单方向扩展后变成一光条,投射在被
测物体表面,由于物体表面曲度或深度的变化,使光条变形,由CCD摄
像机摄取此变形光条的图像,这样就可以由激光束的发射角和激光束
在CCD内成像位置,通过三角几何关系获得被测点的距离或位置等数
据。
与人类使用双眼观察物体的远近类似,双目视觉测量传感器是通
过2个CCD摄像机同时摄取一个光条的图像,再通过两幅图像的匹配,
得到光条上所有像素点分别在两幅图像中的位置,利用视差,即可计
算该点的位置以及深度信息的。如果配合扫描机构得到的扫描线某一
坐标值,可得到被扫描物体所有的轮廓信息(即三维坐标点)。
一般来说,双目传感器的视差(x2-x1)越大,则其测量精度越高。
通过实验发现,增大基线长度可以提高视觉测量的精度。但对某一焦
距的镜头,过大的基线长度会造成双目轴线夹角增大,使图像产生较
大畸变,不利于CCD的标定及特征匹配,反而使测量精度下降。选择2
个焦距为8mm的镜头,通过实验,找到与之相匹配的基线长度,可保证
在镜头的景深范围内,双目视觉传感器有较高的测量精度。
摄像机标定的目的是建立有效的成像模型,并确定摄像机的内外
部属性参数,以便正确建立空间坐标系中物点与它在图像平面上像素
之间的对应关系。由小孔成像原理,若考虑透镜径向一阶畸变,其摄像
机模型如图所示。三维物点(实际坐标系的坐标Pw=(xw,yw,zw))与其
平面像点(成像平面二维坐标系的坐标Pu=(xu,yu))之间的转换关系
为
式中 ρ= x2d+ y2d为像点到像面中心的距离;k为径向畸变参
数。(xu,yu)表示没有畸变时P点在成像平面二维坐标系中的理想坐
标。(xd,yd)表示没有存在畸变时P点在成像平面二维坐标系中的实
际坐标。
当扫描轮廓确定后,双目视觉测量传感器将按照设定的扫描速度
沿某一方向扫描,扫描过程中,可设置左右图像采集速率为每秒25帧,
这些图像保存在计算机内存中。采集的图像可进行实时处理,包括特
征提取、立体匹配。
图像中的激光扫描线是需要提取的特征。由于激光光条宽度约为
1mm,其在摄取的图像中所占的像素数目不止一个像素,所以,激光光
条图像必须做中心线搜寻处理,即激光光条需进行细化处理。细化时,
采用高斯分布算法。
采用极线约束条件[4],可以搜索左图像中激光光条上某一点在
右图像激光光条中的对应点,得到相应的视差后,可以计算出光条上
所有点的深度信息,从而恢复工件三维信息。
在双目视觉的硬件结构中，目前通常采用两个 CCD 摄像机作为
视频信号的采集设备，通过专用的图像采集卡与计算机连接，把采集
到的模拟信号经过采样、滤波、量化，最终提供给计算机图像数据，
如图所示。双目视觉硬件系统由视觉传感器、云台、图像采集设备及
控制主机等设备构成。
图像传感器是测定图像的输入装置，通常选用CCD(电荷耦合器)
传感器。来自被测对象的光通过光学系统，由CCD 器件转换成电信
号(时间序列的输出信号)，然后将传感器的电荷逐步移出，形成像素。
现在比较流行的图像传感器还有 CMOS 传感器。与 CCD 传感器相比，
它具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与 MOS 图像传
感器集成在一个芯片上的优点。但其图像质量(特别是低照度环境下)
与系统灵活性与 CCD 相比相对较低。适用于小尺寸、低价格、摄像
质量无过高要求的保安用小型微型像机、手机、计算机视频网络中等。
但对于图像质量要求较高的系统中，通常会选用价格稍为昂贵的 CCD
传感器。
所谓视频采集即将视频转换成PC机可使用的数字格式。一些专
业图像采集卡是将视频信号经过AD 转换后，经过 PCI总线实时传到
内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用 PCI Master
Burst 方式，图像传送速度可以达到 33 帧/秒，可实现摄像机图像
到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用 CPU 时间，留给 CPU
更多的时间去做图像的运算与处理。
图像采集卡主要包括图像存储器单元、显示查找表单元、CCD 摄
像头接口(A/D)、监视器接口(D/A)和 PC 总线接口单元。工作过程如
下：摄像头实时或准时采集图像数据，经 A/D 变换后将图像存放在
图像存储单元的一个或三个通道中，D/A 变换电路自动将图像显示在
监视器上。通过主机发出指令，将某一帧图像静止在存储通道中，即
采集或捕获一帧图像，然后可以对图像进行处理或存盘。高档的采集
卡还包括卷积滤波、FFT 等图像处理专用软件包，并能够实时显示彩
色活动图像。
云台作为 CCD 摄像机的支架，用以控制摄像机左右摇摆或上下
俯仰。
控制主机作为图像传输及处理，是视觉系统的关键设备。由于图
像处理的数据量较大，运行时间也较长，要想实现实时控制，除了在
尽量优化算法的基础上，还应该尽可能的提高控制主机的硬件设备要
求。对于不同的传感器和采集卡，对主机要求也不同。
图所示为 CCD 图像传感器工作原理框图。器件完成曝光后光子
通过像元转换为电子电荷包，电荷包顺序转移到共同的输出端，通过
输出放大器将大小不同的电荷包(对应不同强弱的光信号)转换为电
压信号，缓冲并输出到芯片外的信号处理电路。
在选取器材过程中考虑性价比，最终选用松下 WV-CP470 摄像头。
主要原因是该摄像头具有同步锁定功能，对于双目视觉系统要求在同
一时刻采集左右两幅视图，尤其是在进一步研究动态物体时，所以要
求具有同步功能。该摄像头的 CCD 传感器为 753×582 像素，逐行
变换，扫描面积是4.8 × 3.6mm，相当于 1/3 英寸传感器的扫描面
积，水平分辨率为 480 线(彩色)，每秒钟可传送 25 帧图像，在使
用焦距为 14mm 的镜头时，彩色模式下最小照度为 0.8lx。选择这款
镜头完全达到本实验的性能要求，并能够达到为进一步作动态实验研
究的性能要求。
图像采集卡工作原理是将输入的模拟信号经过 A/D 转换，或将
数字摄像机的输出信号，通过计算机总线传输到计算机内存或显存，
计算机可以对现场采集的图像进行处理和存储。本实验选取了大恒
DH-CG300 彩色图形采集卡。
DH-CG300 是基于 PCI总线的视频/音频采集卡，其基本结构及
工原理见图。视频图像经多路切换器、数字解码器、A/D 转换器，将
数字化的图像数据送到数据缓存区。经比例缩放、裁剪、数据格式转
换等处理后，由内部 RISC 控制图像覆盖与数据传输，数据传输目标
位置由软件确定可以通过 PCI 总线传输到VGA 卡上实现实时显示，
也可传送到计算机内存中实时存储。
图像处理的主要特点是数据量大、运算时间长，因而对系统硬件
要求较高。对于显卡的主要要求是 DMA 传输速率、显存的读写速率。
目前对主板的要求是提供符合 PCI2.1 标准的扩展槽，扩展槽同时提
供 5V 电源，支持奔腾以上 CPU。PC 机图像处理系统的最小配置如
下：奔腾以上 CPU，VGA 显卡，内存容量 128MB，硬盘至少 10G。