一种基于摄像装置的精度补偿系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种基于摄像装置的精度补偿系统，适用于自动化设备的坐标和 路径补偿。
【背景技术】
[0002] 随着我国制造业的飞速发展，对生产设备的精度要求也越来越高。当前最有效的 提高精度的方案是采用各种精度补偿技术。而在自动化设备领域，机器视觉系统的作用在 于，通过识别在经过工件上的若干个特征点（也称为Mark点），计算出工件在工作台上的实 际坐标相对原始坐标的旋转量和偏移量。自动化设备的数控系统获得所述旋转量和偏移量 后，可以对原始坐标原点和运动路径（比如，加工刀路）进行修正，这样就能够产生更优的 运动曲线和更准确的生产效果（比如，获得更优的加工轮廓）。
[0003] 机器视觉系统一般由成像模块和软件识别模块组成。这两部分都会存在误差，前 者的误差主要是由光学部件固有的径向畸变和切向畸变造成，不可避免，后者本质上就是 由视觉处理函数库引起。成像模块造成的误差是最大的，而且减少该误差的代价尤其昂贵， 比如可以采用更好的镜头（比如远心镜头）来减少径向畸变，或者，采用更高精密的摄像 机，采用专门的仪器来检测镜头和摄像机的安装精度来减少切向畸变，这样会花费更多的 时间来调整，成本也更高。当前的机器视觉函数库还无法计算出精确解，只能无穷接近解决 目标，因此采用图像处理库来最小化由软件识别模块所带来的误差仍然存在技术难题。 【实用新型内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于摄像装置的精度补偿系统，为 实现从摄像模块自身的参数补偿到自动化设备的目标的坐标和路径补偿的一系列精度补 偿过程提供设备支持和配置方案。
[0005] 本实用新型的方案为，一种基于摄像装置的精度补偿系统，包括：摄像模块，该摄 像模块包含摄像头和镜头；支架，用于固定安装所述摄像模块；标定元件，用于布置在所述 摄像模块的视场内，为精度补偿处理提供参考图元；定位元件，用于辅佐所述标定元件定位 或可拆卸安装在待精度补偿的自动化设备的工作台上；与所述摄像模块连接的计算机设 备，用于根据输入的或精度补偿处理中的指令触发所述摄像模块采集标定元件的图像。
[0006] 进一步，所述标定元件包括：栅格标定板，用于提供参考图元以标定所述摄像模块 的畸变系数；和/或网格模板，用于提供参考图元以生成正则化网络插值。
[0007] 优选地，所述网格模板由预设间距的多个圆形的点阵元件组成。
[0008] 进一步，所述定位元件布置在所述自动化设备的工作台上，以带动所述标定元件 运动。
[0009] 进一步，所述计算机设备包括与所述摄像模块连接的图像采集卡，用于采集摄像 头模块所拍摄的图像。
[0010] 作为本实用新型的改进，所述基于摄像装置的精度补偿系统还包括至少一个光 源。
[0011] 进一步，其中一个光源被布置为发光平面与所述摄像模块的光轴垂直，使所述光 源形成所述摄像模块的同轴光源。
[0012] 本实用新型的有益效果为：显著减少了传统的视觉定位设备或自动化设备中人为 定位所带来的误差；采用较低成本的方式，提供设备支持和配置方案实现了从摄像模块自 身的参数补偿到自动化设备的目标的坐标和路径补偿的一系列完整的精度补偿方案。
【附图说明】
[0013] 以下的本实用新型的说明书参照附图，其中：
[0014] 图1所示为根据本实用新型的基于摄像装置的精度补偿系统的结构示意图；
[0015] 图2所示为根据本实用新型的栅格标定板；
[0016] 图3所示为求解本征旋转角时采用的主元分析法示意图；
[0017] 图4a和4b所示为图像识别精度补偿时选取不同的惩罚系数的结果图；
[0018] 图5所示为根据本实用新型的标准化网格模板；
[0019] 图6所示为原始点集与目标点集之间的转换示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面通过附图和实例对本实用新型作进一步的详细描述和解析。
[0021] 图1所示为根据本实用新型的基于摄像装置的精度补偿系统的结构示意图。所述 系统可以与自动化设备1配套使用，其中自动化设备1包括数控系统11，用于控制自动化 设备1中各个运动部件的工作和运动定位，比如控制工作台2基于预设的坐标系运动给定 的距离。根据本实用新型的系统包括：定位元件3、标定元件4、镜头5、光源6、摄像头7、支 架8和计算机设备10。其中，定位元件3用于辅佐所述标定元件4定位或可拆卸安装在待 精度补偿的自动化设备1的工作台2上，定位元件3例如可以是机械定位夹具、定位销等元 件。标定元件4用于布置在由摄像头7和镜头5组成的摄像模块的视场内为精度补偿处理 提供参考图元。例如标定元件4可以包括栅格标定板和/或网格模板，栅格标定板用于提 供参考图元以标定所述摄像模块的畸变系数，网格模板用于提供参考图元以生成正则化网 络插值。
[0022] 计算机设备10用于根据输入的或精度补偿处理中的指令触发所述摄像模块采集 标定元件的图像。计算机设备10可以运行程序来实施基于机器视觉的精度补偿方法，该方 法包括以下步骤:A、布置摄像模块和精度补偿目标，固定所述摄像模块，并且使所述精度补 偿目标可动地处于所述摄像模块的视场内；B、通过识别标定件中的特定元素，确定摄像模 块的畸变系数和本征旋转角；C、通过摄像模块对多个处于预设位置的已知点进行识别，然 后采用正则化网络插值算法和预设的惩罚系数，对所述多个已知点的识别值进行逼近和拟 合，从而实现所述摄像模块的识别精度补偿；D、对摄像模块的畸变系数、本征旋转角和识别 精度补偿后，获取多个精度补偿目标上的多个特征点的原始位置点集，通过摄像模块识别 与所述多个特征点对应的实际位置点集；E、根据所述原始位置点集和所述实际位置点集， 采用迭代算法计算旋转转换数据和偏移转换数据，然后将所述旋转转换数据和偏移转换数 据分配到所述精度补偿目标从而实现精度补偿。
[0023] 具体地，所述摄像模块包括摄像头7和镜头5。为了使摄像模块能够采集清晰的图 像，需要为其可视区域提供充足的关照。优选地，可以在精度补偿目标的附近布置光源6装 置，或者可以在镜头5前端布置同轴光源6。
[0024] 下面，在一些实例中具体说明上述的步骤，并且明晰了工作台2、标定元件4、镜头 5、摄像头7等为精度补偿过程提供设备支持及各自的工作过程。
[0025] 在步骤B中，确定镜头5的径向畸变系数的方法是通过提取栅格标定板（如图2 所示）的一组边缘，再通过Halcon图像处理库（由MVtec公司开发的一套标准的机器视觉 算法包）的径向畸变自校正函数来计算获得径向畸变系数（K)。如果采用良好的镜头5而 计算得到非常小的径向畸变系数（比如，K = -1. 25027e-009)，则可以忽略不计，即是不需 要对镜头5进行径向畸变补偿。此外，镜头5的切向畸变是由于透镜安装缺陷使得透镜本 身与感光元件（比如CCD)的成像平面不平行而产生。镜头5的切向畸变需要专业的仪器 才能精确检测出来，但是可以通过单应矩阵（Homography matrix)来判定，该单应矩阵可以 通过上述的图像处理库和标定板的图像识别来计算。例如，如果计算得到的3X3单应矩阵 如下：
[0026]
[0027] 矩阵的主对角线两侧的数的绝对值不对称，说明存在径向畸变（Y方向比X方向严 重），并直接影响成像质量和最终的检测精度，需要进行校正。公知地，上述的两种畸变以及 其他因素对图像品质和检测精度的影响可以通过数值分析法来校正。
[0028] 同样在步骤B中，还需要确定摄像机（即摄像头）的本征旋转角。本质旋转角是在 摄像机安装时形成的，例如是指摄像机中的感光元片的长边与自动化设备1的X