相机和载台之间偏转角的计算方法、标定板及检测装置与流程

1.本发明涉及视觉检测技术领域，具体地涉及一种相机和载台之间偏转角的 计算方法、标定板及检测装置。


背景技术：

2.随着电子信息产业的发展，自动化产业的精细化要求越来越高，对于一些 高精度项目检测项目，需要用高倍镜头+线扫的方式来检测物体表面，此时，则 无法使用大视野相机来计算相机与载台之间的夹角。
3.并且，一般高精度检测，拍摄产品的视野很小，一般约为1.68mm
×
1.41mm， 为了精准测量相机和载台(载台一般大于400mm*400mm)的夹角需要用到标 定板量化求取，市面上的大尺寸标定板中单个棋盘格的边长在5mm以上，在相 机视野内一个矩形块都无法完整拍摄，难以用于测试角度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种相机和载台之间偏转角的计算方法、标定板及 检测装置。
5.本发明提供一种相机和载台之间偏转角的计算方法，包括步骤：
6.控制相机和载台沿x轴向相对平移运动，分别获取置于所述载台上的标定 板相对两端的图像，得到第一标定图像和第二标定图像，所述第一标定图像和 所述第二标定图像分别包含位于所述标定板两端处的多个标记符号；
7.分别基于所述第一标定图像和所述第二标定图像内标记符号的关键点，检 测计算所述第一标定图像和所述第二标定图像相对于所述x轴向的偏转角度， 得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2；
8.对所述第一偏转角和第二偏转角求差算出所述相机和所述载台之间的偏转 角度，得到第三偏转角θ3。
9.作为本发明的进一步改进，在所述控制相机和载台沿x轴向相对平移运动 之前，还包括：
10.将棋盘格标定板置于所述载台上，使分别位于所述标定板两端的第一棋盘 格图形和第二棋盘格图形对应位于所述载台沿x轴方向的始端和末端。
11.作为本发明的进一步改进，所述控制相机和载台沿x轴向相对平移运动， 分别获取置于所述载台上的标定板相对两端的图像，得到第一标定图像和第二 标定图像，具体包括：
12.控制所述载台在相机镜头视野内沿x轴从载台始端移动至载台末端，控制 所述相机分别拍摄获取置于所述载台上的所述标定板的所述第一棋盘格图形和 所述第二棋盘格图形，得到第一标定图像和第二标定图像，所述第一标定图像 和所述第二标定图像内分别至少包括10个棋盘格矩形块。
13.作为本发明的进一步改进，所述分别基于所述第一标定图像和所述第二标 定图像内标记符号的关键点，检测计算所述第一标定图像和所述第二标定图像 相对于所述x轴向的偏转角度，得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2，具体包括：
14.以所述载台运动起始点为原点，所述x轴向为x轴，所述载台表面垂直于 x轴向的方向为y轴建立坐标系；
15.在所述第一标定图像内，检测识别矩形块阵列中同一行相对两端的所述矩 形块邻近边缘侧的同行角点作为一组关键点，并计算其坐标，分别得到第一关 键点(x1,y1)和第二关键点(x2,y2)；
16.计算所述第一关键点和所述第二关键点之间的偏转角度，得到第一偏转角 θ1，其计算公式为：
[0017][0018]
在所述第二标定图像中重复以上步骤，得到所述第二偏转角θ2。
[0019]
作为本发明的进一步改进，所述分别基于所述第一标定图像和所述第二标 定图像内标记符号的关键点，检测计算所述第一标定图像和所述第二标定图像 相对于所述x轴向的偏转角度，得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2，还包括：
[0020]
在所述第一标定图像中，检测识别矩形块阵列中多条横向线段相对两端的 端点，分别作为多对所述关键点，计算每对所述关键点之间的偏转角度，得到 多个偏转角，求取多组偏转角度之间的平均值，得到所述第一偏转角θ1；
[0021]
在所述第二标定图像中重复以上步骤，得到所述第二偏转角θ2。
[0022]
本发明还提供一种标定板，所述标定板表面呈长方形，沿所述标定板长边 方向，其表面相对两端分别形成有第一棋盘格图形和第二棋盘格图形，所述第 一棋盘格和所述第二棋盘格之间形成空置区，组成所述第一棋盘格和所述第二 棋盘格的矩形块边长不大于0.35mm。
[0023]
作为本发明的进一步改进，所述第一棋盘格和所述第二棋盘格内分别形成 有至少有10
×
10的矩形块阵列。
[0024]
作为本发明的进一步改进，所述空置区长度被设置为当所述标定板被置于 载台上时，使所述第一棋盘格图形和所述第二棋盘格图形分别位于所述载台两 端位置。
[0025]
作为本发明的进一步改进，所述标定板为长方形陶瓷板或长方形玻璃板。
[0026]
本发明还提供一种检测装置，包括：
[0027]
载台、相机、运动控制模块、偏转角计算模块，
[0028]
所述运动控制模块被配置用于控制相机和载台沿相对平移运动；
[0029]
所述相机被配置用于分别获取置于所述载台上的标定板相对两端的图像， 得到第一标定图像和第二标定图像，所述第一标定图像和所述第二标定图像分 别包含位于所述标定板两端处的多个标记符号；
[0030]
所述偏转角计算模块被配置用于分别基于所述第一标定图像和所述第二标 定图像内标记符号的关键点，检测计算所述第一标定图像和所述第二标定图像 相对于x轴向的偏转角度，得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2；以及对所述第 一偏转角和第二偏转角求差
算出所述相机和所述载台之间的偏转角度，得到第 三偏转角θ3。
[0031]
本发明的有益效果是：本发明通过拍摄标定板两端的不同标定图像，分别 检测两幅标定图像中的偏转角度，并将两者相减最终得到相机和载台之间的偏 转角，所使用的方法基于载台运动模式和标定板结构特点，在相机视野远小于 载台尺寸的情况下，能够准确测量相机和载台之间的偏转角，测量方法简单的 同时，测量精度高。
附图说明
[0032]
图1是本发明一实施方式中的检测装置示意图。
[0033]
图2是本发明一实施方式中的标定板示意图。
[0034]
图3是发明一实施方式中的相机和载台之间偏转角的计算方法流程示意 图。
[0035]
图4是发明一实施方式中所拍摄的第一标定图像。
[0036]
图5是发明一实施方式中所拍摄的第二标定图像。
[0037]
图6是发明一实施方式中相机和载台之间偏转角的计算方法步骤s2的流 程示意图。
[0038]
图7是发明一实施方式中第一标定图像中第一关键点和第二关键点。
[0039]
图8是发明一实施方式中第二标定图像中第三关键点和第四关键点。
[0040]
图9是发明一实施方式中第一标定图像中的多组关键点对。
具体实施方式
[0041]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实 施方式及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述 的实施方式仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术 中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
[0042]
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元 件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不 能理解为对本发明的限制。
[0043]
为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、
ꢀ“
下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个 单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图 中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于 其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。 因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。
[0044]
本实施方式提供一种相机和载台之间偏转角的计算方法，用于计算高精度 小视野工业ccd相机与大尺寸的工件的载台之间的偏转角度。为便于理解，在 本实施方式中，结合一具体检测装置及标定板，对本方法进行说明。
[0045]
具体的，如图1所示，检测装置包括相机1装置和载台2，相机1装置的 镜头11视野为1.68mm
×
1.41mm，载台2的尺寸大于400mm
×
400mm。如图2 所示，标定板3为391.5
×
47.25mm的长方形陶瓷板，沿标定板3长边方向，其 表面相对两端分别形成有第一棋盘格31
图形和第二棋盘格32图形，第一棋盘 格31和第二棋盘格32之间形成空置区33，第一棋盘格31和第二棋盘格32内 分别形成有37
×
36的矩形块阵列，每个矩形块的边长为0.25mm。将标定板3 置于载台2上时，标定板3两端的第一棋盘格31图形和第二棋盘格32图形也 分别大致位于载台2相对两端。
[0046]
如图3所示，相机1和载台2之间偏转角的计算方法包括步骤：
[0047]
s1：控制相机1和载台2沿x轴向相对平移运动，分别获取置于载台2上 的标定板3相对两端的图像，得到第一标定图像和第二标定图像，第一标定图 像和第二标定图像分别包含位于标定板3两端处的多个标记符号。
[0048]
s2：分别基于第一标定图像和第二标定图像内标记符号的关键点，检测计 算第一标定图像和第二标定图像相对于x轴向的偏转角度，得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2。
[0049]
s3：对第一偏转角和第二偏转角求差算出相机1和载台2之间的偏转角度， 得到第三偏转角θ3。
[0050]
步骤s1中，在控制相机1和载台2沿x轴向相对平移运动之前，还包括：
[0051]
将标定板3置于载台2上，使分别位于标定板3两端的第一棋盘格图形31 和第二棋盘格图形32对应位于载台2沿x轴方向的始端和末端。
[0052]
将与载台2尺寸对应的标定板3放置于载台2上，以使标定板2两端的棋 盘格图形能够分别对载台两端进行标定。
[0053]
在步骤s1中，其具体包括：
[0054]
控制载台2在相机1镜头11视野内沿x轴从载台2始端移动至载台2末 端，控制相机1分别拍摄获取置于载台2上的棋盘格标定板3的第一棋盘格图 形31和第二棋盘格图形32，得到第一标定图像和第二标定图像，第一标定图 像和第二标定图像内分别至少包括20个棋盘格矩形块。
[0055]
具体的，在本实施方式中，将载台2完整进行一次行进运动，即将置于其 上的标定板3在相机1镜头11视野内完整进行一次行进运动，沿运动方向，拍 摄获取位于其始端的第一棋盘格31得到第一标定图像，拍摄获取位于其末端端 的第二棋盘格32得到第二标定图像，通过对标定板3两端的图像进行检测识别， 来进一步计算得到相机1和载台2之间的偏转角度。
[0056]
确保第一标定图像和第二标定图像内分别至少包括20个棋盘格矩形块，即 确保相机1单次拍摄视野内包含至少20个棋盘格矩形块，以保证标定图像内有 足够的矩形块进行偏转角判定，并且避免出现矩形块较少而致使偏转角检测误 差大的情况出现。
[0057]
进一步的，在步骤s1中还包括：
[0058]
对第一标定图像和第二标定图像进行二值化、阈值化和图像膨胀处理，使 得第一标定图像和第二标定图像中形成依次相接的黑白矩形块。
[0059]
通过对标定图像进行预处理，以便于进行后续标定图像识别检测，所涉及 的具体预处理算法可参考现有算法，在此不再赘述。
[0060]
如图4和图5所示，为基于前述检测装置和标定板3所拍摄并预处理后的 第一标定图像和第二标定图像，具体的，控制拍摄视野为1.68mm
×
1.41mm的 相机1对矩形块边长为0.25mm的棋盘格标定板3进行拍摄得到第一标定图像 和第二标定图像。第一标定图像和第二标定图像中分别包括6
×
5的矩形块阵 列，即包含30个矩形块。
[0061]
在本发明的其他实施方式中，也可根据不同的检测机台，调整具体拍摄参 数，比如在一些实施方式中，可调整相机1镜头11视野并设置与其匹配的其他 尺寸标定板3，只要保证相机1镜头11视野内包括至少20个矩形块即可；在 一些实施方式中，也可控制相机1沿载台2运动，通过相机1的运动来拍摄第 一标定图像和第二标定图像；在一些实施方式中，也可使用表面形成有圆点网 格阵列的标定板3来进行判定。总而言之，只要能够通过将相机1和载台2相 对移动，分别拍摄位于载台2上标定板3两端的图像即可。
[0062]
如图6所示，在步骤s2中，其具体包括：
[0063]
s21：以载台2运动起始点为原点，x轴向为x轴，载台2表面垂直于x 轴向的方向为y轴建立坐标系。
[0064]
s22：在第一标定图像内，检测识别矩形块阵列中同一行相对两端的矩形 块邻近边缘侧的同行角点作为一组关键点，并计算其坐标，分别得到第一关键 点(x1,y1)和第二关键点(x2,y2)。
[0065]
如图7所示，在本实施方式中，第一关键点为d1，第二关键点为d2。
[0066]
在第二标定图像内，检测识别矩形块阵列中同一行相对两端的矩形块邻近 边缘侧的同行角点作为一组关键点，并计算其坐标，分别得到第三关键点(x3,y3) 和第四关键点(x4,y4)。
[0067]
如图8所示，在本实施方式中，第三关键点为d3，第四关键点为d4。
[0068]
具体的，以第一标定图像为例，检测图像中的矩形块，并用长宽比、周长 或面积等约束去除图像边缘处的干扰矩形块，以确保可识别到图中完整的矩形 块。检测识别位于矩形块阵列中位于左上角的矩形块，并获取其左上角的角点 为第一关键点；检测识别位于矩形块阵列中位于右上角的矩形块，并获取其右 上角的角点为第二关键点。以同一行中间隔距离最远的两个角点作为关键点， 可以保证在一幅标定图像中所检测的偏转角度误差最小。
[0069]
s23：计算第一关键点和第二关键点之间的偏转角度，得到第一偏转角θ1， 其计算公式为：
[0070][0071]
计算第三关键点和第四关键点之间的偏转角度，得到第二偏转角θ2，其计 算公式为：
[0072][0073]
从而，可以分别得到标定板3始端和末端分别相对于相机1的偏转角度， 即载台2始端和末端分别相对于相机1的偏转角度。
[0074]
在本发明的其他实施方式中，也可选取其他角点对作为关键点对，如可选 择位于图像中间位置的角点对作为关键点对，以提高偏转角检测的准确率。
[0075]
另外，选择圆点网格阵列的标定板3时，可参考上述步骤做出适应性调整。
[0076]
进一步的，在本发明一些实施方式中，步骤s2还可包括：
[0077]
在第一标定图像中，检测识别矩形块阵列中多行相对两端的矩形块邻近边 缘侧
的同行角点作为一组关键点，计算每组关键点之间的偏转角度，得到多个 偏转角，求取多组偏转角度之间的平均值，得到第一偏转角θ1；
[0078]
在第二标定图像中重复以上步骤，得到第二偏转角θ2。
[0079]
具体的，如图9所示，以第一标定图像为例，检测识别位于矩形块阵列中 位于左上角的矩形块，并获取其左上角的角点为第一关键点；检测识别位于矩 形块阵列中位于右上角的矩形块，并获取其右上角的角点为第二关键点，作为 第一组关键点对da。将检测目标向下移动一行，获取两相对角点作为第二组关 键点对db。重复上述步骤直至获取所有6组关键点对da、db、dc、dd、de、 df，求取所有关键点对的偏转角平均值，从而进一步降低测量误差。
[0080]
进一步的，在本发明一些实施方式中，也可选取部分关键点对，如每间隔 一行获取一组关键点对，以减少计算量，提高运算速度。也可根各组关键点对 所在的位置，求取所有关键点对偏转角的加权平均值，如与标定板3中心区域 越近的关键点对计算权重越高。
[0081]
在步骤s3中，对第一偏转角和第二偏转角求差，即可得到相机1和标定 板3之间的整体偏转角度，即相机1与载台2之间的偏转角度。
[0082]
综上所述，本发明拍摄标定板两端的不同标定图像，分别检测两幅标定图 像中的偏转角度，并将两者相减最终得到相机1和载台2之间的偏转角。所使 用的方法基于载台2运动模式和标定板3结构特点，测量方法简单的同时，测 量精度高。
[0083]
如图2所示，本实施方式还提供一种标定板3，其表面呈长方形，沿标定 板3长边方向，其表面相对两端分别形成有第一棋盘格31图形和第二棋盘格 32图形，第一棋盘格31和第二棋盘格32之间形成空置区33，组成第一棋盘格 31和第二棋盘格32的矩形块边长不大于0.35mm，小尺寸的棋盘格矩形块通过 电子束光刻形成。第一棋盘格31和第二棋盘格32之间不光刻保持空置，形成 空置区33，空置区33长度被设置为当标定板3被置于载台2上时，使第一棋 盘格图形31和第二棋盘格图形32分别位于载台2两端位置，通过灵活调整空 置区33的长度可以使标定板3与载台2之间尺寸匹配，并且设置空置区33可 以降低标定板3制造成本和工艺难度，并避免空置区33的图形对第一棋盘格 31图形和第二棋盘格32图形的干扰。
[0084]
第一棋盘格31和第二棋盘格32内分别形成有至少有10
×
10的矩形块阵 列。
[0085]
具体的，在本实施方式中，标定板3为391.5
×
47.25mm的长方形陶瓷板。 第一棋盘格31和第二棋盘格32内分别形成有37
×
36的矩形块阵列，每个矩形 块的边长为0.25mm，即在第一棋盘格31和第二棋盘格32内分别有1332个矩 形块。
[0086]
当相机1视野为1.68mm
×
1.41mm时，单次拍摄相机1镜头11视野会覆盖 5
×
6个矩形块。
[0087]
在本发明的其他实施方式中，标定板3的尺寸也可根据实际载台2及相机 视野大小等参数进行具体调整，并且，标定板3的材质除陶瓷外，也可选择玻 璃等，本发明对此不作具体限制。
[0088]
本实施方式还提供一种检测装置，包括：载台2、相机1、运动控制模块、 偏转角计算模块。
[0089]
具体的，在本实施方中，相机1的视野为1.68mm
×
1.41mm，载台2表面 尺寸大于400mm
×
400mm。
[0090]
运动控制模块被配置用于控制相机1和载台2沿相对平移运动，具体的， 在本实施方式中，相机1保持固定，载台2可沿横向和纵向在平面内进行xy 轴运动。
[0091]
相机1被配置用于分别获取置于载台2上的标定板3相对两端的图像，得 到第一标定图像和第二标定图像，第一标定图像和第二标定图像分别包含位于 标定板3两端处的多个标记符号。
[0092]
偏转角计算模块被配置用于分别基于第一标定图像和第二标定图像内标记 符号的关键点，检测计算第一标定图像和第二标定图像相对于x轴向的偏转角 度，得到第一偏转角θ1和第二偏转角θ2；以及对第一偏转角和第二偏转角求差 算出相机1和载台2之间的偏转角度，得到第三偏转角θ3。
[0093]
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅 包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域 技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当 组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0094]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具 体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等 效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。