基于Labview的圖像測量技術(shù)標(biāo)定方法

黃立景，王宇浩

1.西門子(中國)有限公司，北京 100102

2.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083

0 引言

近年來，隨著CCD感光元件分辨率的提升以及價格的降低，圖像測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行業(yè)產(chǎn)品幾何尺寸的測量上面。所謂圖像測量技術(shù)，就是利用光電成像系統(tǒng)來采集產(chǎn)品的圖像，將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，再根據(jù)圖像中目標(biāo)區(qū)域的特征用相應(yīng)的算法進(jìn)行測量并得出結(jié)果。依托于計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算能力，可以大大降低現(xiàn)場工人的工作量，提高生產(chǎn)的自動化程度。

利用圖像測量技術(shù)測量物體幾何尺寸時，由于光學(xué)鏡頭固有的缺陷，會使采集的圖像存在非線性的幾何畸變，對測量精度產(chǎn)生很大的影響。必須對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以消除誤差。標(biāo)定實(shí)際是確定相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的一個過程。相機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括焦距和畸變系數(shù)，外部參數(shù)包括相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法很多，如Tsai兩步法，Weng迭代法，張正友雙平面法等，應(yīng)用較為廣泛，但實(shí)際的標(biāo)定過程比較繁瑣。本文介紹基于Labview開發(fā)平臺下vision組件的標(biāo)定方法，能很好的解決這些問題。

1 關(guān)于Labview開發(fā)平臺及vision組件

Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種程序的開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制。使用圖像化編程語言G語言編寫程序，是目前功能最強(qiáng)大，應(yīng)用最廣泛的圖像化軟件開發(fā)環(huán)境。Lavbiew不僅僅是一種編程工具，而是一種高度集成化的開發(fā)平臺。從虛擬儀器、測量自動化到高精高速實(shí)時控制，再到嵌入式開發(fā)，其集成的組件囊括了各個領(lǐng)域的功能。Vision是Labview平臺下機(jī)器視覺開發(fā)的組件，包括三個部分。NI Vision Builder for Automated Inspection是快速化的機(jī)器視覺開發(fā)組件，操作簡便，甚至不用編程就能完成開發(fā)。Vision Development Module是視覺組件，為Labview開發(fā)平臺提供圖像處理的各種功能。NI Vision Acquisition Software是圖像采集驅(qū)動包，可兼容市面上各種接口的相機(jī)。

2 基于Labview的標(biāo)定

Labview平臺下對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的過程與傳統(tǒng)方法有很大的不同，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法標(biāo)定過程很繁瑣，需要已知所采集的圖像中足夠多的點(diǎn)在真實(shí)世界坐標(biāo)系中的精確坐標(biāo)，通過對這些點(diǎn)的計(jì)算得到圖像中每個像素代表的實(shí)際距離以及消除畸變造成的畫面扭曲所帶來的影響，由于點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)的精確程度直接影響到最后的標(biāo)定結(jié)果，而獲得精確的坐標(biāo)又十分困難，所以標(biāo)定過程難度非常大。Labview平臺下的標(biāo)定方法則不同，用一塊標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定模版來提供標(biāo)定所需的信息，由于標(biāo)定模板中點(diǎn)的相對位置都是已知的，且精度很高，只需在工作平面采集標(biāo)定模板的圖像，通過Labview軟件優(yōu)化的算法，就可以得到世界坐標(biāo)系中足夠多的精確點(diǎn)坐標(biāo)，大大降低了標(biāo)定的難度，且能夠保證很高的精度。

2.1 標(biāo)定模版

為校正畸變對圖像造成的影響，在Labview平臺下的標(biāo)定過程中采用具有明顯特征及對應(yīng)關(guān)系的點(diǎn)陣標(biāo)定板，標(biāo)定板如下圖所示，其中每個黑色圓點(diǎn)的半徑以及相鄰圓點(diǎn)圓心間的距離都是恒定的。Labview通過利用Canny濾波器可以提取出標(biāo)定模板中每個黑色圓點(diǎn)的邊緣，再利用邊緣進(jìn)行圓擬合，得到每個黑色圓點(diǎn)精確的圓心位置，保證了坐標(biāo)的精度。

圖1 黑色圓點(diǎn)標(biāo)定模版

Labview中提供了標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定模版文件，其位置為開始菜單→所有程序→National Instruments→Vision→Documentation→NI Vision→CalibrationGrid.pdf。該模版中黑色圓點(diǎn)的半徑為2mm，相鄰圓點(diǎn)圓心間的距離為1cm。

2.2 標(biāo)定過程

在安裝了Labview最新版本機(jī)器視覺組件即Vision Development Module 2012和NI Vision Builder for Automated Inspection 2012后，相對于老版本，增加了獨(dú)立的標(biāo)定程序Calibration Training，能夠更加便捷的完成標(biāo)定工作，結(jié)果保存為png格式文件，且功能得到了很大的增強(qiáng)。

為實(shí)現(xiàn)精確測量，要充分考慮非線性徑向畸變的影響，需選擇Distorition Model（Grid），此模式在矯正非線性畸變的同時對線性畸變也同樣矯正，即相機(jī)與工作平面不垂直不會影響測量結(jié)果。具體的操作過程如下：

1）載入采集的標(biāo)定模版圖像，圖像中應(yīng)將標(biāo)定模版水平放置于工作平面；

2）采用RGB、HSL、HSV、HIS中的一種方法，通過調(diào)節(jié)參數(shù)來對圖像進(jìn)行閾值分割，使黑色圓點(diǎn)從背景中顯現(xiàn)出來。若標(biāo)定模版沒有完全覆蓋視場，還需手動劃定出標(biāo)定模版的范圍，只有在模版覆蓋的區(qū)域可以保證測量精度。最后定義識別的點(diǎn)大小范圍以及圓度范圍以防止圖像中細(xì)微噪點(diǎn)被錯誤識別為標(biāo)定圓點(diǎn)；

3）輸入標(biāo)定模版的相關(guān)信息，包括X Spacing，Y Spacing和Unit，分別代表X方向上相鄰兩個圓點(diǎn)圓心間的距離，Y方向上相鄰兩個圓點(diǎn)圓心間的距離和距離的單位；

4）系統(tǒng)將對模版進(jìn)行學(xué)習(xí)，需要手動選定計(jì)算方法，同時考慮三個畸變系數(shù)以及切向畸變將提高標(biāo)定精度，同時也會降低計(jì)算速度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇；

5）為標(biāo)定圖像設(shè)定坐標(biāo)系，以便在后續(xù)測量中得出點(diǎn)的精確坐標(biāo)值；

6）最后將標(biāo)定好的結(jié)果保存為png格式文件，在測量時進(jìn)行調(diào)用。

2.3 標(biāo)定信息的調(diào)用

標(biāo)定信息包含在之前存儲好的png格式文件中，用Labview中Vision assistant節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行調(diào)用。將需要處理圖像的Image Out輸出端接到Vision assistant節(jié)點(diǎn)的Image In輸入端，節(jié)點(diǎn)內(nèi)用Image Calibration功能調(diào)用之前存儲好的png格式的標(biāo)定文件，Image Out端接后續(xù)的處理節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)后，圖像顯示并沒有發(fā)生變化，但標(biāo)定工作已完成。之后的測量將直接得出實(shí)際結(jié)果，單位為標(biāo)定過程中所設(shè)置的Unit。需要注意的是標(biāo)定時用的圖像和用于測量的圖像必須有相同的類型和分辨率，只要相機(jī)與工作平面的相對位置不變就不必重復(fù)標(biāo)定。

圖2 標(biāo)定信息的實(shí)際調(diào)用

3 標(biāo)定結(jié)果

通過實(shí)際的測量，可以驗(yàn)證基于Labview最新版機(jī)器視覺組件的標(biāo)定方法確實(shí)可行，操作簡單，能取得不錯的結(jié)果。

圖3 標(biāo)定前的工作平面圖像

圖4 標(biāo)定后修正好的圖像

本實(shí)驗(yàn)中相機(jī)使用的鏡頭為廣角鏡頭，畸變率較大。從圖中可以看到出現(xiàn)了明顯的筒形畸變，通過Labview軟件的標(biāo)定，很好的修正了畸變給圖像帶來的影響。實(shí)際的測量結(jié)果也同樣讓人滿意，能達(dá)到不錯的精度。測量的物體選定為鋼板尺2cm至9cm處，每隔1cm進(jìn)行一次測量。

表1 實(shí)際測量結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，如能提高標(biāo)定模板的制作精度、工作表面平整度，則可以得到更好的測量效果。

4 結(jié)論

基于Labview的標(biāo)定方法可以很有效的消除圖像中線性與非線性的畸變，操作簡單，測量精度高，且能夠與Labview機(jī)器視覺組件的圖像處理，圖像測量功能形成完美的結(jié)合，是傳統(tǒng)方法無法相比的，對實(shí)際生產(chǎn)有很重大的意義。應(yīng)用在機(jī)械零件等產(chǎn)品的測量中，可以大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力成本，進(jìn)一步提高自動化程度。

[1]Carsten Steger，Markus Ulrich，Christian Wiedemann.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]陳樹學(xué)，劉萱.Labview寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]馬頌德，張正友.計(jì)算機(jī)視覺[M].北京：科學(xué)出版社，1998.