[发明专利]沿至少三个不连续平面对机器视觉摄像机进行校准的系统和方法

说明书

本发明提供一种在不同的已知高度处利用至少两个（例如平行的）物体平面在一3D容积空间中沿三个不连续平面生成用于视觉系统摄像机的摄像机校准的系统和方法。对于任何指定高度的第三（例如平行的）平面，所述系统和方法根据起初的两个校准通过内插/外推自动生成摄影机校准数据。这降低了在两个以上的高度处设置校准物体的需要，加快了校准程序并简化了用户校准设置，且还允许对空间限制的、校准物体不易达到的高度进行内插/外推。可在每一高度处利用全2D手眼校准，或在第一高度处利用手眼校准然后在第二高度处沿高度（如Z）方向通过平移至一已知的位置对校准板进行校准。

技术领域

本发明涉及视觉系统摄像机的校准，更特别地是涉及到关于多个不连续的目标平面校准视觉系统摄像机的系统和方法。

背景技术

在机器视觉系统（此处也称为“视觉系统”）中，一个或多个摄像机在一成像场景内一物体或表面上用于执行视觉系统程序。这些程序可包括检测、符号解码、对齐和各种其它的自动化任务。更特别地，视觉系统可用于检测通过成像场景的扁平工件。所述场景通常由一个或多个视觉系统摄像机成像，所述视觉系统摄像机可包括内部或外部视觉系统处理器，视觉系统处理器运行相关联的视觉系统程序生成结果。通常需要校准一个或多个摄像机，使其执行视觉任务具有足够的精度和可靠性。一校准板可用于校准摄像机。

一校准板通常设置为一扁平物，其表面上可见独特的图案。所述独特的图案通常是精心且精细地设计的，以便使用户能够很容易地辨别摄像机所获取的校准板的影像上每个可见的特征。一些典型的图案包括但不限于点网格、网格线，或类蜂巢图案、三角形棋盘格等。从校准板的设计了解每个可见特征的特点，如相对于暗含于设计内的参考位置和/或坐标系的位置和/或方向。

棋盘格图案的设计在执行校准中的准确性和稳定性方面具有一定的优势，即使在存在有其它非理想条件下的角度和镜头畸变、图案部分损坏和照明不均匀的情况下。更特别地，在静止物体的二维（2D）校准中，通过校准棋盘格的边缘，来确定棋盘格方块边角的相对位置，通常足以确定视觉系统的准确性，并视情况向摄像机的处理器提供适当的校正因数，以便鉴于这种校正因数测量运行时的物体。

在大致了解刚性体（如校准板）的某些校准原则的进一步的背景下，一动作的特征可通过一对姿态来描绘：动作之前的开始姿态和所述动作之后的结束姿态——此处的“姿态”定义为在任何一个特定时间处、一些基本坐标系内的一组描述主体状态的数值——主体的虚拟表征。例如，在二维中，一刚性体的特征可通过三个数字描述：X方向的平移、Y方向的平移和旋转度R。在校准板的上下文环境中，姿态描述了当摄像机和校准板之间有相对运动时校准板如何呈现给摄像机。通常，在标准的所谓“手眼校准”中，一校准板以各种不同的姿态呈现给摄像机，且每个摄像机采集每一个这种姿态的校准板的影像。对于机器视觉手眼校准，通常将校准板移动至多个预定的姿态，摄像机采集校准板处于该姿态时的各个影像。这种手眼校准的目标是在“运动坐标系”中确定摄像机和校准板的刚性体姿态。运动坐标系可通过多种方式定义。姿态（特指处于空间中的校准板和/或摄像机情况下的）中的数字必须转换为适当的坐标系。一旦选择了单个统一坐标系，姿态和动作就在全局坐标系中描述/表达。该所选坐标系通常称为“运动坐标系”。通常“动作”由一能够实施物理动作的物理装置提供，如机械手臂，或是运动平台，如起重机架。要注意，板能够相对于一个或多个固定摄像机移动，或摄像机能够相对于固定板移动。这种动作实施装置的控制器采用数值（即姿态）来命令装置实施任何所需的动作，且这些值表达在所述装置的本地坐标系中。要注意，尽管能够选择任何运动坐标系相对于运动实施装置和摄像机提供一共同的全局坐标系，但很多时候需要选择运动实施装置的本地坐标系作为整体运动坐标系。