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CN111080530B - 一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法 - Google Patents

一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法 Download PDF

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CN111080530B
CN111080530B CN201911417096.0A CN201911417096A CN111080530B CN 111080530 B CN111080530 B CN 111080530B CN 201911417096 A CN201911417096 A CN 201911417096A CN 111080530 B CN111080530 B CN 111080530B
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Abstract

本发明提供一种取图视野大且精度高的基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法。该方法包括以下步骤：（1）在自动化设备上进行相机位置标定，求出相机当量S；（2）对产品进行两次不同位置拍照取图，将拍照时所述光栅尺在两个不同位置记录的实际拍照坐标分别设定为A（X1，Y1）和B（X2，Y2），将相机在视野中Y方向的移动宽度设定为d；（3）将步骤（2）得到的两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标；（4）将两次拍得的图像进行拼图处理，将两张图的重叠部分裁剪掉，裁剪后的两张图片在Y方向上拼接，X方向上平移（X1‑X2）/S距离，即得到拼图。本发明用于视觉技术领域。

Description

一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法
技术领域
本发明涉及视觉技术领域，尤其涉及一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法。
背景技术
随着科技的发展，视觉技术发展得越来越成熟。视觉技术主要是针对图像进行处理。但现有的视觉图像处理主要存在如下问题：单张取图为了提高精度，但视野必然会缩小，否则硬件成本会成几何倍数增长；多张取图再拼接，但目前的拼图技术很大部分都是根据图像特征进行拼接，由于多张取图时是利用电机驱动相机来进行拍摄获取图片的，而电机驱动过程中会存在电机输出轴到被驱动设置之间的齿轮间隙问题，故其重复性比较差。拼接过度部分不得不进行预值处理，导致图像丢失了最真实的特征，拼接后的图像再进行测量等运算明显不太真实，准确性得不到保证。这不能满足目前高集成度的电子产品市场对精度和准确度的要求。
目前，市面上也存在一些针对上述问题的解决方案。如“基于光栅的快速精确图像拼接”，但这项技术没考虑相机与机构夹角带入的误差，而且当量标定只是两条线（4个点标定），精度有限，并未把拼接的重叠部分处理方案，且算法复杂，实现难度大，成本高。又如“一种自动视觉检测中基于光栅定位的二维图像拼接方法”，这项技术需要计算出每个子图4个角的位置坐标，然后再通过位置坐标进行拼图。但控制系统不可能精确到像素级别，所以图片之间一定会有重叠部分，该方案中没有把拼接重叠部分给出截取的详细方案。再如“基于光栅定位的序列图像快速拼接技术研究”，这项技术是基于模板匹配算法，等距序列图像，图像拼接区域有做融合处理，但其最大运行速度只能12m/min，采样间隔时间为25ms的串口通讯查询位置，获得序列后再用MATLAB仿真修正来减少误差，实时性很差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种取图视野大且精度高的基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法。
本发明所采用的技术方案是，本发明方法在自动化设备上进行，其中，自动化设备上设置有相机以及带动相机进行运动的XY轴电机组，在自动化设备上还设置有光栅尺，所述XY轴电机组带动相机对产品进行拍照取图，所述光栅尺记录所述XY轴电机组的移动位置，该方法包括以下步骤：
（1）在自动化设备上进行相机位置标定，得出在自动化设备上XY轴电机组的坐标与所述相机拍照取得的图像坐标之间的位置关系，求出相机当量S；
（2）对产品进行两次不同位置拍照取图，将拍照时所述光栅尺在两个不同位置记录的实际拍照坐标分别设定为A（X1，Y1）和B（X2，Y2），将相机在视野中Y方向的移动宽度设定为d；
（3）将步骤（2）得到的两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标；
（4）将两次拍得的图像进行拼图处理，将两张图的重叠部分裁剪掉，裁剪后的两张图片在Y方向上拼接，X方向上平移（X1-X2）/S距离，即得到拼图。
上述方案可见，通过相机拍照获取任一图像，利用设定的若干点位置标定点来确认从XY轴电机组的坐标到图像坐标的换算关系，以求得相机当量，通过相机当量即可快速地获得从光栅尺坐标到图像坐标的转换，通过相机当量，保证了拼图精度达到像素的要求，利用光栅尺的精度保证了图像坐标的精度，进而保证了拼图的精度；对于两张图的边界重叠部分，不会做融合等影响精度的处理，而是依靠光栅尺获得的物理位置进行拼接，而重叠部分删除，直接进行衔接部分不做任何图像处理，还原了产品最真实的表现，大大地提高了拼图的准确度；由于无需对图像的边界进行处理，故降低了对图像的像素要求，从而相对地扩大了相机获取的图像视野，进而减少相机取图的次数，提高了拼图速度；此外，由于相机视野扩大了，从而可以对不同尺寸的图像进行快速处理，进而提高了拼图设备的兼容性。
进一步地，所述步骤（1）中相机当量S的求取过程如下：
相机进行图像拍摄，选取图像上任意一个特征圆，通过自动化设备控制XY轴电机组移动，并在选定的特征圆内间隔固定距离D选取位置标定点，共选取九个位置标定点，且任意两个位置标定点不重合，将九个所述位置标定点的图像坐标分别标定为（x1，y1）～（x9，y9），通过以下公式分别把每两点间距离求和并求平均距离：
，
得到相机当量S为S=D/Ad。
上述方案可见，通过取不同的位置标定点，且确保点与点之间的距离为定值，从而方便的得到两点间的平均距离，进而得到相机的当量，且该方法计算的得到的相机当量精度高。
再进一步地，所述步骤（3）中，通过以下公式计算两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标：
a.计算出两次取图Y方向距离换算到像素：(Y1-Y2)/S；
b.计算出两张图片重叠部分的Y方向裁取距离：((Y1-Y2)/S-d)/2；
c.计算出两次取图X方向距离换算到像素：(X1-X2)/S；
其中X1、X2、Y1和Y2的单位均为mm，S的单位为mm/Pixel；d的单位为Pixel。
上述方案可见，本发明中的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标的过程简单，与现有技术相比，大大地降低了计算量及成本。
最后，所述XY轴电机组为机械丝杆XY轴电机驱动模组。由此可见，本发明的设备要求不高，一般的丝杆结构即可，从而相对地降低了成本。
附图说明
图1是本发明中九个位置标定点的路径标定图；
图2是本发明中图像坐标换算拼接示意图；
图3是具体实施例中相机在AB两点分别取得的图像效果图；
图4是图3中的两张图在去除重叠部分Y方向裁取距离的效果图；
图5是图3中的两张图拼接后得到的完整图片的效果图。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明方法在自动化设备上进行，其中，自动化设备上设置有相机以及带动相机进行运动的XY轴电机组，在自动化设备上还设置有光栅尺，所述XY轴电机组带动相机对产品进行拍照取图，所述光栅尺记录所述XY轴电机组的移动位置。该方法包括以下步骤：
（1）在自动化设备上进行相机位置标定，得出在自动化设备上XY轴电机组的坐标与所述相机拍照取得的图像坐标之间的位置关系，求出相机当量S。
相机当量S的求取过程如下：
相机进行图像拍摄，选取图像上任意一个特征圆，通过自动化设备控制XY轴电机组移动，并在选定的特征圆内间隔固定距离D（D的单位为mm）选取位置标定点，共选取九个位置标定点，且任意两个位置标定点不重合，将九个所述位置标定点的图像坐标分别标定为（x1，y1）～（x9，y9），通过以下公式分别把每两点间距离求和并求平均距离：
，
得到相机当量S为S=D/Ad。
（2）对产品进行两次不同位置拍照取图，将拍照时所述光栅尺在两个不同位置记录的实际拍照坐标分别设定为A（X1，Y1）和B（X2，Y2），将相机在视野中Y方向的移动宽度设定为d，d的单位为Pixel。
（3）将步骤（2）得到的两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标。在本步骤中，通过以下公式计算两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标：
a.计算出两次取图Y方向距离换算到像素：(Y1-Y2)/S；
b.计算出两张图片重叠部分的Y方向裁取距离：((Y1-Y2)/S-d)/2；
c.计算出两次取图X方向距离换算到像素：(X1-X2)/S，
其中X1、X2、Y1和Y2的单位均为mm，S的单位为mm/Pixel；d的单位为Pixel。
（4）将两次拍得的图像进行拼图处理，将两张图的重叠部分裁剪掉，裁剪后的两张图片在Y方向上拼接，X方向上平移（X1-X2）/S距离，即得到拼图。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明基于光栅尺读取到的XY轴电机组的实际移动位置，将实际位置坐标转换为图像坐标，而通过实际位置进行拼接，且光栅尺可以达到<1um的精度，从而大大地提升了拼图精度；本发明方法不依赖于具体驱动设备（如电机）的硬件要求，所有位置信息均来自于光栅尺，从而降低了设备成本，也保证了精度；由于相机对精度要求相对地低了，故可以获取更大的图像视野，兼容更广泛的尺寸要求，根据不同产品尺寸要求可以多次取图拼接；依靠光栅尺的物理位置进行拼接，图片与图片之间的衔接部分不做任何图像处理，还原了产品最真实的表现，提高了精度；一般的丝杆机构的XY轴电机模组就可以满足运动要求，开发成本低。

Claims (3)

1.一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法，该方法在自动化设备上进行，其中，自动化设备上设置有相机以及带动相机进行运动的XY轴电机组，在自动化设备上还设置有光栅尺，所述XY轴电机组带动相机对产品进行拍照取图，所述光栅尺记录所述XY轴电机组的移动位置，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）在自动化设备上进行相机位置标定，得出在自动化设备上XY轴电机组的坐标与所述相机拍照取得的图像坐标之间的位置关系，求出相机当量S；
（2）对产品进行两次不同位置拍照取图，将拍照时所述光栅尺在两个不同位置记录的实际拍照坐标分别设定为A（X1，Y1）和B（X2，Y2），将相机在视野中Y方向的移动宽度设定为d；
（3）将步骤（2）得到的两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标；
（4）将两次拍得的图像进行拼图处理，将两张图的重叠部分裁剪掉，裁剪后的两张图片在Y方向上拼接，X方向上平移（X1-X2）/S距离，即得到拼图；
所述步骤（1）中相机当量S的求取过程如下：
相机进行图像拍摄，选取图像上任意一个特征圆，通过自动化设备控制XY轴电机组移动，并在选定的特征圆内间隔固定距离D选取位置标定点，共选取九个位置标定点，且任意两个位置标定点不重合，将九个所述位置标定点的图像坐标分别标定为（x1，y1）～（x9，y9），通过以下公式分别把每两点间距离求和并求平均距离：
，
得到相机当量S为S=D/Ad。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，通过以下公式计算两次不同位置的XY轴电机组的坐标转换成图像坐标：
a.计算出两次取图Y方向距离换算到像素：(Y1-Y2)/S；
b.计算出两张图片重叠部分的Y方向裁取距离：((Y1-Y2)/S-d)/2；
c.计算出两次取图X方向距离换算到像素：(X1-X2)/S，
其中X1、X2、Y1和Y2的单位均为mm，S的单位为mm/Pixel；d的单位为Pixel。
3.根据权利要求1所述的一种基于光栅尺位置实现高精度坐标拼图的方法，其特征在于：所述XY轴电机组为机械丝杆XY轴电机驱动模组。
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