技术领域
[0001] 本
发明涉及工业自动化技术领域，尤其涉及一种应用于需要高
精度对位的大尺寸喷墨
打印机的多相机标定装置及标定方法。
背景技术
[0002] 在喷墨打印技术中，每次在产品上喷印的
位置都是固定的，其精度可能要求达到微米级别。由于上料不可能始终在同一个位置，这时，一般通过CCD对位实现高精度对位。通常情况下，一个高
分辨率的相机就能满足对位精度要求，整个机构也比较精简，仅需要一个相机、相机固定
块和
光源固定
支架即可。
[0003] 由于工业CCD常用的最大分辨率为2000万，如果单个
像素的尺寸做到10微米，那么其
视野范围必须保证在55毫米以内，而且，视野范围一般会比产品大百分之二十，让产品尽量保证在视野中心，以避免镜头造成的径向畸变的干扰。当然，也可以对相机的内参进行标定，来获取相机镜头的畸变量，从而对其畸变进行矫正，但是该矫正仅仅是通过数学计算的方式硬性来矫正图像的，其图像
质量会受到影响。
[0004] 由于单个相机进行对位，对镜头的畸变率要求比较高，如果工作距离需求比较低，并且视野范围又需求比较大，那势必会选择广
角镜头，这样就导致图像有严重的径向畸变，直接造成对位的不准确。单个相机由于相机分辨率的限制，对位精度达不到要求；且由于对位精度的限制，无法做到大尺寸的产品对位，故单个相机的对位往往无法做到大尺寸产品的高精度对位。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于，针对
现有技术中存在的技术问题，提供一种多相机标定装置及标定方法，可以实现多相机的高精度标定，进而实现大尺寸产品的高精度对位。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种多相机标定装置，应用于喷墨打印机的对位前相机标定；所述装置包括：多个相机；相机固定支架，用于固定安装所有所述相机，且所有所述相机的垂直面基本一致；标定板，用于提供基准
坐标系，所述标定板的尺寸
覆盖所有所述所能拍摄的整个范围；控制单元，与所有所述相机相连，用于采用所述标定板对所有所述相机进行标定。
[0007] 为实现上述目的，本发明还提供了一种多相机标定方法，应用于喷墨打印机的对位前相机标定；所述方法包括：(1)将标定板摆放到被测物载台上，并提供固定安装的多个相机，以所述标定板所在平面建立世界坐标系，以所有相机的共同垂直面建立图像坐标系；(2)采用每一所述相机对所述标定板进行拍摄，获取相应的图像；(3)分别采集每一图像上预设点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取预设点对应的理论世界坐标，并根据相应的图像坐标与理论世界坐标，计算出相应相机的图像坐标系与所述世界坐标系的仿射变换矩阵；(4)分别采集每一图像上目标点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取目标点对应的理论世界坐标，并通过相应的仿射变换矩阵计算出对应的实际世界坐标，根据目标点对应的理论世界坐标获取多个目标点两两之间的理论长度，根据目标点对应的实际世界坐标获取多个目标点两两之间的实际长度，比较所述实际长度与所述理论长度获取标定精度。
[0008] 本发明的优点在于：本发明通过采用带标记的黑白格标定板对多个相机进行标定，可以实现多相机的高精度标定，进而实现大尺寸产品的高精度联合对位。标定装置简单，操作方便，降低了相关成本，通过标定精度验证，提高了标定结果的精确度。由于采用多相机联合对位，在联合对位中，只需要确保局部区域的像素精度，方便了相机镜头的选型。由于是多相机组合的方式，通过调节相机之间的间距，可以适用于不同尺寸规格，但又不影响对位精度，起到了可调的便利性，解决了单个相机无法做到大尺寸产品的高精度对位的不足。
附图说明
[0009] 为了更清楚地说明本
申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0010] 图1，本发明多相机标定装置的立体图；
[0011] 图2，相机固定支架的俯视图；
[0012] 图3，标定板一实施例的示意图；
[0013] 图4，本发明多相机标定方法的
流程图。
具体实施方式
[0014] 下面详细描述本发明的实施方式，所述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。此外，本发明在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0015] 研究发现，在对位时，有效对位位置往往是边或者点，其余的区域都是无用的，针对这一点，多相机方案就油然而生。多相机联合对位方案，采用每一相机拍摄一对位特征点的图像，然后将这些图像融合成为一个整体，实现高精度对位。针对融合多相机图像为一个整体，多相机的高精度标定尤其重要，否则即使单个相机的对位精度很高，而相机之间的位置精度比较差，那如木桶效应一样，精度取差的，使得最终的精度对位不高。
[0016] 本发明通过以所述标定板所在平面建立世界坐标系，通过多个相机分别拍摄图像，建立相应的图像坐标系；然后再分别采集多个相机的图像中预设点的图像坐标，计算出图像坐标系与世界坐标系一一对应的仿射变换矩阵；每个相机的图像通过相应的仿射变换矩阵，都可以将其图像上对应点的图像坐标转换到世界坐标系上，也就是转换到标定板的坐标系上；在同一世界坐标系中，就可以很方便的计算多个相机的图像上目标点之间的角度和长度量度值，从而获取标定精度，进而可以通过调整相机安装位置，调整标定精度，实现多相机的高精度标定，进而实现大尺寸产品的高精度对位。
[0017] 请参阅图1-图3，其中，图1为本发明多相机标定装置的立体图，图2为相机固定支架的俯视图，图3为标定板一实施例的示意图。所述多相机标定装置应用于喷墨打印机的对位前相机标定。
[0018] 如图1所示，所述装置包括：多个相机11、相机固定支架12、标定板13以及控制单元14。每一相机11用于拍摄被测物上一对位特征点的图像，以便后续将这些图像融合成为一个整体，实现高精度对位。所述相机固定支架12用于固定安装所有相机11，且所有相机11的垂直面基本一致。所述标定板13用于提供基准坐标系，所述标定板13的尺寸覆盖所有相机
11所能拍摄的整个范围。所述控制单元14与所有所述相机11相连，用于采用所述标定板13对所有相机11进行标定。
[0019] 如图2所示，所述相机固定支架12要尽可能的保证多个相机处于同一个垂直面，从而可以以所有相机的共同垂直面建立图像坐标系。相机可以采用低畸变率(畸变率低于预设
阈值)的镜头。由于单个相机的视野范围很小，可以忽略相机视野平面与被测物平面的高低差，所以相机相对于被测物平面的倾斜度无需特别高的精度，只需要基本保证一致即可。
[0020] 如图3所示，进一步的实施例中，所述标定板13采用带标记的黑白格标定板，便于在标定相机时所需世界坐标系的建立。带标记的黑白格标定板，精度可根据自身系统对位精度而定，尺寸需要覆盖所有相机所能拍摄的整个范围。具体的，可以把标定板的某一顶角(例如，左上角)当作坐标原点O，长度方向(图示向右延伸方向)为X正方向，宽度方向(图示向下延伸方向)为Y正方向，建立世界坐标系，世界坐标点的单位为标定板的单位，例如，毫米(mm)。
[0021] 所述控制单元14可以控制固定安装的多个相机分别拍摄图像；然后再分别采集多个相机的图像中预设点的图像坐标，计算出图像坐标系与世界坐标系一一对应的仿射变换矩阵；每个相机的图像通过相应的仿射变换矩阵，都可以将其图像上对应点的图像坐标转换到世界坐标系上，也就是转换到标定板的坐标系上；在同一世界坐标系中，就可以很方便的计算多个相机的图像上目标点之间的角度和长度量度值，从而获取标定精度，进而可以通过调整相机安装位置，调整标定精度，实现多相机的高精度标定，进而实现大尺寸产品的高精度对位。
[0022] 请参阅图4，本发明多相机标定方法的流程图。所述多相机标定方法，应用于喷墨打印机的对位前相机标定，具体包括如下步骤：S41：将标定板摆放到被测物载台上，并提供固定安装的多个相机，以所述标定板所在平面建立世界坐标系，以所有相机的共同垂直面建立图像坐标系；S42：采用每一所述相机对所述标定板进行拍摄，获取相应的图像；S43：分别采集每一图像上预设点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取预设点对应的理论世界坐标，并根据相应的图像坐标与理论世界坐标，计算出相应相机的图像坐标系与所述世界坐标系的仿射变换矩阵；S44；分别采集每一图像上目标点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取目标点对应的理论世界坐标，并通过相应的仿射变换矩阵计算出对应的实际世界坐标，根据目标点对应的理论世界坐标获取多个目标点两两之间的理论长度，根据目标点对应的实际世界坐标获取多个目标点两两之间的实际长度，比较所述实际长度与所述理论长度获取标定精度；以下给出详细说明。
[0023] 关于步骤S41：将标定板摆放到被测物载台上，并提供固定安装的多个相机，以所述标定板所在平面建立世界坐标系，以所有相机的垂直面建立图像坐标系。
[0024] 具体的，将标定板摆放到被测物载台上，尽可能将标定板的基准坐标系轴与所有相机共同的图像坐标系轴保持一致，以方便后续标定时对世界坐标的计算。
[0025] 可以将所述多个相机固定安装于相机固定支架上，且所有相机的垂直面基本一致，从而可以以所有相机的共同垂直面建立图像坐标系，如上图2所示。由于单个相机的视野范围很小，可以忽略相机视野平面与被测物平面的高低差，所以相机相对于被测物平面的倾斜度无需特别高的精度，只需要基本保证一致即可。
[0026] 所述标定板可以采用带标记的黑白格标定板，所述标定板的尺寸覆盖所述多个相机所能拍摄的整个范围，如上图3所示。其中，所述世界坐标系的单位为所述标定板的标定单位，所述世界坐标系的坐标轴与所述图像坐标系的坐标轴保持一致。具体的，可以把标定板的某一顶角(例如，左上角)当作坐标原点O，长度方向(图示向右延伸方向)为X正方向，宽度方向(图示向下延伸方向)为Y正方向，建立世界坐标系，世界坐标点的单位为标定板的单位，例如，毫米(mm)。
[0027] 关于步骤S42：采用每一所述相机对所述标定板进行拍摄，获取相应的图像。
[0028] 具体的，可以采用每一所述相机对所述标定板上一标定标记进行拍摄，获取相应的图像。
[0029] 关于步骤S43：分别采集每一图像上预设点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取预设点对应的理论世界坐标，并根据相应的图像坐标与理论世界坐标，计算出相应相机的图像坐标系与所述世界坐标系的仿射变换矩阵。
[0030] 具体的，以下以4个相机的标定为例进行说明。分别获取4个相机的图像后，通过以下方式计算出各仿射变换矩阵：
[0031] 1)采集一相机的图像上三个预设点ip1，ip2，ip3的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取所述三个预设点在所述标定板上对应的理论点wp1，wp2，wp3的理论世界坐标。
[0032] 2)建立仿射变换计算公式：
[0033]
[0034] 其中，Xw和Yw是理论点的理论世界坐标，Xi和Yi是预设点的图像坐标，a，b，c，e，f，g是仿射变换矩阵参数，为未知参数。
[0035] 3)通过三组对应的图像坐标和理论世界坐标，罗列出6个方程，计算出仿射变换矩阵参数a，b，c，e，f，g，获取相应相机的图像坐标系与所述世界坐标系的仿射变换矩阵。
[0036] 4)重复上述步骤1)-3)，获取所有相机的图像坐标系与所述世界坐标系的仿射变换矩阵。
[0037] 定义仿射变换矩阵为H，通过上述方法，把4个相机的仿射变换矩阵都一一计算出来，分别定义为H1，H2，H3，H4，通过对应相机的仿射变换矩阵，即可计算该相机图像上某一坐标对应的世界坐标。
[0038] 关于步骤S44；分别采集每一图像上目标点的图像坐标，通过所述标定板上的标记获取目标点对应的理论世界坐标，并通过相应的仿射变换矩阵计算出对应的实际世界坐标，根据目标点对应的理论世界坐标获取多个目标点两两之间的理论长度，根据目标点对应的实际世界坐标获取多个目标点两两之间的实际长度，比较所述实际长度与所述理论长度获取标定精度。
[0039] 由于每个相机的图像通过相应的仿射变换矩阵，都可以将其图像上对应点的图像坐标转换到世界坐标系上，也就是转换到标定板的坐标系上；在同一世界坐标系中，就可以很方便的计算多个相机的图像上目标点之间的角度和长度量度值，从而获取标定精度。
[0040] 优选的，本发明进一步对获取的标定精度进行验证：将所述标定板旋转、平移至预设位置，重新获取图像；执行步骤S44获取并比较实际长度与理论长度，以验证所述标定精度。具体的，将标定板旋转和平移一
定位置，重新分别获取4个相机的图像，然后在每个图像上获取一个黑白格图像角点(新的目标点)，使用对应的仿射变换矩阵得到其对应的实际世界坐标点。由于黑白格图像角点对应的标定板上的理论位置是已知的，因此四个点两两之间的理论距离可以计算得出。计算4个实际世界坐标点两两之间的实际长度，然后和计算得出的理论距离进行比较，查看误差值，验证出标定的精度。
[0041] 进一步的，如果标定精度未达到相机镜头的理论精度，可以先查看4个相机是否安装到位，然后重新标定。即，在所述标定精度小于预设理论精度时，通过调整相机安装位置，重复上述步骤S42-S44重新进行标定，并可进一步对重新标定的精度进行验证，直到标定精度达到预设理论精度要求。
[0042] 采用带标记的黑白格标定板对多个相机进行标定，可以实现多相机的高精度标定，进而实现大尺寸产品的高精度联合对位。由于采用多相机联合对位，在联合对位中，只需要确保局部区域的像素精度，方便了相机镜头的选型。由于是多相机组合的方式，通过调节相机之间的间距，可以适用于不同尺寸规格，但又不影响对位精度，起到了可调的便利性，解决了单个相机无法做到大尺寸产品的高精度对位的不足。
[0043] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
