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CN109343578B - 一种基于视觉反馈的tdi-ccd相机双目视觉系统视场对齐方法 - Google Patents

一种基于视觉反馈的tdi-ccd相机双目视觉系统视场对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于视觉反馈的TDI‑CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，能够方便、高效、精确的实现双目视觉系统视场的对齐。本发明基于视觉反馈模糊控制的TDI‑CCD相机探测面共面快速调节，对相机图像中对侧标定板的成像位置识别，自动确认对面相机的光心成像位置和探测面投影成像斜率，进而利用模糊控制算法控制电动调整相机的俯仰角，使得两个相机在光轴重合，极线相同，有利于大探测面的搭建，并且可以提高该双目视觉系统的定位精度，解决了TDI‑CCD双目视觉系统靶面搭建中探测面共面调节效率低、精度差的问题。

Description

一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐 方法
技术领域
本发明属于计算机双目视觉中相机外参数控制技术领域，尤其涉及一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法。
背景技术
TDI-CCD相机双目视觉系统在探测和定位越靶的小、快目标时，具有灵敏度高，定位精度高等优势，常用于自动报靶系统、子弹密集度自动化测试领域。而随着测试需求的不断扩大，测试要求不断提高，为满足测试大靶面，高精度的要求，需要提高TDI-CCD相机系统搭建的相对位置精度，实现大靶面下两个相机的探测面共面。现有的TDI-CCD相机靶面共面调节方法主要有瞄准镜手动瞄准或传统激光互瞄两种。其中，瞄准镜手动瞄准是通过瞄准镜进行对齐瞄准，再根据误差手动调节相机外参数。这种方法由于是手动调节，且每次调节后需要重复瞄准测量，调节速度慢，并且在基线距离长的大靶面调节精度差。激光对齐法则是通过相机底座上的激光发射器辅助调节，相对提高了调节效率，但仍然是手动调节，面临调节精度低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，能够方便、高效、精确的实现双目视觉系统视场的对齐。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，包括如下步骤：
步骤1，将双目视觉系统中的两台TDI-CCD相机相对放置，将本相机的标定棋盘格固定在对面相机上；
步骤2，调整两个TDI-CCD相机的云台，本相机采集对面相机上的标定棋盘格图像，判断标定棋盘格图像是否满足要求，若满足，则识别棋盘格角点，否则返回调整两个TDI-CCD相机的云台，直至标定棋盘格图像满足要求；
步骤3，根据步骤2识别出的棋盘角点坐标，计算对面相机的光心成像位置O′和探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000021
通过对面相机的光心成像位置O′和本相机的光学成像位置O对比，得到光心位置误差；通过对面相机的探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000022
和本相机的探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000023
的夹角计算，得到探测面投影成像斜率误差；
基于所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，通过模糊PID控制算法调整本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角，消除所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，完成视场对齐。
其中，所述步骤2中，采用亚像素识别方法对棋盘格角点的图像坐标进行识别，获得棋盘格角点坐标。
其中，所述步骤2中，将采集图像进行二值化后，根据联通区域的拓扑关系，判断标定棋盘格图像是否满足要求。
其中，所述步骤3中，所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差组成误差向量
Figure BDA0001868798570000024
其中，ey是光心位置误差的y方向距离，表示方位角误差；ex是光心位置误差的x方向距离，表示俯仰角误差；eθ是探测面投影成像斜率误差，表示滚转角误差；基于误差向量
Figure BDA0001868798570000025
得到模糊PID控制算法的条件参数KP，KI，KD；将误差向量
Figure BDA0001868798570000026
和条件参数KP，KI，KD输入PID控制算法，确定本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角的调整量和调整方向。
其中，所述步骤2中，将本相机的滚转角固定在设定角度；
对本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角调整过程中，本相机只调整俯仰角和方位角，对面相机调整俯仰角、方位角以及滚转角；当对面相机采集图像中探测面投影成像斜率为零，则对面相机滚转角调整到位，然后根据棋盘格中心像素以及镜头圆心像素坐标调整双方的方位角和俯仰角，使对方镜头成像到面阵图像的中心像素，则两个相机的视场对齐。
其中，对本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角调整过程中，当误差向量
Figure BDA0001868798570000031
的1范数
Figure BDA0001868798570000032
小于设定阈值后停止云台调整；当两个相机云台停止调整后，根据测试需求，调节云台俯仰角，使得相机光轴相交，形成双目视觉系统。
其中，所述模糊PID控制算法中，PID控制器的输出量为u(t)、输入量为偏差e(t)，满足：
Figure BDA0001868798570000033
其中，KP，KI，KD为PID的条件参数；
KP，KI，KD参数调节的模糊规则如表1-表3所示：
表1调节KP的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000034
表2调节KI的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000035
Figure BDA0001868798570000041
表3调节KD的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000042
表中L、M、S、ZO分别表示覆盖所有变量的模糊子集大、中、小、零。
有益效果：
本发明基于视觉反馈模糊控制的TDI-CCD相机探测面共面快速调节，对相机图像中对侧标定板的成像位置识别，自动确认对面相机的光心成像位置和探测面投影成像斜率，进而利用模糊控制算法控制电动调整相机的俯仰角，使得两个相机在光轴重合，极线相同，有利于大探测面的搭建，并且可以提高该双目视觉系统的定位精度，解决了TDI-CCD双目视觉系统靶面搭建中探测面共面调节效率低、精度差的问题，避免了手工操作由于人为差异导致的精度不稳定，尤其针对大靶面测试时，使TDI-CCD相机双目视觉系统能够高精度、高效率完成搭建。使用本发明能够利用视觉反馈模糊控制技术使得TDI-CCD相机双目视觉系统中两个相机视场对齐，使得TDI-CCD相机双目视觉系统搭建更加快捷、定位精度更高。
附图说明
图1是本发明的TDI-CCD相机探测面的硬件组成。
图2是本发明基于视觉反馈模糊控制的TDI-CCD相机探测面共面快速调节方法流程图。
图3是本发明电动转台模糊PID控制结构。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出了基于视觉反馈的模糊PID控制方法，使光电测试系统在现场能够快速进行相机探测面共面调整，解决传统激光互瞄或瞄准镜手动瞄准的调整时间长、精度差的问题。
图1是TDI-CCD相机探测面的硬件组成，其中两个TDI-CCD相机第一CCD和第二CCD为主要传感装置，工控便携式计算机用于进行视觉反馈的算法控制，每个相机均有一个云台进行控制，和一个棋盘格用于视觉反馈。第一CCD相机为本地相机时，第二CCD相机为对面相机，反之亦成立。
图2是基于视觉反馈模糊控制的TDI-CCD相机探测面共面快速调节方法流程图。包括如下步骤：
步骤1，根据测试需求设置所述双目视觉系统，包括本相机、对面相机及其对应云台，将双目视觉系统中的两台TDI-CCD相机相对放置，将本相机的标定棋盘格固定在对面相机上；
其中，根据测试需求布设光电测试设备如图1所示，并固定棋盘格标定板。
步骤2，调整两个TDI-CCD相机的云台，本相机采集对面相机的标定棋盘格图像，判断标定棋盘格图像是否满足要求，若满足，则识别棋盘格角点，否则返回调整两个TDI-CCD相机的云台，直至标定棋盘格图像满足要求；
可以将本相机的滚转角固定在设定角度，通过调整本相机和对面相机的云台，使对方相机的标定棋盘格成像在我方图像中；
本实施例中手动调整第一CCD相机的滚转角至零位使得其探测面竖直，保证第一CCD所在的探测面呈竖直方向。手动调整第一CCD和第二CCD相机的方位角，使对方镜头上方的标定棋盘格成像在各自图像中，减小相互搜索棋盘格的时间。
可以将采集图像进行二值化后，根据联通区域的拓扑关系，判断是否存在预定的棋盘格。
其中，采用亚像素识别方法对棋盘格角点的图像坐标进行识别，获得棋盘格角点坐标。
步骤3，根据步骤2识别出的棋盘角点坐标，计算对面相机的光心成像位置O′和探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000061
通过对面相机的光心成像位置O′和本相机的光学成像位置O对比，得到光心位置误差；通过对面相机的探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000062
和本相机的探测面投影成像方向向量
Figure BDA0001868798570000063
的夹角计算，得到探测面投影成像斜率误差；
基于所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，通过模糊PID控制算法调整本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角，消除所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，完成视场对齐。
其中，所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差组成误差向量
Figure BDA0001868798570000064
Figure BDA0001868798570000065
其中，ey是光心位置误差的y方向距离，表示方位角误差；ex是光心位置误差的x方向距离，表示俯仰角误差；eθ是探测面投影成像斜率误差，表示滚转角误差；基于误差向量
Figure BDA0001868798570000071
得得到模糊PID控制算法的条件参数KP，KI，KD；将误差向量
Figure BDA0001868798570000072
和条件参数KP，KI，KD输入PID控制算法，确定本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角的调整量和调整方向，具体过程为：
设PID控制器的输出量为u(t)、输入量为偏差e(t)，它们之间关系为：
Figure BDA0001868798570000073
式中KP、KI、KD分别是比例、积分和微分增益。为获得满意控制效果，这三个参数需根据系统状态实时调节(模糊控制)。然而对于干扰多变、负荷多变的系统，往往没有确定的数学模型或规律可循，很难在线辨识出这些参数，例如系统两侧相互负反馈调节三轴转台，转台之间的空间耦合关系对标定用棋盘格的角点位置关系无法用数学模型表示。模糊控制器可以控制不精确的运动数学模型，能容纳不确定的输入变量，并能产生光滑的控制输出量，可进行实时非线性调节，使系统达到最优调节和快速控制。
本实施例结合PID控制和模糊控制的优点，采用模糊PID控制左右探测靶体上的三轴电动转台运动。模糊PID调节控制的基本思想是：
在系统响应初始阶段，偏差|e(t)|较大，为加快系统响应速度，取较大的KP，使系统的时间常数和阻尼系数减小。同时为避免积分饱和，出现较大超调，积分增益KI不宜过大，为避免系统在开始时可能引起的超范围控制，应取较小的KD。随着偏差|e(t)|减小，为缩短调节时间适当减小KP，使系统超调减小。此时为保证系统的响应速度，可适当增大KI，KD取值要恰当。当偏差|e(t)|较小时，为使系统具有良好的稳态性能，系统工作在过阻尼状态，可取较大的KP和KI。当系统稳定工作时，调节目标是抑制e(t)和de(t)的变化，适当增大KD，避免系统在平衡点出现振荡。
基于以上思想，并结合前人工作经验，考虑视觉反馈输入变量e(t)和偏差变化率de(t)的影响，综合得出表1～表3所示的PID参数调节的模糊规则，表中L、M、S、ZO分别表示覆盖所有变量的模糊子集大、中、小、零。
表1调节KP的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000081
表2调节KI的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000082
表3调节KD的模糊控制规则
Figure BDA0001868798570000083
电动转台模糊PID控制结构如图3所示，经过模糊化处理，模糊控制器调节PID的参数，PID控制器反模糊化后将电脉冲个数输出给云台的三轴转台，待三轴转台调整到位，继续采集图像进行下一步调整，包括如下步骤：
本相机只调整俯仰角和方位角，对面相机调整俯仰角、方位角以及滚转角；当对面相机采集图像中探测面投影成像斜率为零，则对面相机滚转角调整到位，然后根据棋盘格中心像素以及镜头圆心像素坐标调整双方的方位角和俯仰角，使对方镜头成像到面阵图像的中心像素，则两个相机的视场对齐。
其中，在调整过程中，当误差向量
Figure BDA0001868798570000091
的1范数
Figure BDA0001868798570000092
小于设定阈值后停止云台调整；当两个相机云台停止调整后，根据测试需求，调节云台俯仰角，使得相机光轴相交，形成双目视觉系统。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将双目视觉系统中的两台TDI-CCD相机相对放置，将本相机的标定棋盘格固定在对面相机上；
步骤2，调整两个TDI-CCD相机的云台，本相机采集对面相机上的标定棋盘格图像，判断标定棋盘格图像是否满足要求，若满足，则识别棋盘格角点，否则返回调整两个TDI-CCD相机的云台，直至标定棋盘格图像满足要求；
步骤3，根据步骤2识别出的棋盘角点坐标，计算对面相机的光心成像位置O′和探测面投影成像方向向量
Figure FDA0002427470090000011
通过对面相机的光心成像位置O′和本相机的光学成像位置O对比，得到光心位置误差；通过对面相机的探测面投影成像方向向量
Figure FDA0002427470090000012
和本相机的探测面投影成像方向向量
Figure FDA0002427470090000013
的夹角计算，得到探测面投影成像斜率误差；
基于所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，通过模糊PID控制算法调整本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角，消除所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差，完成视场对齐；
所述步骤3中，所述光心位置误差和探测面投影成像斜率误差组成误差向量
Figure FDA0002427470090000014
其中，ey是光心位置误差的y方向距离，表示方位角误差；ex是光心位置误差的x方向距离，表示俯仰角误差；eθ是探测面投影成像斜率误差，表示滚转角误差；基于误差向量
Figure FDA0002427470090000015
得到模糊PID控制算法的条件参数KP，KI，KD；将误差向量
Figure FDA0002427470090000016
和条件参数KP，KI，KD输入PID控制算法，确定本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角的调整量和调整方向。
2.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，所述步骤2中，采用亚像素识别方法对棋盘格角点的图像坐标进行识别，获得棋盘格角点坐标。
3.如权利要求1所述的一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，所述步骤2中，将采集图像进行二值化后，根据联通区域的拓扑关系，判断标定棋盘格图像是否满足要求。
4.如权利要求1或2所述的一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，所述步骤2中，将本相机的滚转角固定在设定角度；
对本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角调整过程中，本相机只调整俯仰角和方位角，对面相机调整俯仰角、方位角以及滚转角；当对面相机采集图像中探测面投影成像斜率为零，则对面相机滚转角调整到位，然后根据棋盘格中心像素以及镜头圆心像素坐标调整双方的方位角和俯仰角，使对方镜头成像到面阵图像的中心像素，则两个相机的视场对齐。
5.如权利要求4所述的一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，对本相机和对面相机云台的俯仰角、方位角以及滚转角调整过程中，当误差向量
Figure FDA0002427470090000021
的1范数
Figure FDA0002427470090000022
小于设定阈值后停止云台调整；当两个相机云台停止调整后，根据测试需求，调节云台俯仰角，使得相机光轴相交，形成双目视觉系统。
6.如权利要求2所述的一种基于视觉反馈的TDI-CCD相机双目视觉系统视场对齐方法，其特征在于，所述模糊PID控制算法中，PID控制器的输出量为u(t)、输入量为偏差e(t)，满足：
Figure FDA0002427470090000023
其中，KP，KI，KD为PID的条件参数；
KP，KI，KD参数调节的模糊规则如表1-表3所示：
表1 调节KP的模糊控制规则
Figure FDA0002427470090000031
表2 调节KI的模糊控制规则
Figure FDA0002427470090000032
表3 调节KD的模糊控制规则
Figure FDA0002427470090000033
表中L、M、S、ZO分别表示覆盖所有变量的模糊子集大、中、小、零。
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GR01 Patent grant
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