1、N點標定概述

　　機構平臺在搭配相機應用中，不論相機固定安裝在機構平臺外還是相機安裝在機構末端，都需要先執行手眼標定，最常見的手眼標定為N點標定，其目的是獲取相機外參矩陣，通過記錄N組像素坐標點和物理坐標點，計算獲得圖像坐標系A到執行機構物理坐標系B的轉換矩陣T，該矩陣即為N點標定生成的標定文件。

　　N點標定的本質是統一坐標系，將圖像坐標系中的點轉換到物理坐標系中，然后在物理坐標系中進行數值處理，進而引導執行機構進行操作。一般用于XYZ平臺、XYθ平臺、Scara機械手、六自由度機械手等。

　　2、N點標定原理

　　從數學的角度來看，一個二維坐標系xoy經過平移、旋轉、縮放可以變換到另一個坐標系x’o’y’。

　　其轉換關系表示如下：

　　上述矩陣描述了兩個坐標系之間的關系，其中fx, fy分別是x方向和y方向的縮放尺度，a, b分別是x方向和y方向的平移量，θ是坐標系的旋轉角度。矩陣中有6個自由度，至少需要6個方程，也就是3組點才能求解，超過3組點，則用非線性最小二乘法進行優化，最常用的為9組點。

　　LeadVision視覺平臺N點標定包括9點標定和16點標定(其中最后7點為旋轉點)。16點標定是9點平移標定和7點旋轉標定的組合，多用于處理抓取點不在旋轉中心的情況。

　　7點旋轉標定本質是求解旋轉中心坐標，提供擬合圓法找旋轉中心和三角函數法找旋轉中心。擬合圓法是通過旋轉七次，記錄七個不同位置的同一Mark點，求出通過它們的一個圓，其圓心即為旋轉中心。

　　三角函數法是通過旋轉七次，記錄三個不同位置的同一Mark點和四個重復位置的同一Mark點，計算出三個Mark點對應的旋轉中心，其中后四個Mark點用于驗算，如下圖所示。一般來說，擬合圓法用于大視野場景，三角函數法用于小視野場景。

　　注意：7點旋轉標時，需保持XY軸不動，只動旋轉軸，記錄旋轉角度。

　　3、N點標定流程

　　N點標定與通訊功能配合可實現一鍵自動標定，分為四個步驟：

　　(1)移動到標定起始位：機構移動到拍照位，如上圖1的位置(和后續的10位置相同)，吸取標定對象(可以是產品，也可以是標定塊)。

　　(2)XY平移標定：機構按設定的偏移值依次移動到上圖9個位置，然后給LeadVision視覺平臺發送拍照指令、點序號及對應的機構坐標，格式可自定義為“標定Cal，點序號為1~9，X坐標，Y坐標，角度”，如“Cal,1,10,10,2”，取得9組機構平臺坐標和標定對象的像素坐標。

　　(3)旋轉標定：機構依次移動到上圖的7個位置(此時只動旋轉R軸)，然后給LeadVision視覺平臺依次發送拍照指令、點序號及對應的機構坐標，格式同步驟(2)，點序號為10~16，取得7組機構平臺坐標和標定對象的像素坐標。

　　(4)生成標定文件：點擊LeadVision視覺平臺標定工具的【計算結果】按鈕，生成標定文件。

　　4、LeadVision平臺實現

　　01、目標

　　通過16點標定實現相機坐標系到Scara機械手末端坐標系的絕對坐標轉換關系。

　　02、創建工程

　　(1)新建工程

　　打開LeadVision軟件，在菜單欄選擇“工程”→“新建工程”，彈出新建工程對話框，輸入相機數、任務流程數、工程名稱和保存路徑，如下圖所示。

　　(2)相機配置

　　在菜單欄選擇“相機”→“相機配置”，彈出相機設置對話框，本例圖像來源為本地圖像文件夾(如果實際連接了相機，此處勾選相機);圖像來源路徑中輸入相對路徑(./samples/images/標定)，當然也可以通過打開文件對話框，選擇圖片存放的絕對路徑;其他參數按默認配置即可，最后單擊“保存設置”，如下圖所示。

　　注意：圖像來源路徑為相對路徑時，輸入完路徑后，需按回車生效。

　　(3)設置基準圖像

　　基準圖像用于配置后續各工具參數使用，每新建一個工程都需要設置基準圖像。在菜單欄選擇“圖像”→“基準圖像”，彈出基準圖像設置對話框。點擊“打開”選擇一張基準圖像，然后修改基準圖像的備注名稱(如基準)，便于個人識別。

　　03、搭建流程

　　標定流程需進入標定界面進行流程搭建，在工具欄點擊“進入坐標系標定界面”。

　　在標定界面搭建的N點標定流程，效果如下所示，下文重點講解流程中的TCP通信及N點標定工具的配置。

　　(1)TCP通信接收

　　“TCP通信接收”可從通信設備中獲取數據，在使用該工具之前，首先需要添加通信設備，通信設備在菜單欄“通信”→“通信設置”中添加，此處我們添加一個TCP服務器，配置如下所示。

　　添加通信設備后，開始配置“TCP通信接收”參數，本例程配置的數據格式為“Cal,Id,X坐標,Y坐標,角度”，匹配到指令命令“Cal”時，執行后續流程，詳細參數如下：

　　(2)采集圖像

　　使用該工具默認參數即可。

　　(3)輪廓匹配

　　輪廓匹配參數在LeadVision第一課已詳細講解，本次不展開說明。選擇圓心ROI框選基準圖像的中心區域，創建模板，效果如下：

　　(4)N點標定

　　本例為相機固定在Scara機械手平臺外，所以在基本設置Tab選項頁中，配置平臺類型“XYθ”，相機安裝方式“固定不動”，旋轉中心標定方法“三角函數法找旋轉中心”，標定文件名稱為“Calib106”，坐標點序號綁定Tcp通信接收的Id，圖像坐標X/Y綁定輪廓匹配工具的cx/cy，平臺坐標X/Y/T綁定Tcp通信接收的x/y/theta，如下所示。

　　04、運行結果

　　本例16個平臺坐標及發送數據如下，其中X方向平移距離15mm，Y方向平移距離15mm，末端旋轉15度。

　　點擊①running按鈕運行標定程序，使用TCP/UDP測試工具，連接LeadVision TCP服務器127.0.0.1，端口號60000，連接成功后，依次發送16個點的平臺坐標數據模擬平臺運行，如“Cal,2,221.6,-305.8,-97.8”，觸發拍照執行。

　　16點平臺坐標全部運行完成后，再次點擊running按鈕停止標定程序。雙擊“N點標定”工具，選擇坐標點列表Tab選項頁，查看標定數據，依次點擊①更新圖像坐標點→②顯示坐標點，可觀察9點數據的分布。

　　切換到處理結果Tab選項頁，點擊①“計算結果”→②“保存結果”，得到最終的標定矩陣文件Calib106，至此，完成N點標定。

END