MV视觉软件包摄像机标定模块设计与算法研究

摘要

IC(IntegratedCircuit)封装设备关键技术突破和产业化是国家“十二五”计划提出的重大战略方向。高速机器视觉算法作为IC封装设备中的关键技术被国外厂商垄断,国家02科技重大专项提出开发具有自主知识产权并在典型设备上实现产业化应用的MV视觉软件包。摄像机标定是其核心模块之一,广泛应用于视觉定位、视觉测量中。从软件和算法的角度研究了MV视觉软件包摄像机标定模块的设计,主要工作如下:
　　针对典型IC封装设备视觉系统的功能需求分析,结合MV视觉软件包内部的功能模块划分,从外部接口和内部开发两个层次对摄像机标定模块进行了功能划分;针对典型IC封装设备视觉系统的综合性能要求,设计了摄像机标定模块的性能指标。根据功能细分和性能指标设计的结果,对摄像机标定模块进行了软件总体设计,包括:架构设计、数据流与调用关系设计、通用数据结构设计、专用数据结构设计以及用户接口函数设计,保证了摄像机标定模块的系统重用性、可扩展性和可靠性。
　　针对传统算法对靶标摆放位置要求过高、无法满足IC封装设备在线、自动运行要求的应用缺陷,提出了一种基于Delaunay三角剖分的特征点信息自动提取算法。该算法联合面积和相对圆度两个判断条件剔除因靶标摆放不当及噪声等因素引入的干扰区域,沿用了基于椭圆方程最小二乘拟合的特征点图像坐标计算方法,并利用有效Delaunay剖分三角形的性质建立四邻域信息查询表,最终递归搜索完成特征点图像坐标与网格坐标的对应。仿真图像与实际图像实验证明,改进后的特征点信息提取算法使得IC封装设备可以在不停机、不加入人工干预的情况下完成摄像机在线标定。
　　针对传统二维摄像机标定计算算法系统误差的来源与分布特点,分别提出了一种基于分区域多项式最小二乘拟合的算法和一种基于Delaunay剖分三角形内插值的简化算法。前者相比于传统算法在工业应用环境以及极端图像变形环境下都具有更高的标定计算精度,适用于高端设备,后者在简化了标定计算的实现并在工业应用环境下具有与传统算法相同的标定计算精度,适用于低端设备。IC封装设备应用效果实验证明,上述两种算法的图像校正一致性均不超过1％且坐标转换误差均小于5um。

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1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题的研究背景及意义

1.3 摄像机标定技术研究现状

1.3.1 特征点信息提取算法综述

1.3.2 标定计算算法综述

1.4 全文研究内容安排

1.4.1 主要内容

1.4.2 组织结构

2 MV视觉软件包摄像机标定模块总体设计

2.1 开发工具与技术简介

2.2 摄像机标定模块功能与性能设计

2.2.1 功能模块划分

2.2.2 性能指标设计

2.3 摄像机标定模块软件设计

2.3.1 架构设计

2.3.2 数据流与调用关系设计

2.3.3 数据结构设计

2.3.4 用户接口函数设计

2.4 本章小结

3 基于在线摄像机标定的特征点信息提取算法

3.1 传统算法IC封装设备应用缺陷分析

3.1.1 特征点区域分割算法缺陷

3.2.2 特征点网格坐标计算算法缺陷

3.2 特征点信息提取算法改进

3.2.1 基于面积与相对圆度判断的特征点区域分割算法

3.2.2 基于椭圆方程最小二乘拟合的特征点图像坐标提取算法

3.2.3 基于Delaunay三角剖分的特征点网格坐标对应算法

3.3 实验

3.3.1 特征点图像坐标提取算法精度测试

3.4.2 ACDT算法恶劣图像变形适应性仿真测试

3.5 本章小结

4 二维标定计算算法

4.1 传统算法IC封装设备应用缺陷分析

4.1.1 传统算法简介

4.1.2 传统算法系统误差分析

4.2 二维标定计算算法改进

4.2.1 基于分区域多项式最小二乘拟合的标定计算算法

4.2.2 CFDR算法系统误差分析

4.2.3 基于Delaunay剖分三角形内插值的标定计算算法

4.2.4 CIDT算法系统误差分析

4.3 实验

4.3.1 极端环境和工业应用环境下CFDR算法的精度比较

4.3.2 CFDR算法和CIDT算法图像校正效果测试

4.3.3 CFDR算法和CIDT算法IC封装设备运行模拟实验

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文与申请的专利