LabVIEW實現(xiàn)PCB電路板坐標(biāo)定位（實戰(zhàn)篇—2）

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項目背景

在機(jī)器視覺實際工程實踐中，有時使用NI Vision定義的默認(rèn)坐標(biāo)系進(jìn)行測量控制并不是很直接。例如，檢測目標(biāo)并不總在固定的位置出現(xiàn)，而是在ROI區(qū)域內(nèi)平移或旋轉(zhuǎn)，甚至有些時候必須通過平移、旋轉(zhuǎn)工作面上的檢測目標(biāo)或通過移動相機(jī)，對部件上的幾個不同部位分別進(jìn)行檢測才能完成任務(wù)。

這樣進(jìn)行圖像識別、處理是非常麻煩的，此時就需要對圖像進(jìn)行坐標(biāo)校準(zhǔn)。

使用機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行測控時，各種計算結(jié)果都需要基于坐標(biāo)系來表示。平面坐標(biāo)系可以使用坐標(biāo)原點(Original)、橫軸的角度(Angle)以及縱軸的方向(Axis Direction)來表示。

當(dāng)使用NI Vision提供的VI對所建立的機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，所得到的像素和世界坐標(biāo)之間的映射關(guān)系是建立在默認(rèn)校準(zhǔn)坐標(biāo)系基礎(chǔ)之上的。默認(rèn)情況下NI Vision的系統(tǒng)校準(zhǔn)VI按照以下原則定義校準(zhǔn)坐標(biāo)系：

1、坐標(biāo)原點。若手工輸入一系列校準(zhǔn)點，則坐標(biāo)原點被置于用戶定義的坐標(biāo)原點，通常是兩個方向上坐標(biāo)值均為最小的點中心。若使用校準(zhǔn)點陣，則以左上角點中心為坐標(biāo)原點；

2、橫軸的角度為0。亦即橫軸由點陣首行各點確定的矢量而定；

3、縱軸的方向為間接方向(Indirect)。縱軸方向與笛卡兒直角坐標(biāo)系的縱軸方向(Direct)相反。

下圖給出了NI Vision確定默認(rèn)坐標(biāo)系的示意圖，其中左圖為校準(zhǔn)點陣的世界坐標(biāo)系，右圖為某種可能的圖像像素坐標(biāo)系：

舉個例子，下圖中的3個工件在視場中分別位于不同的位置并且有旋轉(zhuǎn)。為了能準(zhǔn)確測量小孔的位置和大小，可以對每個工件自動檢測其左邊緣和上邊緣，并以它們的交點為坐標(biāo)原點，以上邊緣為x軸，定義間接類型的坐標(biāo)系。這樣一來，雖然每個工件在視場中的位置不同，但合格工件中的小孔相對于每個自動定義的坐標(biāo)系位置具有一致性。如果機(jī)器視覺算法相對于每個自定義的坐標(biāo)系放置檢測小孔的ROI，無論工件如何在視場中變化，都能實現(xiàn)自動檢測，直接返回測量結(jié)果。

為檢測過程自動定義參考坐標(biāo)系

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坐標(biāo)校準(zhǔn)原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)坐標(biāo)校準(zhǔn)有3種方法：

1、角度法

角度法適合沒有畸變且新坐標(biāo)原點仍位于圖像中的機(jī)器視覺系統(tǒng)，它通過設(shè)定新坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點、橫軸與原坐標(biāo)系橫軸之間的旋轉(zhuǎn)角以及新坐標(biāo)系縱軸的方向來設(shè)置新坐標(biāo)，如下圖所示：

2、雙點法

雙點法適合有畸變且可以直接從圖像中確定新坐標(biāo)原點位置的機(jī)器視覺系統(tǒng)。它通過指定新坐標(biāo)原點和一個位于坐標(biāo)系橫軸正方向上的點以及坐標(biāo)系的類型（直接或間接）來設(shè)定新坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點和橫坐標(biāo)上的點所構(gòu)成的直線與圖像水平方向的夾角指明了新坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角。

例如，下圖中A、B兩點確定了坐標(biāo)系的橫軸，且A點為坐標(biāo)原點。由于坐標(biāo)系為間接類型，因此，Y'軸與X'軸夾角為270°。由于在畸變的系統(tǒng)中，當(dāng)被測目標(biāo)沿著水平或垂直方向移動時，仍能相對準(zhǔn)確地確定其上的邊緣，而基于兩個邊緣點就可以確定穩(wěn)定的坐標(biāo)系，所以這種方法比角度法對畸變系統(tǒng)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3、三點法

有時候機(jī)器視覺系統(tǒng)不僅有畸變，而且被測目標(biāo)還會在圖像中平移、旋轉(zhuǎn)。這種情況下可以使用多點法來設(shè)置新坐標(biāo)系。多點法先使用兩個點確定一條坐標(biāo)軸及其方向，但并不將這兩點中的一點作為坐標(biāo)原點，而是用第三點與前兩點所成直線的垂直交點來確定坐標(biāo)原點。獲得坐標(biāo)原點后，再基于坐標(biāo)系的類型，就可確定另一坐標(biāo)軸，如下圖所示：

舉個例子，下圖中（左圖）的坐標(biāo)系以標(biāo)尺1cm處的點為原點，7cm處的兩點作為橫軸正方向上的一點來確定坐標(biāo)系橫軸。由于指定坐標(biāo)系的縱軸為間接方向，因此坐標(biāo)系位置可以被唯一確定。在右圖中很難直接找到合適的坐標(biāo)原點，因此先檢測左側(cè)和頂端的目標(biāo)邊緣，隨后用頂端邊緣線段的起止點AB確定橫軸，而左側(cè)邊緣中的C點或D點與橫軸的垂直交點O為原點，最后根據(jù)縱軸的方向就可以唯一確定坐標(biāo)系。

雙點法和三點法確定坐標(biāo)系

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坐標(biāo)校準(zhǔn)方法

Nl Vision使用IMAQ Set Calibration Axis Info 2函數(shù)為圖像重新設(shè)置坐標(biāo)系。該函數(shù)位于LabVIEW的視覺與運動→Vision Utilities→Calibration函數(shù)選板中，如下圖所示：

函數(shù)說明及使用可參見幫助手冊：

NI Vision使用位于視覺與運動→Machine Vision→Analytic Geometry函數(shù)選板中的IMAQ Build CoordSys(Points)封裝了雙點法和三點法，開發(fā)時可直接根據(jù)目標(biāo)上的特征點，調(diào)用該VI來確定參考或測量坐標(biāo)系，如下圖所示：

具體使用可參見幫助手冊。

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環(huán)境搭建

基礎(chǔ)環(huán)境搭建請參見：LabVIEW軟件、驅(qū)動安裝及編程方法（理論篇—2）

除此之外，還需要安裝：OpenG Libraries驅(qū)動，OpenG庫是由OpenG社區(qū)創(chuàng)建并根據(jù)BSD-3-Clause許可證（獲得Open Source Initiative批準(zhǔn)）共享的數(shù)百個開源VI的集合。

可直接在VI Package Manage中進(jìn)行安裝，如下所示：

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項目實踐

接下來根據(jù)過孔和PCB邊角實現(xiàn)下圖PCB電路板坐標(biāo)定位，達(dá)到無論在任何角度，均可定位PCB的效果。

程序設(shè)計思路如下：

• 程序一開始先使用IMAQ Create分別在內(nèi)存中為電路板一個角的模板圖像（對應(yīng)corner.png圖像文件)、電路板上的小孔模板圖像（對應(yīng)hole.png圖像文件）以及應(yīng)用程序處理過程中需要的臨時緩沖分配空間，并由IMAQ ReadFile把相應(yīng)圖像文件中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。

• 緊接著使用IMAQ Learn Pattern 4對兩個模板的特征進(jìn)行學(xué)習(xí)。

  由于Angle Range參數(shù)被設(shè)置為0~360°，因此，無論目標(biāo)圖像在平面上旋轉(zhuǎn)多少度，函數(shù)都能按照學(xué)習(xí)到的特征準(zhǔn)確地將模板與目標(biāo)匹配。

• IMAQ Set Simple Calibration 2以從文件Roundcard01.tif中讀入的圖像為模板，指定了縱橫兩個方向上像素間距分別代表世界坐標(biāo)中的0.15mm。

  當(dāng)然，此時假定相機(jī)垂直于觀測目標(biāo)，且鏡頭畸變可忽略不計。

• 一旦上述準(zhǔn)備工作就緒，F(xiàn)or循環(huán)就逐一對roundcard文件夾中的各個文件所保存的目標(biāo)圖像進(jìn)行分析。

  在讀入目標(biāo)圖像后，IMAQ Match Pattern 4會先根據(jù)學(xué)習(xí)到的特征匹配電路板的一角。

  Parameters參數(shù)指定了匹配時只需要找到一個目標(biāo)，且假定目標(biāo)圖像相對模板來說只在±45°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

  找到電路板一角后，OverlayPatternMatchingResults會在目標(biāo)圖像中標(biāo)注出所匹配到的電路板一角的中心，并用矩形無損圖層框出匹配結(jié)果。

• 為了能在后續(xù)測試過程中，無論圖像在視場中做何變化，都能直接得到電路板小孔相對于其一角的距離，需要重新設(shè)置以電路板一角為參照的系統(tǒng)校準(zhǔn)坐標(biāo)系。

  IMAQ Set Calibration Info將之前基于RoundCard01.tif中的圖像設(shè)置的校準(zhǔn)信息應(yīng)用到For循環(huán)正在處理的目標(biāo)圖像中。

  IMAQ Set Calibration Axis Info用來重新指定校準(zhǔn)坐標(biāo)系。

  新的坐標(biāo)系原點設(shè)定在所匹配到的電路板一角中心處。

  x軸旋轉(zhuǎn)角度由模板匹配過程中，識別到的目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)角度確定。

  需要注意的是，當(dāng)坐標(biāo)系縱軸設(shè)定為直接坐標(biāo)方向時，x軸相對于默認(rèn)坐標(biāo)系縱橫的旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)值，反之為正值。

• 設(shè)定好新的校準(zhǔn)坐標(biāo)系和校準(zhǔn)信息后，就可以使用IMAQ Match Pattern 4匹配需要在電路板上尋找的小孔位置。

  與之前匹配電路板一角的情況類似，當(dāng)匹配過程找到小孔的位置后，Overlay Coordinate System和Overlay Pattern Matching Results將在圖像中繪制新定義的坐標(biāo)系縱軸和橫軸，標(biāo)記出小孔的位置并框出對小孔的匹配結(jié)果。

  一旦得到小孔在圖像中的位置，就可以依據(jù)校準(zhǔn)信息和像素坐標(biāo)計算得到小孔在校準(zhǔn)坐標(biāo)系中的世界坐標(biāo)。

  這一工作由IMAQ Convert Pixel to Real World來完成。

程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：

下面顯示了對幾個目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測時的圖像顯示情況，以及某一目標(biāo)圖像中測量得到的小孔像素位置坐標(biāo)和其在校準(zhǔn)坐標(biāo)系中的世界坐標(biāo)。