LabVIEW實(shí)現(xiàn)PCB電路板坐標(biāo)定位（實(shí)戰(zhàn)篇—2）

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項(xiàng)目背景

在機(jī)器視覺(jué)實(shí)際工程實(shí)踐中，有時(shí)使用NI Vision定義的默認(rèn)坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量控制并不是很直接。例如，檢測(cè)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(shí)候必須通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)工作面上的檢測(cè)目標(biāo)或通過(guò)移動(dòng)相機(jī)，對(duì)部件上的幾個(gè)不同部位分別進(jìn)行檢測(cè)才能完成任務(wù)。

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

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

當(dāng)使用NI Vision提供的VI對(duì)所建立的機(jī)器視覺(jué)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(diǎn)。若手工輸入一系列校準(zhǔn)點(diǎn)，則坐標(biāo)原點(diǎn)被置于用戶定義的坐標(biāo)原點(diǎn)，通常是兩個(gè)方向上坐標(biāo)值均為最小的點(diǎn)中心。若使用校準(zhǔn)點(diǎn)陣，則以左上角點(diǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)；

2、橫軸的角度為0。亦即橫軸由點(diǎn)陣首行各點(diǎn)確定的矢量而定；

3、縱軸的方向?yàn)殚g接方向(Indirect)?？v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(diǎn)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(gè)例子，下圖中的3個(gè)工件在視場(chǎng)中分別位于不同的位置并且有旋轉(zhuǎn)。為了能準(zhǔn)確測(cè)量小孔的位置和大小，可以對(duì)每個(gè)工件自動(dòng)檢測(cè)其左邊緣和上邊緣，并以它們的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以上邊緣為x軸，定義間接類型的坐標(biāo)系。這樣一來(lái)，雖然每個(gè)工件在視場(chǎng)中的位置不同，但合格工件中的小孔相對(duì)于每個(gè)自動(dòng)定義的坐標(biāo)系位置具有一致性。如果機(jī)器視覺(jué)算法相對(duì)于每個(gè)自定義的坐標(biāo)系放置檢測(cè)小孔的ROI，無(wú)論工件如何在視場(chǎng)中變化，都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，直接返回測(cè)量結(jié)果。

為檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)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(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)校準(zhǔn)有3種方法：

1、角度法

角度法適合沒(méi)有畸變且新坐標(biāo)原點(diǎn)仍位于圖像中的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，它通過(guò)設(shè)定新坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)、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(lái)設(shè)置新坐標(biāo)，如下圖所示：

2、雙點(diǎn)法

雙點(diǎn)法適合有畸變且可以直接從圖像中確定新坐標(biāo)原點(diǎn)位置的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。它通過(guò)指定新坐標(biāo)原點(diǎn)和一個(gè)位于坐標(biāo)系橫軸正方向上的點(diǎn)以及坐標(biāo)系的類型（直接或間接）來(lái)設(shè)定新坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)和橫坐標(biāo)上的點(diǎn)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(diǎn)確定了坐標(biāo)系的橫軸，且A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。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(cè)目標(biāo)沿著水平或垂直方向移動(dòng)時(shí)，仍能相對(duì)準(zhǔn)確地確定其上的邊緣，而基于兩個(gè)邊緣點(diǎn)就可以確定穩(wěn)定的坐標(biāo)系，所以這種方法比角度法對(duì)畸變系統(tǒng)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3、三點(diǎn)法

有時(shí)候機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不僅有畸變，而且被測(cè)目標(biāo)還會(huì)在圖像中平移、旋轉(zhuǎn)。這種情況下可以使用多點(diǎn)法來(lái)設(shè)置新坐標(biāo)系。多點(diǎn)法先使用兩個(gè)點(diǎn)確定一條坐標(biāo)軸及其方向，但并不將這兩點(diǎn)中的一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，而是用第三點(diǎn)與前兩點(diǎn)所成直線的垂直交點(diǎn)來(lái)確定坐標(biāo)原點(diǎn)。獲得坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)例子，下圖中（左圖）的坐標(biāo)系以標(biāo)尺1cm處的點(diǎn)為原點(diǎn)，7cm處的兩點(diǎn)作為橫軸正方向上的一點(diǎn)來(lái)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(diǎn)，因此先檢測(cè)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(diǎn)AB確定橫軸，而左側(cè)邊緣中的C點(diǎn)或D點(diǎn)與橫軸的垂直交點(diǎn)O為原點(diǎn)，最后根據(jù)縱軸的方向就可以唯一確定坐標(biāo)系。

雙點(diǎn)法和三點(diǎn)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(jué)與運(yùn)動(dòng)→Vision Utilities→Calibration函數(shù)選板中，如下圖所示：

函數(shù)說(shuō)明及使用可參見(jiàn)幫助手冊(cè)：

NI Vision使用位于視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Analytic Geometry函數(shù)選板中的IMAQ Build CoordSys(Points)封裝了雙點(diǎn)法和三點(diǎn)法，開(kāi)發(fā)時(shí)可直接根據(jù)目標(biāo)上的特征點(diǎn)，調(diào)用該VI來(lái)確定參考或測(cè)量坐標(biāo)系，如下圖所示：

具體使用可參見(jiàn)幫助手冊(cè)。

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環(huán)境搭建

基礎(chǔ)環(huán)境搭建請(qǐng)參見(jiàn)：LabVIEW軟件、驅(qū)動(dòng)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(dòng)，OpenG庫(kù)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(gè)開(kāi)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(xiàng)目實(shí)踐

接下來(lái)根據(jù)過(guò)孔和PCB邊角實(shí)現(xiàn)下圖PCB電路板坐標(biāo)定位，達(dá)到無(wú)論在任何角度，均可定位PCB的效果。

程序設(shè)計(jì)思路如下：

• 程序一開(kāi)始先使用IMAQ Create分別在內(nèi)存中為電路板一個(gè)角的模板圖像（對(duì)應(yīng)corner.png圖像文件)、電路板上的小孔模板圖像（對(duì)應(yīng)hole.png圖像文件）以及應(yīng)用程序處理過(guò)程中需要的臨時(shí)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(duì)兩個(gè)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(wú)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(gè)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(shí)假定相機(jī)垂直于觀測(cè)目標(biāo)，且鏡頭畸變可忽略不計(jì)。

• 一旦上述準(zhǔn)備工作就緒，F(xiàn)or循環(huán)就逐一對(duì)roundcard文件夾中的各個(gè)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(huì)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(shí)只需要找到一個(gè)目標(biāo)，且假定目標(biāo)圖像相對(duì)模板來(lái)說(shuō)只在±45°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

  找到電路板一角后，OverlayPatternMatchingResults會(huì)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(wú)損圖層框出匹配結(jié)果。

• 為了能在后續(xù)測(cè)試過(guò)程中，無(wú)論圖像在視場(chǎng)中做何變化，都能直接得到電路板小孔相對(duì)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(lái)重新指定校準(zhǔn)坐標(biāo)系。

  新的坐標(biāo)系原點(diǎn)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(guò)程中，識(shí)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(shí)，x軸相對(duì)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(guò)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(duì)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(jì)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(lái)完成。

程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：

下面顯示了對(duì)幾個(gè)目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的圖像顯示情況，以及某一目標(biāo)圖像中測(cè)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)。