Halcon学习笔记：Halcon标定步骤-3d

Halcon标定步骤

1.设置相机内部参数的初始值

StartCamPar := [0.016,0,0.0000074,0.0000074,326,247,652,494]
set_calib_data_cam_param (CalibDataID, 0, ‘area_scan_division’, StartCamPar)

1.1 相机型号

（1）面阵
（2）线阵

1.2 参数设置（这里只讲面阵相机）

（1）Division 畸变模型
CameraParam:[Focus, Kappa, Sx, Sy, Cx, Cy, ImageWidth, ImageHeight]
（2）Polynomial 畸变模型
CameraParam:[Focus, K1, K2, K3, P1, P2, Sx, Sy, Cx, Cy, ImageWidth, ImageHeight]
注：当镜头为远心镜头时，Focus=0；

1.3 畸变类型的选择

Division 畸变模型只适用于精度要求不是很高，标定图片数量较少的情况；Polynomial 畸变模型对镜像
畸变和切向畸变都校正，精度较高，花费时间长。

1.4 标定时个参数值的确定技巧

Focus f:镜头的标称焦距,( e.g, 0.016 m；对于远心镜头为0。）
κ: 一般去0.0

Or:

K1, K2, K3,P1, P2:可全部初始化为0
Sx: 由CCD\CMOS确定建议取值如下:
Full image (640480) Subsampling (320240)
1/3"-Chip 0.0000055 m 0.0000110 m
1/2"-Chip 0.0000086 m 0.0000172 m
2/3"-Chip 0.0000110 m 0.0000220 m
Sy: 由CCD\CMOS确定建议取值如下:
for example:
Full image (640480) Subsampling (320240)
1/3"-Chip 0.0000055 m 0.0000110 m
1/2"-Chip 0.0000086 m 0.0000172 m
2/3"-Chip 0.0000110 m 0.0000220 m
Cx and Cy: 光心坐标初始值，建议取值如下:
for example:
Full image (640480) Subsampling (320240)
Cx 320.0 160.0
Cy 240.0 120.0
ImageWidth，ImageHeight:有实际图片大小来初始化该值
for example:
Full image (640480) Subsampling (320240)
ImageWidth 640 320
ImageHeight 480 240

2.标定板初始化

    CaltabName := 'caltab_30mm.descr'//标定板描述文件set_calib_data_calib_object (CalibDataID, 0, CaltabName)

3.创建数据模型

 create_calib_data ('calibration_object', 1, 1, CalibDataID）

4.获取标定图片

相机拍摄不同位姿下图片8-15张，拍摄图片时标定板尽量覆盖整个视场（标定板要根据工作距离、视场大小定制）；拍摄图片上的圆直径不得小于10个像素

#### 5.加载所有图像，寻找标定板区域，确定圆心，将结果加载到组元中

for I := 1 to NumImages by 1
... acquire image ...（获取图像）
find_caltab (Image, Caltab, CaltabName, SizeGauss, MarkThresh, MinDiamMarks)
find_marks_and_pose (Image, Caltab, CaltabName, StartCamPar, StartThresh, \DeltaThresh, MinThresh, Alpha, MinContLength, MaxDiamMarks, RCoord, CCoord, StartPose)// 从标定数据模型中获取基于点的观测数据（49个点的坐标，索引，粗略估计被测校准物体相对于被测相机的姿态）
set_calib_data_observ_points (CalibDataID, 0, 0, I, RCoord, CCoord, 'all', StartPose)
endfor

下面将Halcon中提取目标点的大致原理说一下：

首先find_caltab 算子对图像高斯滤波（核大小为SizeGauss），接着阈值分割（与之大小为MarkThresh）将标定板的区域找出来， find_marks_and_pose 算子对区域中的圆进行分割，找到圆的个数，周长，坐标位置等应该和标定板描述文件中的一致，否则会自动调整StartThresh，使得StartThresh按照DeltaThresh步长减小到MinThresh，直到找到准确的圆心。

6.有了所有图像中的圆心就可以标定了

* 返回平均投影误差Errorscalibrate_cameras (CalibDataID, Errors)

7.示例：3d_coordinates 测量世界坐标中的倾斜物体

本地函数： get_measure_positions
(Image : PlateRegion : CalibDataID, PoseIndex : Distance, Phi, RowCenter, ColumnCenter)

** 提取标定板（二值化、计算连通量、利用形状特征选择区域，填充空洞）
* 形状特征有：每个连通区域的孔数；最小包围矩形长度的一半；最小的包围矩形的宽度的一半
threshold (Image, Region, 0, 120)
connection (Region, ConnectedRegions)
select_shape (ConnectedRegions, SelectedRegions, ['holes_num','rect2_len1','rect2_len2'], 'and', [1,120,120], [1,200,200])
fill_up (SelectedRegions, PlateRegion)
*
** 从table（标定板表盘）的边框构造测量矩形:
* 生成区域XLD轮廓
* 计算XLD轮廓的“回归线”的参数
gen_contour_region_xld (PlateRegion, Contours, 'center')
segment_contours_xld (Contours, ContoursSplit, 'lines', 7, 4, 2)
regress_contours_xld (ContoursSplit, RegressContours, 'no', 1)
* 获取两边的垂直边框线（4选2）
select_contours_xld (RegressContours, VerticalContours, 'direction', rad(45), rad(135), -0.5, 0.5)
select_contours_xld (VerticalContours, LongContours, 'length', 150, 500, -0.5, 0.5)
*
** 测量线由table的两个垂直边框线的中心点构成：
* 从对象数组中的选择对象（2选1）
* 获得XLD轮廓所有坐标
select_obj (LongContours, Contour, 1)
get_contour_xld (Contour, Rows, Columns)
RowBegin1 := Rows[0]
ColBegin1 := Columns[0]
RowEnd1 := Rows[|Rows| - 1]
ColEnd1 := Columns[|Columns| - 1]
select_obj (LongContours, Contour, 2)
get_contour_xld (Contour, Rows, Columns)
RowBegin2 := Rows[0]
ColBegin2 := Columns[0]
RowEnd2 := Rows[|Rows| - 1]
ColEnd2 := Columns[|Columns| - 1]
*
** 现在在图像中进行实际测量：
*从标定数据模型中获取基于点的观测数据（第21个点和第28个点的坐标）
get_calib_data_observ_points (CalibDataID, 0, 0, PoseIndex - 1, Row, Column, PoseIndex, _Pose)
Row1 := Row[find(PoseIndex,21)]
Row2 := Row[find(PoseIndex,27)]
Column1 := Column[find(PoseIndex,21)]
Column2 := Column[find(PoseIndex,27)]
* 计算两条直线的交点（边框垂直边和标定板第21个点和第28个点的连接线的角点）
* 计算两个点的距离
* 直线的方向
intersection_lines (Row1, Column1, Row2, Column2, RowBegin1, ColBegin1, RowEnd1, ColEnd1, RowA, ColA, IsOverlapping)
intersection_lines (Row1, Column1, Row2, Column2, RowBegin2, ColBegin2, RowEnd2, ColEnd2, RowB, ColB, IsOverlapping)
distance_pp (RowA, ColA, RowB, ColB, Distance)
line_orientation (RowA, ColA, RowB, ColB, Phi)
RowCenter := (RowA + RowB) / 2
ColumnCenter := (ColA + ColB) / 2
return ()

主函数 main

*
* 1.初始化程序
dev_close_window ()
dev_open_window (0, 0, 768, 576, 'black', WindowHandle)
dev_update_off ()
dev_set_draw ('margin')
dev_set_line_width (3)
set_display_font (WindowHandle, 14, 'mono', 'true', 'false')
*
* 2.标定相机
* 为一个区域扫描相机生成一个相机参数数组，该参数数组设置为面阵相机的Division畸变模型模板：
* CameraParam:[Focus, Kappa, Sx, Sy, Cx, Cy, ImageWidth, ImageHeight]
CalTabDescrFile := 'caltab_big.descr'
gen_cam_par_area_scan_division (0.008, 0, 0.0000086, 0.0000086, 384, 288, 768, 576, StartCamPar)
* 创建haclon 标定数据模型（'calibration_object'为标定设置类型，CalibDataID 数据模型的句柄 ）
* 在标定数据模型中设置相机的类型和初始参数（StartCamPar 为初始参数）
* 定义在标定模型中的标定对象（CalTabDescrFile 描述文件名）
create_calib_data ('calibration_object', 1, 1, CalibDataID)
set_calib_data_cam_param (CalibDataID, 0, [], StartCamPar)
set_calib_data_calib_object (CalibDataID, 0, CalTabDescrFile)
*
* 3.采图
NumImages := 10
for I := 1 to NumImages by 1read_image (Image, 'calib/calib-3d-coord-' + I$'02d')dev_display (Image)Message := 'Find calibration plate in\nall calibration images (' + I + '/' + NumImages + ')'disp_message (WindowHandle, Message, 'window', 12, 12, 'black', 'true')
***** 找到halcon 标定板，并在标定数据模型中设置提取的点和轮廓 ******find_calib_object (Image, CalibDataID, 0, 0, I - 1, [], [])* 从标定数据模型中查询存储或计算的数据（O号相机数据，项目类型-'init_params'表示初始相机内部参数，StartCamPar 初始化数据）* 从标定数据模型中获取基于点的观测数据（49个点的坐标，索引，粗略估计“被测校准物体（标定板）”相对于被测相机的姿态）* 从校准数据模型中获取基于轮廓的观测数据（标定板轮廓，所观察到的校准对象位姿的索引）get_calib_data (CalibDataID, 'camera', 0, 'init_params', StartCamPar)get_calib_data_observ_points (CalibDataID, 0, 0, I - 1, Row, Column, Index, Pose)get_calib_data_observ_contours (Contours, CalibDataID, 'caltab', 0, 0, I - 1)* 标出圆形坐标点-画叉gen_cross_contour_xld (Cross, Row, Column, 6, 0.785398)dev_set_color ('green')dev_display (Contours)dev_set_color ('yellow')dev_display (Cross)
endfor
disp_continue_message (WindowHandle, 'black', 'true')
stop ()
*
*** 通过同时最小化处理 确定所有相机参数（Error：优化的反投影均方根误差(RMSE)）***
calibrate_cameras (CalibDataID, Error)
* 从标定数据模型中查询存储或计算的数据（0号相机的数据，项目类型-'params'表示优化后的相机内部参数，CamParam 输出数据）
get_calib_data (CalibDataID, 'camera', 0, 'params', CamParam)
*
******** 4.Perform measurements 验证（1D 尺寸测量） ********
*
for I := 1 to NumImages by 1read_image (Image, 'calib/calib-3d-coord-' + I$'02d')* ** 一、现在，测量标定板的黑边的长度：* I-索引号; PlateRegion-标定板区域；Distance-垂直边框的距离；* Phi-公垂线的方向；RowCenter/ColumnCenter-table中心点坐标;* 生成一个矩形的XLD轮廓。get_measure_positions (Image, PlateRegion, CalibDataID, I, Distance, Phi, RowCenter, ColumnCenter)gen_rectangle2_contour_xld (Rectangle, RowCenter, ColumnCenter, Phi, Distance * 0.52, 8)*** 二、一维尺寸测量:* 1.设置测量区域:准备提取垂直于矩形的直边（MeasureHandle——测量矩形对象句柄）* 2.找寻你设定检测区域内的边缘:提取垂直于矩形或环形弧的直边* （Amplitude-指定的是一个缩放，通过边界的坐标加上缩放的计算，可以计算出确切的距离就存在Distance里）* 3.删除一个测量对象gen_measure_rectangle2 (RowCenter, ColumnCenter, Phi, Distance * 0.52, 8, 768, 576, 'nearest_neighbor', MeasureHandle) measure_pos (Image, MeasureHandle, 1, 40, 'all', 'all', RowEdge, ColumnEdge, Amplitude, Distance1)close_measure (MeasureHandle)Rows := [RowEdge[0],RowEdge[|RowEdge| - 1]]Columns := [ColumnEdge[0],ColumnEdge[|RowEdge| - 1]]gen_cross_contour_xld (Cross, Rows, Columns, 16, Phi)*** 三、转换坐标：(相机坐标系->世界坐标系的转化)* 查询标定数据（所有标定对象的总体姿态或特定的标定对象姿态的数据 * 通过选择DataName中的以下参数，您可以查询在由calibrate_cameras执行标定期间，* 哪些标定对象位姿参数得到了(或已经得到了)优化）* 'pose'——优化标定对象位姿，相对于当前参考相机get_calib_data (CalibDataID, 'calib_obj_pose', [0,I - 1], 'pose', Pose)* 将两个边界点转换为世界坐标系* 计算两点的距离image_points_to_world_plane (CamParam, Pose, Rows, Columns, 'm', SX, SY)distance_pp (SY[0], SX[0], SY[1], SX[1], Width)* ** 四、显示宽度测量结果dev_display (Image)dev_set_color ('white')dev_set_line_width (3)dev_display (Rectangle)dev_set_color ('green')dev_set_draw ('fill')dev_set_line_width (2)dev_display (Cross)dev_set_draw ('margin')* 宽度显示disp_message (WindowHandle, 'Width = ' + (Width * 100)$'8.3f' + 'cm', 'window', 12, 12, 'black', 'true')disp_continue_message (WindowHandle, 'black', 'true')stop ()* ** 五、现在，测量标定标记（标定板上的标定点）的大小 * 提取图像中的椭圆erosion_circle (PlateRegion, ROI, 17.5)reduce_domain (Image, ROI, ImageReduced)*使用Deriche, Lanser, Shen或Canny过滤器提取亚像素精确的边缘edges_sub_pix (ImageReduced, Edges, 'canny', 1, 20, 60)select_contours_xld (Edges, SelectedEdges, 'contour_length', 20, 99999999, -0.5, 0.5)* Fit ellipses to extracted edges 将椭圆匹配到提取的边缘* 由椭圆或椭圆弧构成的近似的XLD轮廓（输出椭圆参数）fit_ellipse_contour_xld (SelectedEdges, 'fitzgibbon', -1, 2, 0, 200, 3, 2, Row, Column, Phi, Radius1, Radius2, StartPhi, EndPhi, PointOrder)MeanRadius1 := mean(Radius1)MeanRadius2 := mean(Radius2)DevRadius1 := deviation(Radius1)DevRadius2 := deviation(Radius2)** 将椭圆转换为世界坐标，它们应该是圆，并将圆从米转换为毫米，这样我们就可以看到它们。contour_to_world_plane_xld (SelectedEdges, WorldCircles, CamParam, Pose, 'mm')* Fit ellipses to the circles in world coordinates 在世界坐标中将椭圆与圆匹配fit_ellipse_contour_xld (WorldCircles, 'fitzgibbon', -1, 2, 0, 200, 3, 2, Row, Column, Phi, RadiusW1, RadiusW2, StartPhi, EndPhi, PointOrder)MeanRadiusW1 := mean(RadiusW1)MeanRadiusW2 := mean(RadiusW2)DevRadiusW1 := deviation(RadiusW1)DevRadiusW2 := deviation(RadiusW2)* * 显示椭圆测量结果dev_display (Image)dev_set_color ('yellow')dev_set_line_width (3)dev_display (SelectedEdges)Message := 'Measured dimensions of the ellipses'Message[0] := '                    Mean Radius1; Mean Radius2; (Standard deviations [%])'Message[1] := 'Image coordinates:       ' + MeanRadius1$'5.2f' + 'px; ' + MeanRadius2$'5.2f' + 'px            (' + (DevRadius1 / MeanRadius1 * 100)$'4.2f' + ', ' + (DevRadius2 / MeanRadius2 * 100)$'4.2f' + ')'Message[2] := 'World coordinates:       ' + (MeanRadiusW1 / 10)$'5.2f' + 'cm; ' + (MeanRadiusW2 / 10)$'5.2f' + 'cm            (' + (DevRadiusW1 / MeanRadiusW1 * 100)$'4.2f' + ', ' + (DevRadiusW2 / MeanRadiusW2 * 100)$'4.2f' + ')'disp_message (WindowHandle, Message, 'window', 12, 12, 'black', 'true')if (I < 10)disp_continue_message (WindowHandle, 'black', 'true')stop ()endif
endfor
clear_calib_data (CalibDataID)

结果：
1.read_image

2.find_calib_object 填充标定数据模型

3.calibrate_cameras (CalibDataID, Error) 矫正所有相机参数

4.验证相机标定结果：通过 1D mesuring

1）get_measure_positions 找到需要测量区域的位姿（位置和方向）
2）gen_measure_rectangle2 设置测量区域
3）measure_pos 找寻你设定检测区域内的边缘：提取垂直于矩形的所有直边
4）image_points_to_world_plane 转换坐标：(相机坐标系->世界坐标系的转化)

5）测量标记点的大小：
Radius1 ,Radius2 椭圆长短半径

8.参考算子介绍

HALCON 1D Measure 算子初识
一维测量中measure_pos和measure_pairs算子