TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4808 ~ 4 8 1 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.552 6          4808     Re cei v ed  De cem ber 3 0 , 2013; Re vi sed  March 14, 20 14; Accepted  March 28, 20 14   Hard-Disk Stereo Vision Measurement System  Calibration Using Light Plane Constraint      Rui-Yin Tan g , Peng-Fei  Li*  Coll eg e of Elec trical Eng i ne eri ng, Heb e i U n ited  Un iversit y , 46  Xin h u a  Roa d T angsha n, 0 630 09,C h in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 1481 02 776 @ qq.com       A b st r a ct   T h is pap er pro pose d  a cal i bra t ion metho d  of s heet-of-l i ght vi sion  me asure m e n t sensor b a sed o n   light p l an e con s traint. T h roug h capturi ng 1 2  imag es  of different directi on from h o m e m ade  circular  calibr a tio n  targ et, the center o f  the circle and  the  lig ht stripe i s  extracted bas ed on H a lc on p l atform of  Germa n y. T he exper imenta l  results obta i n e d  the intr insic p a r ameters, extrinsic par a m eter s and rad i al  distortio n  coeffi cient of the no nlin ear  mo del.  At the same ti me th e lig ht  pla ne constra i nt e quati on is g o base d  on PCA  pla ne fitting  me thod. T he resu l t s show  t hat th e cali bratio n method is si mple  and rel i ab le,  and the  met h o d  does n o t nee d any aux ili ary adj ustment. T he w o rk laid the  better foun dati on for hard  dis k   pla nen ess visi on meas ure m e n t.    Ke y w ords li g h t plan e constr aint, lin e she e t-of-lig ht sensor,  calibr a tion     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  In planen ess  measurement  with pa rticul ar ap plication  for co mpute r  hard - di sk  su rface at  a foreign - fou nded ente r p r i s e in Singa p o re, the  req u e sts o n  the planen ess me asu r em ent of the   hard - di sk su rface is ve ry high to re alize ze ro  waste  prod uctio n . On the ba si s of our previous  study in  ord e r to i m prove the  accu racy of m e a s ureme n t sy stem, on  th e condition s of  laboratory, we determin e  to use line sheet-of - light vision mea s u r eme n t syste m  to detect the   plane ne ss of  the hard di sk. The mea s ured obje c t is  h a rd -di sk  surfa c e of com put er; see Fi gure 1.  On the an alysis of the ma thematical m odel of  the li ne sh eet-of-li ght vision me asu r em ent, it is  key to dete r mine suitable  calib ration  method a nd  calib ration  pa ramete rs. T h e pap er i s  m a inly  studie d  the calibratio n  me thod of the line she e t-of -li ght vision se nso r s o n  ba se of light plane   con s trai nt. Halco n , po we rful platform  fo r imag e p r o c essing  algo rit h m, is  used t o  dete r mine  the   came ra p a ra meters (both i n terio r  and ex terior p a ra me ters) and light  plane pa ram e ters, to lay the  foundatio n for the application of the hard di sk plan en ess vision me asu r ing  syste m         Figure 1. Measu r ed O b je ct: Hard-disk o f  Compute r       2. Sheet-of-light Vision Measur e ment  Principle  The me asure m ent pri n ci pl e of structu r e d  light  is to  g enerate a thin  luminou straight line   by a laser lin e proj ecto r a nd proje c t ont o the surfa c e  of the obje c that is to be   measured. T hen,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hard-Di sk Stereo Vi sion M easurem ent  System  Ca lib ration Usin g Light Plane…  (Rui -Yin Tan g 4809 the strip e  im age mo dulat ed by the ob ject heig h is formed in  camera. As shown in Fig u r e 2,  c c c c z y x o  is cam e ra  coordi nate sy stem, and defi ne it is the world  coo r din a t e( w w w w z y x o system of th e hard - di sk measured sy stem. Point  c O  is ce nter of p e rs pe ctive projectio n c c z o optical  axis  o f  came ra i i i y x o is image co ordi nate system,   wh ere   i o is int e rsection poi n betwe en opti c al axis c c z o  and i m age pla ne.  Dista n ce bet wee n  point  i o  and  c o  is focal l ength.  Linea r st ruct ured li ght la ser p r oje c ts li ght plane, th e 3D  coo r di n a te of  P  on th e light plan is ) , , ( c c c C z y x P , of cause, it is on the su rface  of obje c t. The point   P  is proje c ted  throug h the  proje c tion  ce nter of  the le ns to  the  poin t   ' P  in the  imag e pla ne. Th points,  su ch   as P , depe nd   on the h e ight  of the obje c t ,  thus, if the  obje c onto  whi c h the l a ser line i s   proj ected  differs  in   height, the lin e is not ima g ed a s  a st rai ght line but repre s e n ts a  pro le of the  obje c t. Usin g  this  pro le, we ca n obtain the  h e ight differe n c e s  of the obj ect. In ord e r t o  get many th e obje c t heig h pro le s, the object shoul d be mo ved by a scanni ng sy stem.       Figure 2. Sheet-of-lig ht Vision Mea s u r em ent Princi ple       2.1. Nonlinear Camera Models   The tran sformations from  the pixel  co ordin a tes to t he  worl coo r dinate  sy ste m  ca n b e   expre s sed m a thematically as:     0 0 1 0 00 0 1 00 0 0 01 10 0 1 0 1 00 1 w w c w u X dx uf Rt Y Zv v f Z dy                    = 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 w w w y x Z Y X t R v a u a              ( 1 )     Her e , /, / xy a f dx a f d y  After the p r oj ection  to the  i m age  plan e,  l ens di stortion cau s e  the  coordi nate s   T v u ) , (  to   be mo dified.  This i s  a t r an sform a tion th at can  be m odele d  in the  image  plan e  alone, i.e. ,3 informatio n is unne ce ssary .  For mo st le nse s , t he di st ortion  can  be  approximated  sufficie n tly well  by a radial di stortion, give n by:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4808 – 4 813   4810 v u v u k v u ) ( 4 1 1 2 ~ ~ 2 2                                      (2)    Therefore,  camera imagi ng mod e l in clude s 6 extri n si c pa ram e ters ( z y x t t t , , , , , and 6 int r insi c pa ram e ters  ( 0 0 , , , , , v u d d k f y x ). Togethe r re pre s ente d   by vector  ) , , , , , , , , , , , ( 0 0 z y x y x t t t v u d d k f c . Coo r din a tes of  calib rating  point s in  3 D   spa c e  a r i M Proje c tion coordi nate s  o b tained th ro ugh the  ca mera m odel  are ) , ( c M i , coordi nates of   calib ration p o ints extra c t ed from 2 D   image s are i m Then, the  ca mera p a ram e ters  ca n be  determi ned b y  minimizing  the distan ce   of the extract ed mark cent ers  i m  and thei r proj ectio n ) , ( c M i   k i i i c M m c d 1 2 min ) , ( ) (                                        (3)    Her e mn k  is the numbe r of cal i bration m a rks.    2.2. Light Plane Equa tion  By above ma thematical  m odel of  stru ct ured  light vi si on me asurin g sy stem lig ht plane   proje c ted  by  optical  p r oje c tor a nd th e m easure d   o b j ec s u r f ac e in te r s e c t a n d  for m   c h ar ac te r i s t ic  light st ripe.  An arbitra r point in  characteri st ic  stri pe  can  be  e x presse d by   a ray an d o p t ical  plane. T he im age  coo r din a tes in  ca mera  image  plane   of the feature  points  on th e  light stri pe  can   be obtai ned  by image p r oce s sing. According to   th e ca mera m odel, a featu r e poi nt’s im age   coo r din a tes  corre s p ond only the ray  throug h the  came ra  opti c al  cente r , that is it can  be  obtaine d the 3D came ra coordi nate s  e quation of  th e ray. If we can obtain the  equation of t he  light plane i n   the cam e ra coordi nate  system, t he ray  equatio n and  the light pla ne eq uation  can   only determi ne the 3 D   co ordin a tes i n  the came ra   coordi nate of t he feature p o int on the li ght  stripe.   The light plan e equatio n in the  w w w W z y x O  coo r dinat es can expre s sed:     0 w w w w w w w d z c y b x a                                     (4)      3. Calibratio n  Process  Design         Figure 3. Cali bration Bo ard  and Specifi c  Dimen s io ns    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hard-Di sk Stereo Vi sion M easurem ent  System  Ca lib ration Usin g Light Plane…  (Rui -Yin Tan g 4811 Calib ration  m e thod thi s  pa per  re sea r ch ed choo se s o ne pla ne  circular ta rget. Resp ect to   the ang ular  p o int extra c ting of the che s sbo a rd,  cente r  extra c ting al gorithm  ha s strong  anti-n o i s e   ability, the al gorithm  is si mple  and fast . The  cali brati on board an d specifi c  dim ensi o ns i s   shown  in Figure 3.  Definiting the  world  coo r di nate system  origin i s  at the cente r  of the ce ntral of the   board,  z axial is verti c al to  the  calib ration  boa rd  up ward, co ordi nate  dire ction  ca n be  uni quel determi ned b y  the black b o x in the triangle at the upp er left corner.   The sp ecifi c  algorith m  and  the steps a r e  as follows   (1) Collect  set of im age s of th e targe t  at  variou s p o sition s, see  Figure  4. Of cou r se,  the target fea t ure point s sh ould be lo cat ed in the cam e ra view field.            Figure 4. Coll ect a Set Vari ous Po sition’ s Image s of the Target       (2) Extra c t the edge of ci rcular of the tar get usin g Ca nny operator,  get the edge  of sub- pixel pre c isi o n, and then e x tract circul ar tar get co ntou r and fit ellipse usin g the al gebraic  distance least  square  ellipse fitting algori t hm;  (3) Ba sed o n  elliptic minim u m circum scribed qu adril ateral cente r  co ordin a tes, det ermin e   the corre s p o n d ing rel a tion  betwe en calib rating poi nt and proj ectio n  image; se e Fi gure 5.           Figure 5. Extract Edge an d  Center  Coo r dinate s       (4)  Dete rmin e the inte rnal  and exte rnal  para m eters ) , , , , , , , , , , , ( 0 0 z y x y x t t t v u d d k f . The  came ra  calibration  co rre sp ond s to  an  o p timization  of  the inte rn al  para m eters a nd the  po se s of  the cam e ra and of the calibratio n  obj ects' po se such that the  back p r oje c ti on of cali brat ion  obje c t feature point s into  the mod e led  came ra s fits   the actu al ob serve d  p r oje c tions a s   well  a s   possibl e. Not e  that the optimizat ion needs an initial estimate for  the internal  c a mera parameters .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4808 – 4 813   4812 (5) Extra c t e a c h a r ticl e opti c al featu r p o ints o n  the  referen c e  targ et image s, u s ing the   came ra inte rnal paramete r s a nd the ta rget plan e eq uation in ca mera  coo r din a te; calculate  the   coo r din a tes  o f  each  point  of the light st ripe in th e ca mera  co ordi n a te syste m . Fit the light pla n e   usin g PCA algorithm of so  many points.  At la st, we ca n obtain the light plane eq u a tion unde r th e   con d ition  of  t he came ra coordi nate system.  PC A al gorithm  u s e s  simpl e   statistics  and  matrix  operation s , don’t have to  solve the  partial derivatives of the equati on. So , it  is more  simp le,   stable and rel i able  tha n   the   least squ a re method  .Ass u m ing that the  N light p o ints  coo r din a tes i n   came ra  coo r dinate sy ste m  are  ( ci x , ci y , ci z ), the cente r   coo r dinate s  are  ,, ci c i ci x yz , by th e   covari an ce fo rmula:        1 1 co v , 1 N c i ci ci ci i x yx x y y N         ( 5 )     Covari an ce  matrix can b e  con s tru c ted:         c o v, c o v, c o v, c o v, c o v, c o v, c o v, c o v, c o v , x xx y x z yx y y y z zx z y z z      C        ( 6 )     (6) Solve th e eige nvalue  and ei genv ector  of C,  and find th e  smalle st ei genvalu e   corre s p ondin g  to the  eige nvector,  nam ely to fit  plan e no rmal ve ctor (a, b,  c),  and ta ke  ce n t er  coo r din a tes i n to the light plane eq uation  axc + byc  czc + d  = 0, the four th  co mpone nt d in the  plane e quatio n can b e  dete r mine d.      4. Calibratio n  Experimen t s and  Resul t s   Acco rdi ng to the measure prin ciple of  li ne stru ctu r ed  light vision sensor we de sign ed a   line st ructu r e d  light visio n   sen s o r , the real obj ec t i s   sho w n i n  Fig u re  6. Image  pixels of  cam e ra   are 640 (h )x4 80(vXCCIR), pixel  si ze  i s  7.8 7.9 m .Laser  line p r oje c tor is  semi co nd uctor red   light lase r, its wavelength i s  650 nm , line width is less than 1mm. The  position an d  orientation   of the project o r with re sp e c t to the camera a r e fixed. Figure 6 is for the designed calibration   target obje c ts. Using the fi xed point pro v ided by t he target, we  cali brate the line  stru cture d  lig ht  vision se nsor by above method, t he results are  sho w n in Table 1 to Table 3. Th e averag e error  is 0.023m m.          Figure 6. Rea l  Object of Lin e   Structu r ed  Light Vision S ensor        Table 1. Intrin sic Pa ramete rs of Came ra   f   k   x d y d 0 u 0 v   8.66973   -1467.08   7.88398  7.9 307.073   222.719   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Hard-Di sk Stereo Vi sion M easurem ent  System  Ca lib ration Usin g Light Plane…  (Rui -Yin Tan g 4813 Table 2. Extrinsi c Param e ters of  Came ra  X   Y   Z     40.6145  10.6715   922.203  14.5302   354.384   348.57       Table 3. Light  Plane Param e ters  a b  0.48502  0.09012   0.83951   81.251       5. Measurem e nt Accur a c y   Ev aluation Test  Measuri ng a c curacy of th line structu r e d  li ght visio n   measurement  system i s  ev aluated  based on sta ndard height  value  of ha rd   disk  su rfa c provide d  by   manufa c turer. Table  4  sh o w the co mpa r ison bet wee n  standard h e ig ht value an measure hei g h t value. It ca n be  see n  fro m   Table  4, the  measure a c cura cy of the   calib rate d  structured li ght  measur ement  system  is le ss  than 0.023m m, and root -mean -squa re  erro r (RMSE )   is ab out 0.0 1795m m, whi c h me ets full y th e   requi rem ents  of compute r  h a rd di sk pl an ene ss me asu r eme n t.      Table 4. Mea s ureme n t Accura cy Evaluation Test  Data   Measure point   Measure height v a lue (mm)   Standard height  value (mm)   Error  (mm)   P1 23.398   23.442   -0.044   P2 4.225   4.201   0.024   P3 23.396   23.420   -0.024   P4 21.701   21.611   0.09  P5 9.403   9.418   -0.015   P6 16.518   16.551   -0.033   P7 8.497   8.507   -0.01   P8 6.334   6.313   0.021   P9 6.345   6.317   0.028   P10 23.428   23.446   -0.018   RMSE 0.037618       6. Conclusio n   Based  on th e accu ra cy requireme nt o f  t he hard  di sk  plan ene ss visual me asurem ent  system,  thi s  pape r pro p o s ed  a  calib rati on  m e thod   of  line  structu r ed lig ht visio n  me asure m en sen s o r  b a se d on li ght pl ane  con s trai nt. Combi n in g with  Hal c o n  software  we can  compl e te   quickly the camera calib ra tion of internal par am eters and extern al param eters, and pa ram e ters  of the light plane. And do  not need a n y auxiliary  adju s tment, calib ration p r oce s s is sim p le,  reliabl e and  suitabl e for field cali bratio n, and the  work lai d  the b e tter foundati on for ha rd d i sk  plane ne ss visual mea s u r e m ent.      Ackn o w l e dg ements   This work is  suppo rted by Nation al Natu ra l Scie nce Found ation of Chin a (No. 51105 273 ).      Referen ces   [1]  Rui-Yi n T ang, Z hou-Mo Z e ng , Hong-K un H e , Z h i- Kun  Ch en. Pla n e ness  Measur ement  of Comp ute r   Hard-d isk S u rface B a se d o n  Opto-Mech atronics  T e chnol og y.  Intern atio nal  Jour na l of  Auto mati o n   T e chno logy . 2 013; 3; P17 1 -1 75.   [2]  Guang-J un Z h ang. Visi on me asurem ent. Science Press. 2 0 08.   [3]  Carsten Steg e r , Markus Ulri c h. Machin e Visio n  Algor ith m s and App l i c ation. T s ingh ua Un iversit y   Press. 2008.   [4]  Dua n  F a j i e, L i u F e n g mei, Y e  She ngh ua. A  ne w   a ccur a te  method  for the  cali brati on  of l i ne struct ure d   light se nsor.  C h in ese Jo urna l Scienc e an d Instrume nt . 200 0 ;  21(1): 108-1 1 3 [5]  Z H ANG Z hen g - y o u. A fle x ib l e  n e w  tec hni q ue for c a mer a  cali brati on.  IEEE Transactions on Pattern  Analys is and M a chi ne Intel lig e n ce . 200 0; 22( 11): 133 0-1 334 [6]  Han  Jia n d ong,  L(u) N a i gua ng,  Do ng M i ng li,  e t  al. F a st meth od to  cal i br ate  structure p a ra meters of  lin e   structured li ght  vision se nsor . Optics & Precision En gin eer i ng.  200 9; 17(5) : 958-96 3.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.