CN101494740B - 用于标定摄像机放大率的标定件和标定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于标定摄像机(3)的放大率的标定件(1)。所述标定件(1)具有至少一个标定区域(4)，在标定区域(4)中设置有至少一个穿孔(5)或缺口。所述穿孔(5)或缺口可以通过摄像机进行检测。标定区域(4)中的标定件(1)足够薄，从而穿孔(5)或缺口的上边缘和下边缘在检测中产生的差异可以忽略不计。为了测定放大率的厚度相关性，所述标定件(1)额外具有至少一个支承底座(8)，该支承底座(8)的长度(高度)(9)被如此选定，通过支承底座的长度使摄像机图像测量出的放大率产生一个可测算的变化。

Description

用于标定摄像机放大率的标定件和标定方法

技术领域

本发明涉及一种用于标定摄像机放大率的标定件和标定方法。

背景技术

从德国专利DE 101 18 886 B4中已知一种标定尺，其包括可以由摄像机检测的印制标记。该标记标注在各个位置上，从而可以测定摄像机检测范围的精确长度。然而，该标定尺仅适用于待检测物是平坦的并处于确定不变的位置上的情况。当物料带是纺织物、纸和塑料时，由于物料带的厚度可以忽略，可以满足上述的条件而不会带来而任何问题。但是，当在物料带是橡胶的情况下，该限制就会导致不能容许的问题出现。此时，需要在摄像机的标定中考虑到带厚度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种前述类型的标定件，其考虑到待测物体的厚度，并且设计简单。本发明还提供一种相应的标定方法。

该目的通过一种标定件和标定方法得以实现。所述标定件为一种用于标定摄像机的放大率的标定件，其中，所述标定件具有至少一个标定区域，在标定区域中设有至少一个可由摄像机检测的穿孔和/或缺口，为了测定放大率与目标厚度的相关性，所述标定件具有至少一个支承底座，该支承底座的长度被如此选定，通过转动标定件并将其放置在至少一个支承底座上，在摄像机图像的放大率中产生一个可测算的变化，其中，所述至少一个支承底座的长度是标定区域中标定件的壁厚的至少两倍。所述标定方法为一种用于摄像机的标定方法，其中，在摄像机的视场内设有至少一个如前所述的标定件，并生成第一图像，随后旋转标定件并借助于摄像机生成第二图像，其中，通过两幅图像连同已知的标定件尺寸计算出放大率，所述放大率构成目标厚度的放大率的线性函数上的两点，其中，利用预定目标厚度，由线性函数计算得出各个的放大率。

根据本发明所述的标定件用于标定摄像机的放大率。优选采用CCD(电荷耦合器件)摄像机或CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像机，也可以选用其他的成像方式。另外，所述摄像机是矩阵摄像机或是线阵摄像机并不重要。特别地，在需要使用摄像机扫描运行物料带形式的物体的应用中，采用横向于运行方向设置的线阵摄像机就完全可以满足该应用。此时在线阵方向上进行标定就足够了。当使用矩阵摄像机时，可以根据应用在行和/或列的方向上实施标定。摄像机的放大率对于实现精确的尺寸测量而言十分重要。然而，这取决于摄像机的位置和排布。另外，放大率还随着待测物体的厚度变化，这是因为，摄像机所观测到的较厚物体的表面比较薄物体的表面更接近摄像机。特别是当使用测量技术对物体进行精确检测时该差异会造成影响。使用一种具有至少一个标定区域的标定件能够解决上述问题。在该标定区域中设有至少一个可由摄像机检测的穿孔和/或缺口。在此情况下，穿孔和/或缺口的尺寸或间距是已知的，从而可以将摄像机检测到的测量变量与标定件的已知的几何尺寸相比较。通过这种方式，可以测定摄像机的放大率，该放大率取决于安装和排布。假如设有若干穿孔和/或缺口，还可以将放大率作为摄像机的视场内位置的函数来计算放大率，从而还能够以这种方式校正物体的图像误差，例如，摄像机图像的梯形变形。

为了额外确定放大率与待测物体厚度的相关性，在两个不同的目标平面上对摄像机进行标定就基本足够了，假如这两平面的位置已知。此时不宜使用具有较厚标定区域的标定件，因为这会导致出现标定件的上下边缘测量不可靠的问题。为了解决这个问题，所述标定件具有至少一个支承底座，该支承底座的长度如此选定，通过转动标定件并将其放置在至少一个支承底座上，使摄像机图像的放大率产生一个可测算的变化。所述至少一个支承底座的长度是标定区域中标定件的厚度的至少两倍。因此，在标定件的转动位置上标定区域处于可被摄像机测定的范围中，放大率由此相应地变化。根据被测量出的放大率的变化能够得到所需的与目标物厚度的相关性，从而以此方式根据各个目标厚度来标定摄像机图像的放大率。基本上，还可以将放大率确定为在摄像机视场内位置的函数，从而使用摄像机进行尽可能精确的几何测量。

当用摄像机对标定件进行检测时产生的基本问题是，摄像机即检测标定件的上边缘，也检测标定件的下边缘，然而随着摄像机的位置不同，下边缘有时会被上边缘所覆盖。为了避免由这些未知因素产生标定误差，根据权利要求2标定区域中的标定件具有相当小的壁厚，从而穿孔和/或缺口的上边缘和下边缘在摄像机图像上产生的差异可以在标定过程中忽略不计。由于标定区域中的标定件的壁厚相当小，摄像机基本上只能观测到穿孔区域的一个边缘，从而消除了在检测穿孔和/或缺口时产生的误差。

根据权利要求3有利的是标定件在标定区域中的壁厚至多为2毫米。在这种情况下，对于实际操作中的尺寸和排布可以不再对标定件的上边缘和下边缘进行区分，并且因此可以忽略与之相关的、在摄像机像素分辨区域中的测量误差。

根据权利要求4支承底座的长度为至少10毫米。特别是在工业应用中，摄像机至多在一米的范围内，通过这种方式已经可以得到放大率的足够精确的可测量的变化，从而能够以这种方式足够精确地标定放大率与目标厚度之间的相关性。

假如仅使用一个单个的支承底座，优选将所述支承底座设置在标定件的中部，从而使标定件保持平衡地竖立在支承底座上。作为选择，也可以设置若干个支承底座、和/或将至少一个支承底座设计为从标定件上伸出的板。

根据权利要求5在这种情况下有利的是在标定件的边缘处设有至少一个支承底座。这样，所述的至少一个支承底座保护标定件的标定区域不受外力的影响，并从而免于受损。这在环境恶劣的工业区中是非常重要的。

根据权利要求6通过一个U形或框架状的支承底座设计能够为标定区域提供特别有效的保护。另外，在这种情况下，支承底座提高了标定件的机械强度，并且特别提高了薄弱的标定区域的强度。还提高了标定区域的尺寸稳定性。

为了消除标定件的上边缘和下边缘在检测中的不确定性，根据权利要求7有利的是标定件具有至少一个标引。可以将该标引设计为，例如孔、凹陷、销钉或类似物，并且与摄像机检测区域中相应的标引相互对应。这样能确保总是以相同的、可重复的方式设置标定件。因此，可以清楚知道摄像机检测到的标定件结构哪些属于上边缘哪些属于下边缘。。此时不需要将标定区域的标定件设计得很薄。

已经证明根据权利要求8的标定方法能够有效地对摄像机进行标定。其中，在摄像机的视场内设有至少一个前述的标定件，并生成第一图像。该图像包括了标定件的几何数据以及基本上还是未知的摄像机成像函数。特别地，该成像函数由摄像机的位置和排布、以及摄像机镜头的焦距和定位来决定。只要标定件的几何性质已知，就可以通过比较摄像机图像与标定件的几何尺寸而计算出摄像机的放大率。另外，为了额外考虑到放大率与目标厚度的相关性，对标定件进行转动并通过摄像机生成另一幅图像。此时，标定件自身的几何性质并没有任何变化。只不过标定区域向摄像机移近了至少一个支承底座的长度。根据与放大率相关的变化能够随即计算出目标厚度的线性函数。当生成了第一图像时，放大率对应的目标厚度为零，而当生成了第二图像时，放大率对应的目标厚度为支承底座的长度。因此，可以通过所述线性函数计算得出相应于各期望目标厚度的放大率。

根据权利要求9有利的是根据位置计算放大率。特别地，可以使标定件具有若干穿孔或缺口，从而以这种方式使多个几何特征位于摄像机的视场中。在这种情况下，即使是对变形的图像，也可以通过这些不同的几何特征进行精确的标定。此时基本可以忽略位置地确定厚度与放大率的相关性，这是因为放大率的函数基本与厚度以及位置无关。

为了能够使用摄像机实行尽可能精确的光学检测，根据权利要求10有利的是当标定件的端面对摄像机来讲并不可视时，仅对摄像机图像中的标定件各个边缘进行测算。标定件端面的可视性仅仅取决于各个端面与摄像机的相对位置。举例而言，当垂直于标定件看，假如穿孔或缺口位于摄像机的左侧，那么通过摄像机只能观测到穿孔或缺口的左端面。此时，仅对摄像机图像中的右端面进行测算。与之对照，假如穿孔或缺口位于摄像机的右侧，则对穿孔或缺口的左边缘进行测算。对照而言，假如穿孔同时位于摄像机的左侧和右侧，一般来讲两个端面都不能进行测算。在这种情况下，可以利用各个穿孔和/或缺口相邻的边缘。这样可以确保在测算摄像机拍摄不到的标定件下边缘时不会出现误差。

附图说明

图1示出了带有摄像机的标定件的立体图示；

图2示出了将如图1所示的装置的标定件1旋转后的情况；

图3示出了如图1所示的装置的局部放大图；

图4为图表；

图5为标定件的可选实施方式的图示。

具体实施方式

根据图1所示的标定件1优选由铁质材料构成，并设置在摄像机3的视场2内。此时，将摄像机3设计为线阵摄像机，从而视场2为又长又窄的矩形。

标定件1具有中心标定区域4，其中设有若干穿孔5。摄像机3能够根据明显的反差检测到这些穿孔5。穿孔5的边界具有已知的标定长度。借助于由摄像机3所记录的图像，可以从已知的标定长度6和距离7来计算摄像机3在视场2内的放大率。当使用摄像机3对实物进行拍摄时，可以根据该放大率来计算该实物在摄像机3的视场2内的精确尺寸。

标定件1还具有支承底座8，该支承底座8围绕标定区域4呈框架状延伸。所述支承底座8为标定件1提供了有利的形状稳定性，因此可以将标定区域4的壁厚设计得较薄。在本实施方式中，标定区域4和支承底座8为独立部件，然后再将其组装在一起。作为选择，所述标定件1也可以是单体件。

在支承底座8的区域中，标定件1具有两个标引22，该标引22在根据图1所示实例中纯粹举例地设计为钻孔。作为选择，也可以使用所需的任何其他形式的标引，例如销钉。标引22确保了标定件1能相对摄像机3可重复地精确定位，并且有助于对穿孔5的检测。

图2示出了将如图1所示的装置的标定件1旋转后的情况。由此，标定件1搁置在支承底座8上。在这种设置中，摄像机3的标定件1的标定区域4更加接近支承底座8的高9。这对摄像机3的放大率产生了影响，从而能够以这种方式来测定放大率与物体厚度的相关性。

图3示出了如图1或图2所示的、具有分割的光路的装置的局部放大剖视图。特别地，从该图中可以看到，标定件1在标定区域4内具有较小的壁厚10。穿孔5的上边缘11通过摄像机3的镜头在光电探测器13上形成第一图像14。此时上述穿孔5的下边缘15与上边缘11非常近，以至于在当前的放大率下，下边缘15所提供的图像与上边缘11所提供的第一图像14相同。从而，由穿孔5的上边缘11和下边缘15的检测差异所导致的误差至多为一个像素，也就是光电探测器13所能达到的精度。如果不必在各次应用中都充分利用光电探测器13的分辨率，那么也可以容许上边缘11和下边缘15的图像14有稍许差异。图中右方所示的上边缘16和下边缘17的几何比例关系与上述比例相同。

通过旋转标定件1，使得标定区域4更加靠近摄像机3，这在图3中以虚线表示。此时，上边缘11和下边缘15在光电探测器13上形成充分远离第一图像14的第二图像14’。此时重要的不是第一图像14和第二图像14’在光电探测器13上的绝对位置，而是摄像机图像中的穿孔5的宽度。为了得到高的精度，优选对尽可能相互远距离设置的穿孔5的间距进行测量。另外，优选对上边缘11、16进行测算，其相应的下边缘15、17不在摄像机3的视场内。

根据已知标定件1的尺寸，通过第一图像14和第二图像14’，作为待测物的目标厚度19的函数确定放大率18。此时第一图像14对应的厚度为零，而第二图像14’对应的厚度为高度9。这样，图4所示的图表中具有两个点20，这两点20确定一个线性函数21。可以通过所述线性函数21得出各目标厚度19相应的放大率18，从而使摄像机3标定于任何所需的目标厚度。

图5示出了如图1所示的标定件1的一种可选实施方式。在这种实施方式中，将支承底座8设计为中心支撑件，标定区域4绕所述中心支撑件延伸。

参考标号列表

1     标定件

2     视场

3     摄像机

4     标定区域

5     穿孔

6     标定长度

8     支承底座

9     高度

10    壁厚

11    上边缘

12    镜头

13    光电探测器

14    第一图像

14’  第二图像

15    下边缘

16    上边缘

17    下边缘

18    放大率

19    目标厚度

20    点

21    线性函数

22    标引

Claims (9)

1.一种用于标定摄像机(3)的放大率(18)的标定件，其中，所述标定件(1)具有至少一个标定区域(4)，在标定区域(4)中设有至少一个可由摄像机(3)检测的穿孔(5)和/或缺口，其特征在于，为了测定放大率(18)与目标厚度(19)的相关性，所述标定件(1)具有至少一个支承底座(8)，该支承底座(8)的长度(9)被如此选定，通过转动标定件(1)并将其放置在至少一个支承底座(8)上，在摄像机图像(14、14’)的放大率(18)中产生一个可测算的变化，其中，所述至少一个支承底座(8)的长度(9)是标定区域(4)中标定件(1)的壁厚(10)的至少两倍，标定区域(4)中的标定件(1)的壁厚(10)这样小，以至于穿孔(5)和/或缺口的上边缘(11、16)和下边缘(15、17)在摄像机图像(14、14’)上产生的差异可以在标定过程中忽略不计。

2.如权利要求1或2所述的标定件，其特征在于，标定件(1)在标定区域(4)中的壁厚(10)至多为2亳米。

3.如权利要求1所述的标定件，其特征在于，至少一个支承底座(8)的长度为至少10毫米。

4.如权利要求1所述的标定件，其特征在于，在标定件(1)的边缘处设有至少一个支承底座(8)。

5.如权利要求1所述的标定件，其特征在于，至少一个支承底座(8)围绕标定区域(4)呈U形或框架状延伸。

6.如权利要求1所述的标定件，其特征在于，其具有至少一个用于定位的标引(22)。

7.一种用于摄像机(3)的标定方法，其中，在摄像机(3)的视场(2)内设有至少一个如权利要求1至7中至少之一所述的标定件(1)，并生成第一图像(14)，其特征在于，随后旋转标定件(1)并借助于摄像机(3)生成第二图像(14’)，其中，通过两幅图像(14、14’)连同已知的标定件(1)尺寸计算出放大率(18)，所述放大率(18)构成目标厚度(19)的放大率(18)的线性函数(21)上的两点，其中，利用预定目标厚度(19)，由线性函数(21)计算得出各个的放大率(18)。

8.如权利要求7所述的标定方法，其特征在于，将放大率(18)作为位置的函数来计算。

9.如权利要求7或8所述的标定方法，其特征在于，当标定件(1)的端面对于摄像机(3)来讲不可视时，在摄像机(3)的图像(14)中计算其边缘(11、16)。

Images