CN102221409B - 一种近红外标定模板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外标定模板的制备方法，包括如下步骤：(1)将贴片近红外发光管按阵列分布固定在一块刚性板上制作成标定板；(2)利用已标定的普通摄像机测量系统，在其有效视场内移动标定板，采集一系列近红外发光点的左、右图像，再提取这些图像中所有光点的亚像素坐标，并对所有发光点进行三维坐标重建，最后将多组发光点三维坐标进行旋转、平移，最终得到近红外标定模板。其平均误差在0.04mm以内。本发明能用于设计和制造精度高、使用方便和抗环境光照变化能力强的主动近红外光源标定板。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学测量领域的方法，具体是一种应用于标定近红外测量系统的近红外标定板的制备方法。
背景技术
在光学测量领域，测量精度主要决定于测量系统的标定，即测量系统中摄像机内外部参数的获取。因此，如何精确标定摄像机一直是研究的热点。一方面是标定算法的不断提高和完善。另一方面是如何设计精确的标定板。如果标定板不精确，即标定的基准不精确，无论标定算法如何，都不能获取精确的标定结果。因此，近红外标定板的设计精度是影响近红外测量系统的关键因素。常见的普通光学成像系统的标定板设计已经比较完善，如采用Dell型号为E177FPc的液晶屏生成平面标定板的方法生成的标定板，其液晶屏的像素尺寸为0.264mm，每个50像素X50像素的正方形棋盘格尺寸为13.200mm，精度达到0.001mm。标定参考物的形状、大小一致性非常好，利用此标定板标定的普通光学成像系统精度很高。由于近红外摄像机不能够获取普通光学系统标定板的纹理，无法用普通摄像机的标定板标定近红外摄像机。因此，要对近红外摄像机设计特定的标定板。
目前尚未见有一种主动近红外标定板设计方法的报道。因此，设计一种能够精确标定近红外摄像机内外部参数的标定板非常有必要。
发明内容
本发明目的是针对红外测量系统标定板设计的空缺，提出一种近红外标定模板的制备方法，使其实现对近红外成像系统的高精度标定。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种近红外标定模板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将贴片近红外发光管按阵列分布固定在一块刚性板上制作成标定板；本发明采用波长为940nm的贴片NIR-LED按一定方式排列固定在一块刚性板上制作成标定板，可根据需要，设计标定板的形状、大小和亮度调节。
(2)利用已标定的普通摄像机测量系统，在其有效视场内移动标定板，采集一系列近红外发光点的左、右图像，再提取这些图像中所有光点的亚像素坐标，并对所有发光点进行三维坐标重建，最后随机抽取一组该标定板的发光点的三维坐标作为模板，其他多组根据旋转、平移，使得与模板处于同一个方向上，最终得到近红外标定模板。
所述标定板上每相邻发光管的间距以及尺寸是由已采用液晶屏标定的双目视觉测量系统精确计算得出。
所述标定板上近红外发光管两端的电压可调，通过调节该电压来控制发光点的亮度，使其在被标定近红外摄像机拍摄的图像中得到灰度呈高斯分布的光斑。这便于精确地从图像中获取光斑中心点的亚像素坐标，有利于提高标定精度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明方法制得的标定板的精度达0.04mm以内，从而可以用于设计和制造精度高、使用方便和抗环境光照变化能力强的主动近红外光源标定板。
附图说明
图1为近红外标定板设计电路图。
图2为摄像机拍摄近红外标定板发光点图像，(a)为标定板发光面被摄像机拍摄的红外图像；(b)为图像(a)中灰度值作为高度的三维效果图。
图3为液晶屏标定普通双目视觉系统示意图，图3(a)和图3(b)为普通光学摄像机(左、右)拍摄的液晶屏图像。
图4为近红外标定板NIR-LED坐标及每相邻两点间距计算过程示意图；
图4(a1)、(a2)分别为近红外标定板在黑暗环境下被已标定的双目视觉系统拍摄并存入计算机中的左、右两帧图像；
图4(b1)、(b2)分别为图4(a)中拍摄并存入计算机中的左、右两帧图像的亚像素坐标提取效果图；
图4(c)为近红外标定板上NIR-LED三维重建后的效果图；
图4(d)为图4(c)中标定板在不同位置所拍摄的一系列图像所重建得到的三维坐标经过平移、旋转到XY平面的标定模板图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和标定板的制备过程作进一步的详细描述。
本发明是一种近红外标定板的制备方法，采用本发明方法设计、制作的标定板，可以精确标定近红外成像系统。
该标定板由近红外发光贴片元件排列为4×4阵列，采用并联连接方式组成规则、一致性好的标定板。在利用液晶平面显示屏标定方法标定的普通光学测量系统中移动该标定板，得到多组标定板的图像，再提取每组图像中发光点的亚像素坐标，最后通过普通光学双目视觉测量系统计算出标定板中每相邻发光点之间的间距，得到高精度的标定模板，精度达0.04mm以内，从而可以将该标定板应用于近红外测量系统的高精度标定。具体步骤如下：
首先，制备近红外标定板。为了使得NIR-LED被摄像机拍摄的图像呈现清晰而且分辨率高的光点，采用贴片NIR-LED作为标记参考物，其型号为IR19-21C-TR8，发射的光波波长为940nm，元件大小为1.6mm×0.8mm×0.3mm(长×宽×高)，发光点大小为0.3mm×0.3mm。采用如图1的连接方式组成电路，制作成电路板。
所制备的标定板为4×4阵列排列，发光管两端的电压相等，一致性好。其中，双目视觉系统与近红外标定板的相对位置不变；在拍摄时，该标定板上电(VCC＝+5V)后，通过调节电路中的可调电阻R，可以调节近红外发光管的发光亮度，使得其在摄像机拍摄视场内所拍摄图像上的光斑呈高斯分布如图2所示，有利于发光点的亚像素坐标的精确提取。
其次，利用液晶屏标定普通双目视觉系统，用于精确测定标定板中各点的三维坐标，得到精确的近红外标定模板。普通双目视觉系统的标定过程如图3所示。
采用像数尺寸为0.264mm的彩色液晶屏(Dell-E177FPc)，每个50像素×50像素的正方形棋盘格尺寸为13.200mm，利用此液晶屏生成的标定参考物的形状、大小一致性非常好。在采集标定参考物即棋盘格图像用于标定该双目视觉系统之前，必须先设定液晶显示屏所生成的标定模板的形状、大小、颜色和灰度；然后再把标定模板放置在有效视场内，通过调节成像装置的焦距、光圈以及显示屏的亮度和对比度，使得双目视觉系统对显示屏的成像清晰。
调节好显示屏和成像装置使其成像清晰后，再利用该成像系统拍摄并保存液晶屏显示的棋盘格标定参考物的左、右图像。在拍摄图像时，需要保证棋盘格参考物的规格在成像装置拍摄的范围内，即参考物在左、右两摄像机拍摄视场角范围内，拍摄的棋盘格参考物尽可能分布在整个图像中，确保位于图像中央，这样有利于成像装置的精确标定。此外，在棋盘格模板所成的图像上，角点必须清晰。如图3(a)和图3(b)所示。
成像装置拍摄其视场范围内的多组标定模板的左、右图像并保存到计算机。利用多组左、右图像，通过算法计算标定模板各个角点的亚像素坐标用于系统标定，最终得到该双目视觉系统中摄像机的内外参数，从而达到标定该双目视觉系统目的。
最后，近红外标定模板的计算方法过程如图4所示。利用上述标定的双目视觉系统，采集近红外发光点的左、右图像，通过灰度加权法提取发光点的亚像素坐标值，再利用测量系统进行发光点的三维坐标重建，最后将多组发光点图像进行旋转、平移得到近红外标定模板。
利用上述标定的双目视觉测量系统采集近红外发光点的多组图像对。在采集图像时，通过调节摄像机的光圈以及近红外发光电路的可调电阻，使得其在成像装置所拍摄的视场范围内成像清晰，各点在图像上的光斑大小均匀，且灰度呈高斯分布。图像达到要求后进行拍摄并存储于计算机中，从而得到N(N＞5)组近红外标定板的图像对(如图4(a1)、(a2)所示)。
获得近红外标定板的图像后，通过阈值法求取图像上的各个发光点的亚像素位置(如图4(b1)、(b2)所示)，即得到亚像素值在二维图像上的位置坐标。其中，黑色十字架标识的是通过基于特征值的顶点检测方法计算出的亚像素坐标点，白色线框表示的是标定板外围4个角点的连线所围成的区域，即在此区域内，自动检测发光点以及计算发光点的亚像素坐标。接着，将多组图像上的亚像素位置坐标输入到双目视觉系统中进行三维坐标的重建，得到各个发光点的三维坐标，如图4(c)，在拍摄近红外标定板时，处于暗室条件下，双目视觉系统成像装置、近红外标定板本身的参数相同；标定板在该成像装置中的可拍摄视场范围内移动，成像装置拍摄并保存9组该标定板的各左、右两帧图像；利用标定的双目测量系统，通过算法重建出该标定板在相对于成像装置不同位置时的三维坐标。
随机抽取一组该标定板的4×4个发光点的三维坐标作为模板，其他多组根据平移、旋转，使得与模板处于同一个方向上。求取旋转、平移矩阵的过程如下：假设刚随机抽取的模板为Pj，其他处于不同位置上的标定板图像为Pi，那么Pi和Pj的关系可表示为：
Pj＝Rij·Pi+Tij
其中Rij为3×3正交旋转矩阵，Tij为3×1平移向量，Pi和Pj为3×16矩阵。Pi′表示Pi减去Pi中每一列的均值所得到的模板，因此得到3×3协方差矩阵H。
H＝Pi′·Pj′T
然后分解矩阵H得到奇异值：一个3×3归一化矩阵U，一个3×3对角矩阵∑和归一化矩阵V从而可以得到旋转矩阵Rij和Tij。
Rij＝V·UT
Tij＝U·Pj-Rij·U·Pi
最后根据求解的旋转、平移矩阵得到近红外标定模板，如图4(d)所示。该图表示将标定模板平移、旋转到XY平面上。其中，P(m，n)(m＝1、2、3、4；n＝1、2、3、4)表示标定板上发光点的三维坐标点。各点的三维坐标值如表1所示。L(m，n)和D(m，n)表示标定模板上每两个相邻发光点的间距。如L(2，3)表示P(2，3)和P(2，4)两点之间的间距，D(2，2)表示P(2，2)和P(3，2)两点之间的间距。标定模板上每相邻两点的间距值是由其三维坐标计算得出，再对多组相对应的间距值求取平均，得到标定板模板的各相邻两点的间距以及平均误差。结果如表2所示。
表1.近红外标定模板重建三维坐标
| 三维坐标点P | (X，Y，Z)/mm |
| P(1，1) | (41.8227，42.0268，0.1493) |
| P(1，2) | (41.9739，13.9695，0.0168) |
| P(1，3) | (42.0513，-13.8618，0.0457) |
| P(1，4) | (42.0122，-41.9989，0.1449) |
| P(2，1) | (13.9023，42.0876，0.0135) |
| P(2，2) | (13.9812，13.8750，-0.0768) |
| P(2，3) | (14.0584，-13.7902，-0.1777) |
| P(2，4) | (14.1149，-42.2132，-0.0339) |
| P(3，1) | (-14.0311，42.0966，0.1582) |
| P(3，2) | (-13.9982，14.0159，-0.0739) |
| P(3，3) | (-14.0533，-13.9230，-0.2241) |
| P(3，4) | (-13.9179，-42.3730，-0.0637) |
| P(4，1) | (-42.0449，42.0844，0.1175) |
| P(4，2) | (-41.9139，13.9106，0.1073) |
| P(4，3) | (-42.0108，-13.9073，0.04228) |
| P(4，4) | (-41.9468，-41.9989，0.1712) |
表2.近红外标定模板相邻两点的间距及平均误差
| 间距 | 间距值/mm | 误差 | 间距 | 间距值/mm | 误差 |
| L(1，1) | 27.9456 | 0.0226 | D(1，1) | 28.0634 | 0.0347 |
| L(1，2) | 28.0222 | 0.0234 | D(1，2) | 27.8310 | 0.0312 |
| L(1，3) | 28.0184 | 0.0266 | D(1，3) | 28.1240 | 0.0334 |
| L(2，1) | 27.9212 | 0.0253 | D(2，1) | 28.2044 | 0.0342 |
| L(2，2) | 27.9547 | 0.0232 | D(2，2) | 27.6609 | 0.0321 |
| L(2，3) | 28.0023 | 0.0214 | D(2，3) | 28.3948 | 0.0333 |
| L(3，1) | 28.1163 | 0.0222 | D(3，1) | 28.0618 | 0.0349 |
| L(3，2) | 28.0281 | 0.0233 | D(3，2) | 27.9468 | 0.0318 |
| L(3，3) | 28.0153 | 0.0194 | D(3，3) | 28.4201 | 0.0332 |
| L(4，1) | 27.9064 | 0.0199 | D(4，1) | 28.1644 | 0.0344 |
| L(4，2) | 27.9542 | 0.0207 | D(4，2) | 27.7951 | 0.0355 |
| L(4，3) | 28.0142 | 0.0230 | D(4，3) | 28.0575 | 0.0337 |
采用本方法所制作的近红外标定板精度高、使用方便和抗环境光照变化能力强。可根据需要调节标定参考物的发光亮度，使得其在标定近红外摄像机时成像清晰，能够精确标定近红外摄像机，获得其内外部参数。本发明能用于设计和制造精度高、使用方便和抗环境光照变化能力强的主动近红外光源标定板。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种近红外标定模板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将贴片近红外发光管按阵列分布固定在一块刚性板上制作成标定板；
(2)利用已标定的普通摄像机测量系统，在其有效视场内移动标定板，采集一系列近红外发光点的左、右图像，再提取这些图像中所有光点的亚像素坐标，并对所有发光点进行三维坐标重建，最后随机抽取一组该标定板的发光点的三维坐标作为模板，其他多组根据旋转、平移，使得与模板处于同一个方向上，最终得到近红外标定模板。
2.根据权利要求1所述的近红外标定模板的制备方法，其特征在于，所述标定板上每相邻发光管的间距以及尺寸是由已采用液晶屏标定的双目视觉测量系统精确计算得出。
3.根据权利要求1所述的近红外标定板的制备方法，其特征在于，所述标定板上近红外发光管两端的电压可调，通过调节该电压来控制发光点的亮度，使其在被标定近红外摄像机拍摄的图像中光斑灰度呈高斯分布。
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