CN104574388B - 一种相机标定系统及其3d标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相机标定系统及其3D标定方法；该相机标定系统，包括标定平面，成像系统、运动平台，控制系统，标定平面包括两个平行设置的标定板，其中一个标定板上设置点阵图；所述标定板包括平板光学玻璃和色卡纸，所述色卡纸设置于平板光学玻璃之间，所述成像系统设置在运动平台上；所述控制系统与运动平台相连接，所述中心相机与所述控制系统相连接；本发明的标定平面中添加色卡纸，为相机的标定提供了一个不反光的平整的平面，通过运动平面使相机在不同高度对标定平面拍摄，无需在标定平面上制作多种高度点阵图即可建立绝对相位与高度的映射关系，标定板制作简单，建立映射数量大，标定数据精确。
Description
技术领域
本发明涉及相机标定领域，尤其涉及一种相机标定系统及其3D标定方法。
背景技术
在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定是非常关键的环节，其标定结果的精度直接影响相机工作产生结果的准确性。
点阵图也叫删格图象，像素图，简单的说，就是最小单位由象素构成的图，缩放会失真。将点阵图设置在平板上即为应用在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等的标定模板。在相机标定中通常应用标定模板校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，建立相机成像的几何模型。
传统的标定模板普通材质硬度不高，易划伤，难加工平整，强反光，同一标定板多种高度点阵图很难制作。
发明内容
本发明提供一种相机标定系统及其3D标定方法，该相机标定系统的标定平面中添加色卡纸，为相机的标定提供了一个不反光的平整的平面，通过运动平面使相机在不同高度对标定平面拍摄，无需在标定平面上制作多种高度点阵图即可建立绝对相位与高度的映射关系，标定板制作简单，建立映射数量大，标定数据精确。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种相机标定系统，包括标定平面，成像系统、运动平台，控制系统，所述标定平面包括两个平行设置的标定板，其中一个标定板上设置点阵图；所述标定板包括平板光学玻璃和色卡纸，所述色卡纸设置于平板光学玻璃之间，平板光学玻璃和色卡纸三个平面粘合形成一个紧密连接的平面；所述成像系统包括中心相机，第一光栅投影头、第二光栅投影头和2D光源发射板，所述第一光栅投影头和第二光栅投影头对称布置在中心相机的两侧，所述成像系统设置在运动平台上；所述控制系统与运动平台相连接，运动平台接收控制系统的指令并根据控制指令带动成像系统运动；所述中心相机与所述控制系统相连接。
进一步的技术方案是，所述标定平面放置在平面滑轨上；所述平面滑轨轨道宽度等于所述标定平面宽度，用于保证标定平面相对于中心相机的平行度。
一种应用权利要求1所述的相机标定系统的3D标定方法，包含如下步骤：
步骤1：移动标定平面使设置点阵图的标定板置于中心相机的拍摄区域；
步骤2：打开所述2D光源发射板，中心相机拍摄点阵图，计算中心相机安装垂直度和相机分辨率，调节运动平台使中心相机安装符合设计垂直度和设计分辨率；
步骤3：移动标定平面使未设置点阵图的标定板置于中心相机的拍摄区域；
步骤4：第一光栅投影头和第二光栅投影头投射正弦光栅或者余弦光栅到未设置点阵图的标定板，用中心相机拍摄该标定板；计算中心相机各像素的绝对相位，建立绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤5：调节运动平台，使成像系统沿着Z轴移动，依照步骤4中心相机在不同高度进行拍摄，得到多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤6：拟合步骤5得到的多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系，建立绝对相位与高度的映射关系。
进一步的技术方案是，通过拍摄点阵图，中心相机在设计分辨率下进行安装的方法是：
1)中心相机拍摄清晰的点阵图并计算当前中心相机的物距；
2)中心相机将1)中的数据传送至控制系统，控制系统计算当前物距与标准分辨率下物距差值，并根据差值通过运动平台调节中心相机的Z轴高度；微调中心相机镜头，中心相机的安装分辨率即符合设计分辨率。
进一步的技术方案是，在步骤2中，所述中心相机通过拍摄不同XY位置的同一标定点，计算各次拍摄标定点的像素位置，建立像素位置与XY对应关系，拟合像素位置与XY对应关系的转化系数。
进一步的技术方案是，在步骤4中，中心相机在任一Z轴物理高度进行拍摄时，第一光栅投影头和第二光栅投影头投射不少于3步等距位移的正弦光栅或者余弦光栅。
进一步的技术方案是，调整运动平台，在计算中心相机绝对相位与其Z轴物理高度的对应关系的同时，计算第一光栅投影头与第二光栅投影头各像素位置绝对相位，分别建立第一光栅投影头与第二光栅投影头各像素绝对相位与高度对应关系的转化系数。
本发明的有益效果为：
1、本发明的相机标定系统的标定平面中添加色卡纸，为相机的标定提供了一个不反光的平整的平面，通过运动平面使相机在不同高度对标定平面拍摄，无需在标定平面上制作多种高度点阵图即可建立绝对相位与高度的映射关系，标定板制作简单，标定数据精确。
2、所述标定平面设置在滑轨上，滑轨的轨道用于保证标定平面相对于相机的平行度，防止标定平面摆放角度出现较大偏差降低标定结果的准确度。
3、本发明的3D标定方法在对相机进行绝对相位和高度的映射关系前，对相机安装的垂直度和安装的设计分辨率进行校准，保证了标定数据的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的相机标定系统的成像系统的结构示意图；
图2是本发明提供的相机标定系统的标定平面的结构示意图；
图中：
1-标定平面；2-平板光学玻璃；3-色卡纸；4-点阵图；5-滑轨；6-中心相机；7-第一光栅投影头；8-第二光栅投影头；9-2D光源发射板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明提供一种相机标定系统，包括标定平面1，成像系统，运动平台，控制系统。所述标定平面1包括两个平行设置的标定板，其中一个标定板上设置点阵图4；所述标定板包括平板光学玻璃2和色卡纸3，所述色卡纸3设置于平板光学玻璃2之间，平板光学玻璃2和色卡纸3三个平面粘合形成一个紧密连接的平面。在两个平板光学玻璃2之间添加色卡纸3，有效的消除了标定板在相机标定过程中出现的反光现象，为相机的标定提供了一个不反光的平整的平面。
所述成像系统包括中心相机6，第一光栅投影头7、第二光栅投影头8和2D光源发射板9，所述第一光栅投影头7和第二光栅投影头8对称布置在中心相机6的两侧，所述2D光源发射板9设置在标定平面1与中心相机6之间。所述成像系统设置在运动平台上；所述控制系统与运动平台相连接，所述成像系统设置在运动平台上，运动平台接收控制系统的指令并根据控制指令带动成像系统运动；所述中心相机6与所述控制系统相连接。
所述标定平面1放置在平面滑轨5上；所述平面滑轨5轨道宽度等于所述标定平面1宽度。滑轨5的轨道用于保证标定平面1相对于相机的平行度，防止标定平面1摆放角度出现较大偏差降低标定结果的准确度。标定平面1小角度偏离可以通过对镜头进行适当调整来消除，误差小于0.5°不需要调整。
一种应用权利要求1所述的相机标定系统的3D标定方法，包含如下步骤：
步骤1：移动标定平面1使设置点阵图4的标定板置于中心相机6的拍摄区域；
步骤2：打开所述2D光源发射板，中心相机6拍摄点阵图4，计算中心相机6安装垂直度和相机分辨率，调节运动平台使中心相机6安装符合设计垂直度和设计分辨率；
通过拍摄点阵图4，中心相机6在设计分辨率下进行安装的方法是：
1)中心相机6拍摄清晰的点阵图4并计算当前中心相机6的物距；
2)中心相机6将1)中的数据传送至控制系统，控制系统计算当前物距与标准分辨率下物距差值，并根据差值通过运动平台调节中心相机的Z轴高度；微调中心相机6镜头，中心相机6的安装即符合设计分辨率。
步骤3：移动标定平面1使未设置点阵图4的标定板置于中心相机6的拍摄区域；
步骤4：第一光栅投影头7和第二光栅投影头8投射不少于3步等距位移的正弦光栅或者余弦光栅到未设置点阵图4的标定板，用中心相机6拍摄该标定板；计算各像素的绝对相位，建立绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤5：调节运动平台，使中心相机6沿着Z轴移动，依照步骤4中心相机6在不同高度进行拍摄，得到多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤6：拟合步骤5得到的多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系，建立绝对相位与高度的映射关系。
在步骤2中，所述中心相机6通过拍摄不同XY位置的同一标定点，计算各次拍摄标定点的像素位置，建立像素位置与XY对应关系，拟合像素位置与XY对应关系的转化系数。
在步骤4和步骤5中，调整运动平台，在计算中心相机6绝对相位与其Z轴物理高度的对应关系的同时，计算第一光栅投影头7与第二光栅投影头8各像素位置绝对相位，分别建立第一光栅投影头7与第二光栅投影头8各像素绝对相位与高度对应关系的转化系数。
本发明的3D标定方法通过运动平面使相机在不同高度对标定平面1拍摄，无需在标定平面1上制作多种高度点阵图4即可建立绝对相位与高度的映射关系，标定板制作简单，标定数据精确。除此之外，在对相机进行绝对相位和高度的映射关系前，对相机安装的垂直度和安装的设计分辨率进行校准，保证了标定数据的准确性。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种相机标定系统，包括标定平面(1)，成像系统、运动平台，控制系统，其特征在于，所述标定平面(1)包括两个平行设置的标定板，其中一个标定板上设置点阵图(4)；所述标定板包括平板光学玻璃(2)和色卡纸(3)，所述色卡纸(3)设置于平板光学玻璃(2)之间，平板光学玻璃(2)和色卡纸(3)三个平面粘合形成一个紧密连接的平面；所述成像系统包括中心相机(6)，第一光栅投影头(7)、第二光栅投影头(8)和2D光源发射板(9)，所述第一光栅投影头(7)和第二光栅投影头(8)对称布置在中心相机的两侧，所述成像系统设置在运动平台上；所述控制系统与运动平台相连接，运动平台接收控制系统的指令并根据控制指令带动成像系统运动；所述中心相机(6)与所述控制系统相连接。
2.根据权利要求1所述的相机标定系统，其特征在于：所述标定平面(1)放置在平面滑轨(5)上；所述平面滑轨(5)轨道宽度等于所述标定平面(1)宽度，用于保证标定平面(1)相对于中心相机(6)的平行度。
3.一种应用权利要求1所述的相机标定系统的3D标定方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1：移动标定平面(1)使设置点阵图(4)的标定板置于中心相机(6)的拍摄区域；
步骤2：打开所述2D光源发射板(9)，中心相机(6)拍摄点阵图(4)，计算中心相机(6)安装垂直度和相机分辨率，调节运动平台使中心相机(6)安装符合设计垂直度和设计分辨率；
步骤3：移动标定平面(1)使未设置点阵图(4)的标定板置于中心相机(6)的拍摄区域；
步骤4：第一光栅投影头(7)和第二光栅投影头(8)投射正弦光栅或者余弦光栅到未设置点阵图(4)的标定板，用中心相机(6)拍摄该标定板；计算中心相机(6)各像素的绝对相位，建立绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤5：调节运动平台，使成像系统沿着Z轴移动，依照步骤4中心相机(6)在不同高度进行拍摄，得到多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系；
步骤6：拟合步骤5得到的多组绝对相位与当前Z轴物理高度的对应关系，建立绝对相位与高度的映射关系。
4.根据权利要求3所述的相机标定系统的3D标定方法，其特征在于：通过拍摄点阵图(4)，中心相机(6)在设计分辨率下进行安装的方法是：
1)中心相机(6)拍摄清晰的点阵图(4)并计算当前中心相机(6)的物距；
2)中心相机将1)中的数据传送至控制系统，控制系统计算当前物距与标准分辨率下物距差值，并根据差值通过运动平台调节中心相机的Z轴高度；微调中心相机(6)镜头，中心相机(6)的安装分辨率即符合设计分辨率。
5.根据权利要求3所述的相机标定系统的3D标定方法，其特征在于：在步骤2中，所述中心相机(6)通过拍摄不同XY位置的同一标定点，计算各次拍摄标定点的像素位置，建立像素位置与XY对应关系，拟合像素位置与XY对应关系的转化系数。
6.根据权利要求3所述的相机标定系统的3D标定方法，其特征在于：在步骤4中，中心相机(6)在任一Z轴物理高度进行拍摄时，第一光栅投影头(7)和第二光栅投影头(8)投射不少于3步等距位移的正弦光栅或者余弦光栅。
7.根据权利要求6所述的相机标定系统的3D标定方法，其特征在于：调整运动平台，在计算中心相机(6)绝对相位与其Z轴物理高度的对应关系的同时，计算第一光栅投影头(7)与第二光栅投影头(8)各像素位置绝对相位，分别建立第一光栅投影头(7)与第二光栅投影头(8)各像素绝对相位与高度对应关系的转化系数。
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