CN106982370B - 一种相机高精度校准标定板及实现校准的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多线阵相机检测系统的相机高精度校准标定板及实现校准的方法。所述标定板为白色背景，表面图案分两层，上层是等间距排布的相同黑条纹区域，下层是等间距排布的相同等腰三角形区域。线阵相机组校准实现方法是，首先依次将每个相机对黑条纹区域成像，相机绕Z轴旋转，使相机图像内黑条纹数量最多，实现相机扫描线与区域Y方向平行。其次调整相机绕X轴旋转，使图像中黑条纹间距相等，实现相机轴线与标定板平面垂直。然后，依次使相邻两个相机同时对等腰三角形区域成像，调整第二个相机沿X轴方向平动，使图像中黑色条纹间距相等，实现两个相机扫描线共线。依次调整第三个相机与第二个相机图像中的黑色条纹间距相等，直至所有相机。
Description
技术领域
本发明属于线阵相机标定技术领域，具体涉及一种多线阵相机检测系统的相机高精度校准标定板及实现校准的方法。
技术背景
机器视觉检测技术在工业中应用日趋广泛，需根据不同检测幅面大小设计成像扫描系统，如在带钢、布匹等表面缺陷检测中，被检测物具有检测平面尺寸大、检测精度要求高、运动速度快等特点，而单个相机分辨率有限，需要多个相机拼接使用。
由于成像机理不同，在测量高速运动物体时，往往采用多线阵组合的扫描检测系统。为了保证多线阵相机扫描检测系统成像一致性，需要进行高精度的校准和调整，如各个相机相对检测平面的位姿保持一致、各相机相互扫描线共线及成像清晰度一致等。
目前，多线阵相机系统校准方法，多采用人工目测加简单的辅助物实现调整焦距、视场重叠及扫描区域共线。存在精度差、效率低，调整参数有限等缺点。如单个相机轴线与检测平面垂直校准无法实现，整个系统精准度过分依赖机械支架制造和安装精度。
因此，本发明结合线阵相机成像特点，设计一种用于多线阵相机检测系统的相机校准标定板，并提出相应高精度校准方法。该标定板及校准方法在高速大幅面高精度检测中，图像处理算法快速简单，兼顾效率和精度，可快速准确实现多个线阵相机相互位姿校准。
发明内容
本发明对生产应用中，多个线阵相机联合使用情况下，线阵相机标定难度大、精度差的问题提出解决方案。本发明在标定板板体上设计出特殊图案，通过识别处理对线阵相机进行调整。同时，使用本发明中的标定板，可以将多个线阵相机的扫描线调整至共线，标定精度高。
为了实现上述目的，本发明公开了一种多线阵相机检测系统的相机高精度校准标定板及实现方法，所述标定板板体表面有一组黑色条纹和一组等腰三角形组成。
黑条纹区域中的黑条纹形状大小完全相同，每条条纹宽度为a毫米，高度为b毫米，黑条纹数量根据每个相机成像视场内有n个完整的黑条纹(n≥20)和线阵相机组中相机数量确定，条纹宽a、条纹高b、单个相机视场内条纹数量n和夹角α关系为h×tanα＝(2n-1)×a。三角形区域中的等腰三角形形状大小完全相同，每个等腰三角形顶角θ在90°～120°范围内，三角形数量根据每个相机成像视场内有不少于4个完整的三角形和线阵相机组中相机数量确定。
一种多线阵相机校准的实现方法包括如下步骤：
步骤一、将板体与检测平面重合，且在校准过程中板体只能沿X平动，线阵相机组安装于支架上，各线阵相机以支架为基准沿X、Y、Z对齐，且每个相机可沿X平移、Y平移、绕Z旋转、绕X旋转微调，沿Z平移、绕Y旋转根据成像光路要求固定。
步骤二、实现单个相机对应扫描线与黑条纹区域(2)Y方向平行校准。
依次将线阵相机组内每个相机对黑条纹区域(2)成像，假设当相机扫描线与Y轴夹角α小于等于1°时，认为相机扫描线与Y轴方向达到平行。调节相机绕Z轴旋转，观察相机视场内黑条纹数目为n时，实现相机扫描线与黑条纹区域(2)Y轴方向平行；
步骤三、实现单个相机轴线与板体平面垂直校准。
对每个相机获取的图像处理，根据图像中黑色条纹间距调整相机X轴旋转角β。相机绕X轴旋转，依次计算相邻黑条纹间距，比较相邻条纹间间距大小，相机向条纹间距大的一侧旋转调整，当任意相邻黑条纹间间距相等时相机轴线与板体平面垂直。
步骤四、实现多个相机对应扫描线共线校准。
将板体沿X轴正向平移，使线阵相机组中第一个相机和第二个相机同时对区域(3)成像。分别处理对应图像，得到两组相邻黑色条纹间距L1.1，L1.2，L1.3…L1.n和L2.1，L2.2，L2.3…L2.n，对两组数据求均值L1、L2。比较L1和L2大小关系，调整第二个相机沿X轴方向平动，使其对应图像中黑色条纹间距L2等于第一个相机对应图像中的黑色条纹间距L1，实现两个相机扫描线共线。依次调整第三个相机对应图像中黑色条纹间距使其等于前一个相机对应图像中的黑色条纹间距，直至所有相机，则实现线阵相机组(4)内所有相机扫描线共线。
本发明的有益效果是：该标定板是根据所对应相机分辨率、像元尺寸及成像视场大小来确定标定板中图案大小，能够实现对单个线阵相机快速准确调整。能精确测量出多个线阵相机扫描线在X轴方向上的相对位置差，并进行调整，最终使所有线阵相机扫描线共线。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的具体描述得以阐明，其中：
图1是本发明在检测平面上校准标定板布置结构示意图。
图2是本发明提出的标定板及图案示意图。
图3a是线阵相机绕Z轴旋转调整前，扫描线与黑条纹中心线夹角α示意图。图3b是线阵相机绕Z轴旋转调整后，相机扫描线与黑条纹中心线平行后示意图。
图4a是相机绕X旋转调整前，相机偏向Y轴正方向，相机成像区域内黑条纹大小间距示意图。图4b是相机绕X旋转调整前，相机偏向Y轴负方向，相机成像区域内黑条纹大小间距示意图。图4c是相机绕X旋转调整后，相机垂直于标定板，相机成像区域内黑条纹大小间距示意图。
图5a是相机扫描线扫描标定板区域(3)空间结构示意图。图5b是扫描线在X轴方向间距示意图。
图6是相机完成校准调整后空间结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步阐述，实施例仅用于阐明本发明，便于相关领域技术人员综合理解本发明的细节，而不用于限制本发明的范围。在详述实施例时，为了便于说明，所示图样仅为示意图。在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明任何等价形式的修改属于本发明权利要求限定范围之内。
如图1所示，本发明在生产作业任务中线阵相机、标定板和被测物的布局结构示意，其中1为校准标定板板体，2为板体表面的黑色条纹区域，3为板体表面的等腰三角形区域，4为线阵相机组，5为相机支架杆，6为被检测平面。根据被测物幅宽以及检测精度确定相机型号和相机数量。
如图2所示，标定板板体表面由一组黑条纹和一组等腰三角形组成。黑条纹区域中的黑条纹形状大小完全相同，每条条纹宽度为a毫米，高度为b毫米，黑条纹数量根据每个相机成像视场内有n个完整的黑条纹(n≥20)和线阵相机组中相机数量确定，条纹宽a、条纹高b、单个相机视场内条纹数量n和夹角α关系为b＝(2n-1)×a×tanα。三角形区域中的等腰三角形形状大小完全相同，每个等腰三角形顶角θ在90°～120°范围内，三角形数量根据每个相机成像视场内有不少于4个完整的三角形和线阵相机组中相机数量确定。
下面通过一个实施例来说明本发明的标定板：
某被测物平面幅宽900毫米，使用3台线阵相机联合检测，每台线阵相机成像视场330mm，相邻相机扫描线相互重合30毫米，左右两侧相机扫描线各超出检测平面边缘15毫米，3台相机联合检测范围宽度W＝930毫米。根据单台相机视场内包含28条完整黑条纹，可使黑条纹区域内每条黑条纹宽度a＝6毫米，相邻两黑条纹间距6毫米，每条黑条纹高度b＝5毫米。整个标定板板体表面黑条纹区域共有81条完整黑条纹，标定板板体长度L为970毫米，黑条纹区域在标定板上居中排布。等腰三角形区域内每个等腰三角形顶角θ＝120°，底边长c＝40毫米，相邻三角形顶点之间距离d＝50毫米，在标定板板体表面共有19个完整的三角形，三角形区域在标定板上居中排布，其中在每个相机视场内有6个完整的三角形。
将标定板板体与检测平面重合，确保标定板中的黑条纹区域在线阵相机4-1视场内，对相机4-1绕Z轴旋转调整α1角，统计相机视场内完整的黑条纹数目n，当n＝28时相机4-1对应扫描线线1与黑条纹区域Y方向平行。依次对相机4-2、4-3进行绕Z轴旋转调整α2、α3，分别使相机4-2、4-3扫描线线2、线3与黑条纹区域Y方向平行。所有相机绕Z轴调整平行后如图3b所示。
对相机获取的图像处理，根据处理图像得到黑色条纹间距，调整相机X轴旋转角β。对相机4-1绕X轴旋转，计算相邻黑条纹间距，比较相邻条纹间间距大小。如图3b所示相机4-1向Y轴正方向倾斜，其视野范围内黑色条纹如图4a所示，相机向Y轴负方向旋转调整β1角，当任意相邻黑条纹间距相等时相机轴线与标定板平面垂直，如图4c所示。对相机4-2、4-3绕X轴旋转，计算相邻黑条纹间距，比较相邻条纹间间距大小。如图3b所示相机4-2、4-3向Y轴负方向倾斜，其视野范围内黑色条纹如图4b所示，相机向Y轴正方向旋转调整β2角，当任意相邻黑条纹间距相等时相机轴线与标定板平面垂直，如图4c所示。
如图5a所示，平移标定板，使标定板中的等腰钝角三角形区域在线阵相机4-1与4-2共同的视角范围内，使线阵相机组中第一个相机4-1和第二个相机4-2同时对三角形区域成像。分别处理对应图像，得到两组相邻黑色条纹间距L1.1，L1.2，L1.3…L1.n和L2.1，L2.2，L2.3…L2.n如图5b所示，对两组数据求均值L1、L2。以相机4-1视场内条纹间距L1为基准，比较相机4-2视场内条纹间距L2与L1的大小关系。若L1＞L2，则相机4-2位于相机4-1的前方，由计算出平行扫描线线1、线2在X轴方向上的相对距离，平移相机4-2使两个相机中平行扫面线相对距离h＝0；若L1＜L2，则相机4-2位于相机4-1的后方，由计算出平行扫描线线1、线2在X轴方向上的相对距离，平移相机4-2使两个相机中平行扫面线相对距离h＝0。
以相机4-2视场中黑色条纹间距为基准，与相机4-3中黑色条纹间距作比较。计算出平行扫描线线2、线3在X轴方向上的相对距离h，平移相机4-3使两个相机中平行扫描线相对距离h＝0。至此，多线阵相机标定完成，如图6所示。
以上仅以部分实施例对本发明进行说明，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种采用标定板实现多线阵相机检测系统的相机高精度校准方法，所述标定板为多线阵相机检测系统的相机高精度校准标定板，所述标定板包括板体(1)，该板体(1)表面为平面，板体(1)表面为白色背景，平面上图案沿X方向分为两层，上层是由等间距排布的黑条纹组成的黑条纹区域(2)，下层是由等间距排布的等腰三角形组成的三角形区域(3)，且板体(1)长度大于线阵相机组(4)检测范围宽度，所述的黑条纹区域(2)中的黑条纹形状大小完全相同，每条条纹宽度为a毫米，高度为b毫米，黑条纹数量根据每个相机成像视场内有n个完整的黑条纹和线阵相机组(4)中相机数量确定，其中n≥20；条纹宽a、条纹高b、单个相机视场内条纹数量n和相机扫描线与黑条纹区域(2)Y方向的夹角α关系为h×tanα＝(2n-1)×a，所述的三角形区域(3)中的等腰三角形形状大小完全相同，每个等腰三角形顶角θ在90°～120°范围内，三角形数量根据每个相机成像视场内有不少于4个完整的三角形和线阵相机组(4)中相机数量确定；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、将板体(1)与检测平面(6)重合，且在校准过程中板体(1)只能沿X平动，线阵相机组(4)安装于支架(5)上，各线阵相机以支架(5)为基准沿X、Y、Z对齐，且每个相机可沿X平移、Y平移、绕Z旋转、绕X旋转微调，沿Z平移、绕Y旋转，根据成像光路要求固定；
步骤二、实现单个相机对应的相机扫描线与黑条纹区域(2)Y方向平行校准，依次将线阵相机组(4)内每个相机对黑条纹区域(2)成像，假设当相机扫描线与Y轴夹角α小于等于1°时，认为相机扫描线与Y轴方向达到平行，调节相机绕Z轴旋转，观察相机视场内黑条纹数目为n时，实现相机扫描线与黑条纹区域(2)Y轴方向平行；
步骤三、实现单个相机轴线与板体平面垂直校准，对每个相机获取的图像处理，根据图像中黑色条纹间距调整相机X轴旋转角β，相机绕X轴旋转，依次计算相邻黑条纹间距，比较相邻条纹间间距大小，相机向条纹间距大的一侧旋转调整，当任意相邻黑条纹间距相等时，认为相机轴线与板体(1)平面实现垂直；
步骤四、实现多个相机对应扫描线共线校准，将板体(1)沿X轴正向平移，使线阵相机组(4)中第一个相机(4-1)和第二个相机(4-2)同时对三角形区域(3)成像，分别处理对应图像，得到两组相邻黑色条纹间距L1.1，L1.2，L1.3…L1.n和L2.1，L2.2，L2.3…L2.n，对两组数据求均值L1、L2，比较L1和L2大小关系，调整第二个相机(4-2)沿X轴方向平动，使其对应图像中黑色条纹间距L2等于第一个相机(4-1)对应图像中的黑色条纹间距L1，实现两个相机扫描线共线，依次调整第三个相机(4-3)对应图像中黑色条纹间距使其等于前一个相机对应图像中的黑色条纹间距，直至所有相机，则实现线阵相机组(4)内所有相机扫描线共线。
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