CN107808400A

CN107808400A - 一种摄像机标定系统及其标定方法

Info

Publication number: CN107808400A
Application number: CN201711003936.XA
Authority: CN
Inventors: 张轲; 秦涛; 邓景煜
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2018-03-16
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: CN107808400B

Abstract

本发明提供了一种摄像机标定系统，其标定平台包括X轴平移机构、Y轴平移机构、Z轴平移机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、Z轴旋转机构以及固定平台，具备6自由度。同时提供了一种摄像机标定系统的标定方法，依据标定平台的尺寸参数建立各轴坐标系，通过各轴编码器记录各轴位置可得到任意时刻标定板或参照物的位置和方向，进一步可实现标定板或参照物任意方向的平移和转动。本发明可代替机器人平台实现摄像机的内外参数的标定，并且不需要机器人与摄像机末端固连的定制夹具，可方便的使用传统标定法和自标定方法，具有操作简单，使用灵活，并且相对机器人移动摄像机的工作方式，通过移动标定板或参照物进行标定的误操作机率也大大降低。

Description

一种摄像机标定系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及摄像机标定技术领域,特别涉及一种摄像机标定系统及其标定方法。

背景技术

摄像机被用于机器视觉系统中获取目标图像以实现对物体的重建与识别等功能。实现上述功能的前提是建立空间物体上某点的三维信息与其在图像中二维坐标信息之间的几何模型，而几何模型的参数即为摄像机的内外参数以及摄像机的光平面方程。内外参数以及光学参数的需通过实验与计算标定得到，因此参数标定的精度直接影响机器视觉的精度。

目前，针对摄像机的标定已提出多种方法，一般分为两类：即摄像机的传统标定方法和自标定方法。传统标定方法是基于特定的标定块过对参照物图像进行图像处理以及数学求解求取摄像机的模型参数，主要包括经典Faugeras标定法、张正友标定法、Tsai标定法等，上述方法都需要通过摄像机在相对标定块处于若干不同的位姿状态获下取标定块特征信息，所不同只是数学几何模型以及求解方法的区别。例如张正友标定法要求摄像机在至少二个不同的方位拍摄一平面标定板，并假定标定板在世界坐标系中Z＝0，通过线性模型分析计算得出计算机参数的优化初始解，而后使用最大似然法进行线性求精，同时考虑镜头的径向畸变，进一步求解得到摄像机的内、外参数。自标定方法仅利用摄像机在运动的过程中周围环境图像与图像之间的对应关系对摄像机进行标定，主要包括基于主动视觉的自标定方法、基于绝对二次曲面或二次曲线的自标定法等。例如基于马颂德提出的两组三正交方法,将相机固定在机器人末端,控制摄像机做两组已知的三个方位正交运动,利用汇集点方向向量与正交方向平行的原理,建立内参数的线性方程组,进而求得相机的内参数。

由此可见无论摄像机的自标定还是传统的标定方法都需要控制摄像机或者标定板在三维空间做适当平移或旋转运动，以获得不同的摄像机拍摄位姿。目前最常用的方法是将摄像机固定在机器人末端，因为通过机器人可以尽可能多的变换摄像机的位姿，以提高传统标定法的标定精度；且也可控制摄像机沿要求方向运动以实现自标定方法。但在很多情况下不需要标定摄像机与机器人的手眼关系，只是为了标定摄像机的内参数而使用机器人；且使用机器人的摄像机标定不仅需要定制摄像机与机器人末端的固定夹具，同时使得标定的灵活性较差，工作现场若没有机器人则无法开展标定；再者由于直接控制的是机器人末端的位姿而非摄像机的位姿，在做旋转运动时容易出现误操作，即使得标定板(参照物)超出摄像机的视野范围，需要平移机器人做补偿使标定板(参照物)重新回到视野内，如此反复操作耗时且不方便。因此，有必要提供一种新的标定系统，以解决上述使用机器人平台标定时出现的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对使用机器人平台标定摄像机内参数时存在的不足和缺陷，提供一种可实现任意旋转和平移标定板(参照物)的摄像机标定系统(等效于摄像机位姿变化)及其标定方法。平台具备体积小方便搬运特点，同时因为标定时摄像机静止，省去了摄像机-机器人固定的定制夹具，相对于机器人平台使用更为灵活；直接旋转平台上的标定板(参照物)也可减少丢失对应图像的可能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种摄像机标定系统，包括标定平台，所述标定平台包括X轴平移机构、Y轴平移机构、Z轴平移机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、Z轴旋转机构以及固定平台；其中：

所述Z轴平移机构设置于整个标定平台的最底端，包括Z轴移动平台、Z轴滚珠丝杆以及Z轴平移机构旋转编码器；Z轴滚珠丝杆实现Z轴移动平台在Z方向的移动，通过Z轴平移机构旋转编码器记录Z轴滚珠丝杆的旋转周次，从而记录Z轴移动平台在Z方向的位置；

所述Y轴平移机构包括Y轴移动平台、Y轴滚珠丝杆以及Y轴平移机构旋转编码器；Y轴滚珠丝杆设置于Z轴移动平台上，Y轴滚珠丝杆实现Y轴移动平台Y方向的平移，通过Y轴平移机构旋转编码器记录Y轴滚珠丝杆的旋转周次，从而记录Y轴移动平台在Y方向的位置；

所述X轴平移机构包括X轴移动平台、X轴滚珠丝杆以及X轴平移机构旋转编码器；X轴滚珠丝杆设置于Y轴移动平台上，X轴滚珠丝杆实现X轴移动平台在X方向的平移，通过X轴平移机构旋转编码器记录X轴滚珠丝杆的旋转周次，从而记录X轴移动平台在X方向的位置；

所述X轴旋转机构包括X轴旋转平台和X轴旋转机构旋转编码器；所述Y轴旋转机构包括Y轴旋转平台和Y轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转机构包括Z轴旋转支架、Z轴旋转平台和Z轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转支架固定在X轴移动平台上，所述X轴旋转平台、Y轴旋转平台、Z轴旋转平台设置于Z轴旋转支架上，所述固定平台设置于X轴旋转平台上，实现固定平台绕X轴、Y轴和Z轴旋转，通过X轴旋转机构旋转编码器、Y轴旋转机构旋转编码器和Z轴旋转机构旋转编码器，分别记录X轴旋转平台、Y轴旋转平台和Z轴旋转平台的旋转周次，从而记录三轴旋转支架的旋转角度。

优选地，还包括如下任意一个或任意多个部件：

-摄像机，所述摄像机设置于标定平台的正上方；

-标定板，所述标定板可拆卸地设置于固定平台上；

-参照物，所述参照物具备特征点，并可拆卸地设置于固定平台上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种摄像机标定系统的标定方法，包括如下任意一个过程：

-传统标定过程；

-自标定过程；

其中：

所述传统标定过程，包括如下步骤：

第S1步：将标定平台放置于一合适水平位置，将摄像机固定于标定平台正上方适当位置；将标定板固定于固定平台上；

第S2步：调整X轴旋转支架、Y轴旋转支架以及Z轴旋转支架，使得X轴旋转机构旋转编码器、Y轴旋转机构旋转编码器和Z轴旋转机构旋转编码器记录的旋转角度分别为零；

第S3步：将固定平台固定于X轴旋转平台上，调整X轴滚珠丝杆和Y轴滚珠丝杆，使X轴移动平台和Y轴移动平台分别沿X轴和Y轴平移，从而使得标定板处于摄像机的视野中心位置；调整Z轴滚珠丝杆使Z轴移动平台沿Z轴移动，让标定板处于摄像机的景深范围内，得到清晰的标定板图像；

第S4步：摄像机至少处于两个不同的方位拍摄标定板，根据各轴的位置和标定平台坐标系，得到标定板的位置和姿态，进而得到摄像机的内参数标定；

所述自标定过程，包括如下步骤：

步骤S1：将标定平台放置于一合适水平位置，将摄像机固定于标定平台正上方适当位置；将具备特征点的参照物设置于固定平台上；

步骤S2：调整X轴旋转支架、Y轴旋转支架以及Z轴旋转支架，使得X轴旋转机构旋转编码器、Y轴旋转机构旋转编码器和Z轴旋转机构旋转编码器的旋转角度分别为零；

步骤S3：将固定平台固定于X轴旋转平台上，调整X轴滚珠丝杆和Y轴滚珠丝杆，使X轴移动平台和Y轴移动平台分别沿X轴和Y轴平移，从而使得参照物处于摄像机的视野中心位置；调整Z轴滚珠丝杆使Z轴移动平台沿Z轴移动，让参照物处于摄像机的景深范围内，得到清晰的参照物图像；

步骤S4：记录参照物的至少两个特征点在图像中的坐标，并根据特征点在图像中的坐标，预设多个正交方向，通过移动X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台实现参照物沿正交方向的多个方向移动适当距离，并记录沿每个方向移动后参照物特征点在图像中的坐标；以此得到多个汇集点信息，并依据摄像机模型，线性求解摄像机的内参数。

优选地，为了更加精确的对摄像机的内外参数进行标定，采用对称旋转的方法获得多个标定板图像。

优选地，所述对称旋转的方法采用如下任意一种：

-方法A，绕某轴正反向旋转一定角度；

-方法B，绕多轴正反向组合旋转一定角度。

优选地，方法A具体为：±a°(X，Y，Z)，表示绕X轴或Y轴或Z轴分别正向、负向转a°，如此得到6个不同的方位。

优选地，方法B具体为：[﹢b°(X)，﹢c°(Y)]、[-b°(X)，-c°(Y)]，表示先绕X轴正向转b°，绕Y轴正向转c°，再绕X轴反向转b°，绕Y轴反向转c°。

优选地，所述标定平台坐标系的建立方法，包括如下步骤：

建立标定平台的坐标系0至坐标系7，其中，坐标系0为固定于摄像机底座底面的坐标系，即摄像机标定的过程中坐标系固定不变，坐标系0的坐标原点位于Z轴移动平台的中心在底座底面上的投影处；坐标系1固定于Z轴移动平台的上表面，坐标系1的坐标原点位于Z轴移动平台的上表面的中心处；坐标系2固定于Y轴移动平台的上表面，坐标系2的坐标原点位于Y轴移动平台的上表面的中心处；坐标系3固定于X轴移动平台的上表面，坐标系3的坐标原定位于X轴移动平台的上表面的中心处；坐标系4固定于Z轴旋转平台上，坐标系4的坐标原点位于X、Y和Z三个旋转轴的交点处；坐标系5固定于Y轴旋转平台上，坐标系5的坐标原点位于X、Y和Z三个旋转轴的交点处；坐标系6固定于X轴旋转平台上，坐标系6的坐标原点位于X、Y和Z三个旋转轴的交点处；坐标系7为固定平台坐标系，固定于固定平台的上表面，坐标系7的坐标原点位于固定平台的上表面的中心处。

优选地，还包括如下步骤：利用标定平台坐标系得到摄像机外参数，其方法为：

设T(i-1,i)表示坐标系i相对于坐标系i-1的齐次变换，则由标定平台的坐标系以及标定平台的尺寸参数，得到如下关系：

其中：

T(0,1)代表坐标系1相对于坐标系0的齐次变换，T(1,2)代表坐标系2相对于坐标系1的齐次变换，T(2,3)代表坐标系3相对于坐标系2的齐次变换，T(3,4)代表坐标系4相对于坐标系3的齐次变换，T(4,5)代表坐标系5相对于坐标系4的齐次变换，T(5,6)代表坐标系6相对于坐标系5的齐次变换，T(6,7)代表坐标系7相对于坐标系6的齐次变换；

分别表示固定平台绕Z轴、Y轴、X轴转动Zr,Yr,Xr的旋转变换，CZr表示cos(Zr)，SZr表示sin(Zr)，Yr和Xr的正余弦表示方法相同；

进一步计算可得到：

由于标定板和标定平台参数h1～h6,l1,l2,k1,k2已知，因此计算出摄像机拍摄每幅图像位置时，利用记录的各轴位置(Xp,Yp,Zp,Xr,Yr,Zr)得到标定板坐标系相对于底座坐标系的坐标变换，从而计算得到摄像机外参数；

其中：

h1表示标定平台底座厚度；h2表示Z轴移动平台厚度；h3表示Y轴移动平台与Z轴平台上表面距离；h4表示X轴移动平台与Y轴平台上表面距离；h5表示X旋转平台轴中心线和Y旋转平台轴中心线与X轴移动平台上表面距离；h6表示X旋转平台轴中心线和Y旋转平台轴中线与标定板上表面距离；l1表示Z轴移动平台Y向尺寸；l2表示Y轴移动平台Y向尺寸；k1表示Y轴移动平台X向尺寸；k2表示X轴移动平台X向尺寸；

Xp、Yp、Zp分别表示X轴移动平台、Y轴移动平台、Z轴移动平台的位置；

Xr、Yr、Zr分别表示固定平台绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度。

优选地，在自标定过程中，所述多个正交方向具体为：两组三个正交方向，相应地，参照物沿正交方向的多个方向移动具体为：参照物沿两组三个正交方向的6个方向移动。

优选地，所述两组三正交方向通过预先自行假定或通过标定平台坐标系得到；

其中，通过标定平台坐标系得到的方法，包括如下步骤：

旋转Z轴旋转平台、Y轴旋转平台和X轴旋转平台，并记录(Xr,Yr,Zr)；根据标定平台坐标系T(0,6)，计算得到固定平台的坐标系的方向向量，即矩阵R(Z,Zr)R(Y,Yr)R(X,Xr)的三个列向量，以此作为一组三个正交方向的方向向量，同理，得到另一组三个正交方向的方向向量；其中，Xr、Yr、Zr分别表示固定平台绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度；R(Z,Zr)、R(Y,Yr)、R(X,Xr)分别表示固定平台绕Z轴、Y轴、X轴转动Zr、Yr、Xr的旋转变换；T(0,6)表示坐标系6相对于坐标系0的齐次坐标变换。

本发明提供的摄像机标定系统，其标定平台具备6自由度，在各轴运动范围内，可实现标定板或参照物任意位置和方位。相比于工业机器人标定平台，上述标定系统具备体积小、携带方便等特点；由于旋转移动的是标定板或参照物，而非摄像机，误操作的几率降低，并且不需要特定的机器人末端与摄像机的固连夹具，使用更加方便和灵活。该标定系统不仅可用于传统的摄像机标定方法，也可用于摄像机的自标定方法，适应性强，具备较高的实用价值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的标定系统，其标定平台具有X\Y\Z轴平移机构以及X\Y\Z轴旋转机构，具备6自由度，可分别实现标定板(参照物)沿X\Y\Z轴平移和绕X\Y\Z轴的旋转。

2、本发明提供的标定系统，其标定平台可使用传统的基于特殊标定板的张正友标定法和基于特定运动的马颂德自标定法(包括杨长江、李华等提出四组两正交改进标定法)标定摄像机的内外参数。

3、相对于机器人平台，本发明提供的标定系统小巧轻便，并且标定时不需要特殊摄像机和机器人末端固接夹具，使用方便灵活。

4、相对于机器人平台移动摄像机，本发明提供的标定系统，移动旋转标定板或参照物，可以调整的姿态范围更大，误操作的机率大大减小。

5、本发明提供的标定系统，其标定平台各轴具有旋转编码器，可记录各轴的位置(Xp,Yp,Zp,Xr,Yr,Zr)，并且提出了标定平台坐标系的建立方法，根据各轴的位置和标定平台坐标系可得到标定板或参照物的位置和姿态，进一步根据需要，通过逆运算，也可实现任意要求的标定板或参照物的位置和姿态。

6、在使用张正友标定法时，提出对称旋转标定板或参照物的标定方法，有利于降低标定的系统误差。

7、在使用马颂德标定法时，提出两组三正交的方向向量可以事先预设，也可以使用标定平台的X轴旋转平台的坐标系的方向向量代替。

8、本发明提供的标定系统，适用的标定方法不仅限于张正友标定法、马颂德标定法或其改进法，对于需要标定或(参照物处于不同位置和方位获取多幅图像的标定方法，或者需要标定板或参照物做特定的旋转平移运动，利用多幅图像之间关系进行标定的方法也同样适用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为标定平台等轴视图；

图2为标定平台局部放大示意图；

图3为标定平台正视图；

图4为标定平台部分尺寸参数示意图；

图5为标定平台部分尺寸参数以及平台坐标系建立示意图；

图6为标定平台传统法标定俯视图；

图7为标定平台传统法标定正视图；

图8为标定平台自标定过程示意图；

图9为本发明工作状态示意图；

图1中：10为标定平台，16为X轴旋转平台，17为Z轴旋转平台，18为Y轴旋转平台，19为Z轴旋转支架，20为Y轴平移旋钮，21为X轴平移旋钮，22为Z轴平移旋钮，23为X轴旋转机构旋转编码器，24为X轴旋转旋钮，25为Y轴旋转机构旋转编码器，26为Y轴旋转旋钮；

图2中，23为X轴旋转机构旋转编码器，24为X轴旋转旋钮，25为Y轴旋转机构旋转编码器，26为Y轴旋转旋钮；

图3中，11为Z轴移动导轨，12为Z轴移动平台，13为Y轴移动平台，14为X轴移动平台，15为Z轴旋转机构旋转编码器，19为Z轴旋转支架；

图4中，l1为Z轴移动平台Y向尺寸；l2为Y轴移动平台Y向尺寸；k1为Y轴移动平台X向尺寸；k2为X轴移动平台X向尺寸；

图5中，0～7分别为坐标系0至坐标7的坐标原点h1为标定平台底座厚度；h2为Z轴移动平台厚度；h3为Y轴移动平台与Z轴平台上表面距离；h4为X轴移动平台与Y轴平台上表面距离；h5为X/Y旋转平台轴中心线与X轴移动平台上表面距离；h6为X/Y旋转平台轴中线与标定板上表面距离；

图7中，27为标定板，28为摄像机，29为假定采用机器人或其旋转机构夹持摄像机时末端Y轴位置，30为摄像机的第二视野范围，31为摄像机的第一视野范围；

图8中，32为参照物，33为第一组的三个正交方向，34为第二组的三个正交方向。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种摄像机标定系统，包括标定平台，所述标定平台包括X轴平移机构、Y轴平移机构、Z轴平移机构；X轴旋转机构、Y轴旋转机构、Z轴旋转机构以及固定平台；其中：

所述Z轴平移机构设置于整个标定平台的最底端，包括底座和Z轴移动平台、Z轴滚珠丝杆以及Z轴平移机构旋转编码器；Z轴滚珠丝杆实现Z轴移动平台Z方向的移动，通过Z轴平移机构旋转编码器记录Z轴滚珠丝杆的旋转周次，从而记录Z轴移动平台在Z方向的位置；

所述X轴平移机构包括X轴移动平台、X轴滚珠丝杆以及X轴平移机构旋转编码器；X轴滚珠丝杆设置于Y轴移动平台上，X轴滚珠丝杆实现X轴移动平台X方向的平移，通过X轴平移机构旋转编码器记录X轴滚珠丝杆的旋转周次，从而记录X轴移动平台在X方向的位置；

所述X轴旋转机构包括X轴旋转平台(设有用于转动X轴旋转平台的X轴旋转旋钮)和X轴旋转机构旋转编码器；所述Y轴旋转机构包括Y轴旋转平台(设有用于转动Y轴旋转平台的Y轴旋转旋钮)和Y轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转机构包括Z轴旋转支架、Z轴旋转平台和Z轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转支架固定在X轴移动平台上，所述X轴旋转平台、Y轴旋转平台、Z轴旋转平台设置于Z轴旋转支架上，所述固定平台设置于X轴旋转平台上，实现固定平台绕X轴、Y轴和Z轴旋转，通过X轴旋转机构旋转编码器、Y轴旋转机构旋转编码器和Z轴旋转机构旋转编码器，分别记录X轴旋转平台、Y轴旋转平台和Z轴旋转平台的旋转周次，从而记录三轴旋转支架的旋转角度。

进一步地，还包括如下任意一个或任意多个部件：

-摄像机，所述摄像机设置于标定平台的正上方；

-标定板，所述标定板可拆卸地设置于固定平台上；

如图1至图3所示，上述各部件的连接关系具体描述如下：

Z轴移动平台设置于底座上，Z轴滚珠丝杆与Z轴移动平台相连接，用以实现Z轴移动平台的Z方向移动，Z轴平移机构旋转编码器设置于Z轴滚珠丝杆上，用以记录Z轴滚珠丝杆的旋转周次；

Y轴移动平台设置于Z轴移动平台上，Y轴滚珠丝杆与Y轴移动平台相连接，用以实现Y轴移动平台的Y方向移动，Y轴平移机构旋转编码器设置于Y轴滚珠丝杆上，用以记录Y轴滚珠丝杆的旋转周次；

X轴移动平台设置于Y轴移动平台上，X轴滚珠丝杆与X轴移动平台相连接，用以实现X轴移动平台的X方向移动，X轴平移机构旋转编码器设置于X轴滚珠丝杆上，用以记录X轴滚珠丝杆的旋转周次；Z轴旋转支架设置于X轴移动平台上，Z轴旋转平台置于Z轴支架上，Z轴支架带动Z轴平台旋转，通过Z轴旋转编码器记录Z轴平台旋转角度；Y轴旋转平台置于Z轴旋转平台上，通过轴与之相连，使用Y轴旋转旋钮转动Y轴旋转平台，并通过Y轴旋转编码器记录旋转平台旋转角度；X轴旋转平台置于Y轴旋转平台上，通过轴与之相连，使用X轴旋转旋钮转动X轴旋转平台，并通过X轴旋转编码器记录旋转平台旋转角度，固定平台设置于X轴旋转平台上用于放置标定板或参照物。

实施例2

本实施例提供了一种摄像机标定系统的标定方法，包括如下任意一个过程：

-传统标定过程；

-自标定过程。

具体地：

(1)传统标定方法

此处介绍使用实施例1提供的标定系统进行张正友标定法的具体步骤：

第一步：将标定平台10的放置于一合适水平位置，将摄像机28固定于标定平台10正上方适当位置；将标定板27固定于固定平台上；

第二步：调整X轴旋转支架的X轴旋转旋钮24、Y轴旋转支架的Y轴旋转旋钮26，以及Z轴旋转支架19的Z轴旋转旋钮，使得X轴旋转机构旋转编码器23、Y轴旋转机构旋转编码器25、Z轴旋转机构旋转编码器15的旋转角度分别都为零，即标定前将三维旋转机构的各旋转轴回零(X、Y、Z轴平移机构的旋转编码器可内置于机构内，未在图1至图3中标示)；

第三步：将固定平台固定于X轴旋转平台16上，调整X轴滚珠丝杆的X轴平移旋钮21、Y轴滚珠丝杆的Y轴平移旋钮20，使X轴移动平台14和Y轴移动平台13分别沿X轴、Y轴平移，从而使得标定板27处于摄像机的视野30中心位置；调整Z轴滚珠丝的Z轴平移旋钮22使Z轴移动平台12沿Z轴移动,让标定板27处于摄像机28的景深范围内，得到清晰的标定板图像1；

第四步：根据自标定方法，至少要使得摄像机处于两个不同的方位拍摄标定板27，图7中使得标定板27绕Y轴旋转一定角度(例如图中14.9°)，使得标定板27仍然处于摄像机28视野内，若部分图像不处于摄像机的景深范围内，可通过移动Z轴移动平台12调整标定板图像的清晰度；

从图6中可以看出，如果采用机器人平台，假定机器人末端Y轴处于位置29，摄像机绕位置29旋转14.9°，则摄像机28的第一视野范围31将不能完全覆盖标定板27。而使用本标定平台，绕Y轴旋转相同角度，标定板仍处于摄像机28的第二视野范围30内。由此可见，相比于机器人平台，实施例1提供的标定系统可调范方位围更大，且出现误操作的几率也大大降低。

第五步：为了更加精确的对摄像机的内外参数标定，通常的做法是获取更多的标定板图像数量。为此，可采用对称旋转的方法依次获得，即正反向绕某轴旋转一定角度，例如：±5°(X，Y,Z)，±10°(X，Y,Z)，±15°(X，Y,Z)，(±5°(X，Y,Z)表示绕X轴或Y轴或Z轴分别正向，负向转5°，如此可得到6个不同的方位)；还可进行组合旋转:[﹢5°(X),﹢10°(Y)],[-5°(X),-10°(Y)]，前者表示标定板先绕X轴正向转5°，再绕Y轴正向转10°。后者则是先绕X轴反向转5°，再绕Y轴反向转10°。按照此方法可对称获取多个标定板图像，有利于消除任意旋转带来的标定系统误差，提高摄像机标定的精度。

需要注意的是：一般情况只需标定摄像机的内参数，因为此时的外参数是摄像机坐标系相对于标定平台的坐标系的旋转平移齐次变换，并没有实际的使用意义。如若需要标定外参数，则需要建立标定平台的坐标系，并由各轴旋转编码器记录每次获取标定图像时各轴的位置:(Xp,Yp,Zp,Xr,Yr,Zr)，Xp,Yp,Zp分别表示X轴，Y轴，Z轴移动平台14,13,12的位置，Xr,Yr,Zr分别表示固定平台绕X轴，Y轴,Z轴的旋转角度。

建立标定平台坐标系如下：

如图5所示：标定平台分别建立坐标系0至坐标系7，坐标系0为固定于摄像机底座底面的坐标系，即摄像机标定的过程中坐标系固定不变，坐标原点位于Z轴移动平台12的中心在底座底面上的投影处，在图5中用“×”表示(下同)，X\Y\Z轴的方向同图5中右下角所示(下同)。用本发明提供的标定平台标定，则摄像机的外参数即标摄像机的坐标系相对于坐标系0的旋转平移齐次矩阵；坐标系1固定于Z轴移动平台12的上表面，坐标原点在上表面的中心；坐标系2固定于Y轴移动平台13的上表面，坐标原点在Y轴移动平台13上表面中心；坐标系3固定于X轴移动平台14上表面，坐标原定位于X轴移动平台14上表面中心；坐标系4固定于Z轴旋转平台17上，坐标原点位于X\Y\Z三个旋转轴的交点处；坐标系5固定于Y轴旋转平台18上，坐标原点同坐标系4；坐标系6固定于X轴旋转平台16上，坐标原点同坐标系4和5；坐标系7为固定平台坐标系，固定于固定平台上表面，坐标原点处于固定平台上表面中心处。

若用T(i-1,i)表示坐标系i相对于坐标系i-1的齐次变换，则由上述坐标系的建立方法以及图4和图5中标定平台的尺寸参数，可得到如下关系：

其中：

进一步计算可得到：

T(0,7)代表坐标系7相对于坐标系0的齐次坐标变换。

由于标定板和标定平台参数h1～h6,l1,l2,k1,k2已知，因此可以计算出摄像机拍摄每幅图像位置时，利用记录的各轴位置(Xp,Yp,Zp,Xr,Yr,Zr)得到标定板坐标系相对于底座坐标系的坐标变换，从而可按照传统标定法计算外参数。

(2)自标定方法进行标定

此处介绍使用实施例1提供的标定系统进行马颂德提出的基于平移两组三正交的方向的标定方法

该方法沿三个正交的方向平移参照物，且正交方向不与摄像机自身相平面并行，避免运动的汇集点在无穷远处；如此，做两组三正交运动，根据6个汇集点方向与两组正交方向平行的原理即可求得摄像机的内参数。(此处即使某个方向与摄像机自身像平面平行的情况也可两个通过参照物特征点在像平面内移动无交点，即汇集点处于无穷远处来判断，适当调整正交方向即可)；

第一步：同传统标定方法相同，只是不需要特定的标定板，只需具备特征点的参照物即可；

第二步：同传统标定方法相同；

第三步：同传统标定方法相同；

第四步：记录参照物32的至少两个特征点在图像中的坐标；

预设两组三个正交方向33和34，通过移动X轴移动平台14、Y轴移动平台13、Z轴平移平台12实现参照物沿第一组三个正交方向33和第二组三个正交方向34的6个方向移动适当距离，并记录沿每个方向移动后特征点在图像中的坐标；以此得到6个汇集点信息，并依据马颂德介绍的摄像机模型，线性求解摄像机的内参数。

需要注意的是：此处的两组三正交方向33和34，除了预先自行假定外，也可以通过建立的标定平台坐标系得到：适当旋转Z轴旋转平台17、Y轴旋转平台18、X轴旋转平台16，并记录(Xr,Yr,Zr)；根据标定平台坐标系T(0,6)，计算得到固定平台的坐标系的方向向量，即矩阵R(Z,Zr)R(Y,Yr)R(X,Xr)的三个列向量，可以此作为第一组三个正交方向33的方向向量，按同样的方法，使Z轴旋转平台17、Y轴旋转平台18、X轴旋转平台16旋转适当角度(与第一组三个正交方向33中的旋转角度不同)，可得到另一组三个正交方向34的方向向量。然后重复第三步和第四步求解摄像机的内参数。使用标定平台并按照此方法得到正交方向，也可以实现杨长江、李华等提出的对马颂德标定法的改进方法。

上述两个实施例提供一种新的摄像机标定系统及其标定方法。其中，提供的标定系统，其标定平台具备6自由度，由X\Y\Z轴平移机构以及绕X\Y\Z轴的旋转机构组成。提供的标定方法，依据标定平台的尺寸参数建立各轴坐标系，通过各轴编码器记录各轴位置可得到任意时刻标定板(参照物)的位置和方向，进一步可实现标定板(参照物)任意方向的平移和转动。标定系统及标定方法可代替机器人平台实现摄像机的内外参数的标定，并且不需要机器人与摄像机末端固连的定制夹具，可方便的使用传统标定法和自标定方法，具有操作简单，使用灵活，并且相对机器人移动摄像机的工作方式，通过移动标定板(参照物)的方式进行标定的误操作机率也大大降低。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种摄像机标定系统，包括标定平台，其特征在于，所述标定平台包括X轴平移机构、Y轴平移机构、Z轴平移机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、Z轴旋转机构以及固定平台；其中：

所述X轴旋转机构包括X轴旋转平台和X轴旋转机构旋转编码器；所述Y轴旋转机构包括Y轴旋转平台和Y轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转机构包括Z轴旋转支架、Z轴旋转平台和Z轴旋转机构旋转编码器；所述Z轴旋转支架固定在X轴移动平台上，所述X轴旋转平台、Y轴旋转平台、Z轴旋转平台分别设置于Z轴旋转支架上，所述固定平台设置于X轴旋转平台上，实现固定平台绕X轴、Y轴和Z轴旋转，通过X轴旋转机构旋转编码器、Y轴旋转机构旋转编码器和Z轴旋转机构旋转编码器，分别记录X轴旋转平台、Y轴旋转平台和Z轴旋转平台的旋转周次，从而记录三轴旋转支架的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的摄像机标定系统，其特征在于，还包括如下任意一个或任意多个部件：

-摄像机，所述摄像机设置于标定平台的正上方；

-标定板，所述标定板可拆卸地设置于固定平台上；

3.一种摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，包括如下任意一个过程：

-传统标定过程；

-自标定过程；

其中：

所述传统标定过程，包括如下步骤：

所述自标定过程，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，在传统标定过程中，为了更加精确的对摄像机的内外参数进行标定，采用对称旋转的方法获得多个标定板图像。

5.根据权利要求4所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，所述对称旋转的方法采用如下任意一种：

-方法A，绕某轴正反向旋转一定角度；

-方法B，绕多轴正反向组合旋转一定角度；

其中：

方法A具体为：±a°(X，Y，Z)，表示绕X轴或Y轴或Z轴分别正向、负向转a°，如此得到6个不同的方位；和/或

方法B具体为：[﹢b°(X)，﹢c°(Y)]、[-b°(X)，-c°(Y)]，表示先绕X轴正向转b°，绕Y轴正向转c°，再绕X轴反向转b°，绕Y轴反向转c°。

6.根据权利要求3所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，所述标定平台坐标系的建立方法，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，还包括如下步骤：利用标定平台坐标系得到摄像机外参数，其方法为：

其中：

进一步计算可得到：

由于标定板和标定平台参数h1～h6、l1、l2、k1以及k2已知，因此计算出摄像机拍摄每幅图像位置时，利用记录的各轴位置(Xp,Yp,Zp,Xr,Yr,Zr)得到标定板坐标系相对于底座坐标系的坐标变换，从而计算得到摄像机外参数；

其中：

Xr、Yr、Zr分别表示固定平台绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度。

8.根据权利要求3所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，在自标定过程中，所述多个正交方向具体为：两组三个正交方向，相应地，参照物沿正交方向的多个方向移动具体为：参照物沿两组三个正交方向的6个方向移动。

9.根据权利要求8所述的摄像机标定系统的标定方法，其特征在于，所述两组三正交方向通过预先自行假定或通过标定平台坐标系得到；

其中，通过标定平台坐标系得到的方法，包括如下步骤：

旋转Z轴旋转平台、Y轴旋转平台和X轴旋转平台，并记录(Xr,Yr,Zr)；根据标定平台坐标系T(0,6)，计算得到固定平台的坐标系的方向向量，即矩阵R(Z,Zr)R(Y,Yr)R(X,Xr)的三个列向量，以此作为一组三个正交方向的方向向量，同理，得到另一组三个正交方向的方向向量；其中，Xr、Yr、Zr分别表示固定平台绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度；R(Z,Zr)、R(Y,Yr)、R(X,Xr)分别表示固定平台绕Z轴、Y轴、X轴转动Zr、Yr、Xr的旋转变换；T(0,6)表示坐标系6相对于坐标系0的齐次变换。