CN108508680A - 一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法 - Google Patents

一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种适用范围广、精度高、无加工误差和装配误差且能有效提高后续摄像头模组自动对焦效果的摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法。本发明方法包括以下步骤：移动标定板采集图像；提取特征点；拟合运动轨迹；计算镜头光轴与Sensor平面的夹角；当镜头光轴垂直于Sensor平面时，将标定板中心点移动到图像中心点与其重合即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐；当镜头光轴不垂直于Sensor平面且成像点与图像中心不一致时，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来，然后将标定板进行移动，最终使标定板中心点移动到图像中心点与其重合。本发明应用于摩擦材料领域。

Description

一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对 齐的方法
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片（sensor）中心对齐的方法。
背景技术
摄像头模组自动装配设备需要保证标定板中心与Sensor（感光芯片）中心物理对齐，现有的成熟方案是利用机械结构的方式进行保证，即在设备的机械设计上保证装载标定板的夹具中心与Sensor夹具中心对齐，而且标定板在夹具内是不可移动的，但是由于机械加工本身具有加工误差，加上在设备装配时会引入装配误差，带来的累计误差是不可预计的，这取决于加工工艺以及装配者的熟练程度。
在理想状态下，即在标定板中心与Sensor中心物理对齐的前提下，一个装配过后的相机模组与标定板之间的关系就是标定板中心、镜头中心和Sensor中心成一条直线，且该直线垂直于Sensor表面，如附图1中所示；在该状态下，相机坐标系C与像平面坐标系如图1所示，由于标定板中心、镜头中心和Sensor中心成一条直线，所以标定板中心在相机坐标系中的值为（0，0，c），其中c为镜筒中心到标定板中心的距离，该距离可实际测量所得。
但是在实际装配时，会出现以下两种情况：
1、针对于装配效果较好的相机模组，镜头中心跟Sensor的位置关系如图2所示，从图中可知该情况下的镜头在U、V方向的偏转角为零，可以将其看作镜头的光轴是垂直于Sensor表面的，但光轴并没有通过Senor中心，两者之间存在偏移量。该情况下，在标定板中心和Sensor中心物理对齐的前提下，只需要将标定板中心点移动到与图像中心点重合即可。
2、针对于装配效果不好的相机模组，镜头与Sensor的位置关系如图3所示，从图中可知该情况下的镜头在U、V方向上存在一定大小的偏转角，镜头的光轴不一定通过Sensor中心，两者之间存在X、Y方向的偏移量和U、V方向的偏转角。该情况下，在标定板中心和Sensor中心物理对齐的前提下，标定板中心点在图像中的成像位置不一定是图像中心点，需要通过坐标转换的方法计算出对应的成像位置。
而上述情况，采用现有的机械结构的方式进行调整的话很难达到要求，且操作难度极大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用范围广、精度高、无加工误差和装配误差且能有效提高后续摄像头模组自动对焦效果的摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法。
本发明所述方法所采用的技术方案是：本发明中，所述方法包括以下步骤：
（1）移动标定板采集图像：以标定板Z轴方向的工作位置为起点，以设定间隔向下移动标定板，采集每个位置的标定板图像以及记录每张图像对应的Z轴位置信息；
（2）提取特征点：从采集的标定板图像中提取同一个位置的特征点；
（3）拟合运动轨迹：利用从图像提取出来的特征点与其对应的Z轴位置拟合该位置在三维空间中的运动轨迹线；
（4）计算镜头光轴与Sensor平面的夹角：若计算的夹角小于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor表面垂直，并跳到步骤（5）；若计算的夹角大于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor中心之间存在X、Y方向的偏移量和U、V方向的偏转角，并跳到步骤（6）；
（5）当镜头光轴垂直于Sensor平面，但并不通过Sensor中心时，将标定板中心点移动到图像中心点与其重合，即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐；
（6）当镜头光轴不垂直于Sensor平面时，标定板中心点与Sensor中心点物理对齐时，标定板中心点在图像中的成像点与图像中心不一致时，通过摄像头模组的内参矩阵，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来，然后将标定板进行移动，最终使标定板中心点移动到图像中心点与其重合，即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐。
上述方案可见，本发明只需要通过升降标定板，采集图像，从采集的标定板图像中提取同一个位置的特征点，利用从图像提取出来的特征点与其对应的Z轴位置拟合该位置在三维空间中的运动轨迹线，即可得到标定板中心点应该移动到图像中的位置点；利用升降标定板和提取特征点的方法及得到偏转角大小，利用视觉方法实现标定板中心与Sensor中心物理对齐的方法，即假设标定板中心与Sensor中心物理对齐的前提下，在镜头有偏转或者平移的情况下，通过坐标系转换的方法计算出标定板中心点在图像中的点位置，然后将标定板中心点移动到与该点重合，即实现标定板中心与感光芯片（sensor）中心对齐；故本发明避免了机械结构存在的加工误差和装配误差，提高了摄像头模组自动装配设备中标定板中心与Sensor中心的物理对齐精度，本发明操作方法简单，容易上手；相对比于现有利用机械结构保证精度的方法，该方法的调试时间更短，效果更好。
进一步地，上述步骤（6）中，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来的步骤如下：
（6.1）完全理想状态下，标定板中心点在相机坐标系C的坐标点B为（0,0,Zb），在镜头光轴不垂直于Sensor平面时，设定其相机坐标系为C′，则点B在相机坐标系为C′的坐标点B′计算公式如下：
，其中R、T分别为相机模组已知的外参数，其中R代表相机的旋转矩阵，T代表相机的平移向量；
（6.2）点B′是装配后的不理想相机模组的相机坐标系C′中一个点，在已知该相机的内参K的前提下，得点B′在像素坐标系下对应的点，公式如下：。
上述方案可见，设定标定板定板中心与Sensor中心物理对齐的前提下，在镜头有偏转或者平移的情况下，通过坐标系转换的方法计算出标定板中心点在图像中的点位置，然后将标定板中心点移动到与该点重合即可；其过程简单，操作方便，容易上手，有效提高了摄像头模组自动装配设备中标定板中心与Sensor中心的物理对齐精度。
再进一步地，所述步骤（2）中，提取的特征点为亚像素点。由此可见，采用亚像素点作为特征点，能够有效地提高精度。
附图说明
图1是理想状态下标定板中心、镜头光轴与Sensor中心物理对齐的位置关系示意图；
图2是镜头存在偏移但无偏转角的情况下标定板中心、镜头光轴与Sensor中心的位置关系示意图；
图3是镜头存在偏移且存在偏转角的情况下标定板中心、镜头光轴与Sensor中心的位置关系示意图；
图4是本发明的总的流程图；
图5是实施例中的相机坐标系与完全理想状态下的相机坐标系C之间的位置关系示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种适用于摄像头模组自动对焦装置中标定板中心与感光芯片（Sensor）中心对齐的方法，该方法适用范围广，能够应用于多种视场角的摄像头模组以及不同形状的标定板中心块的组合。与现有的单靠机械设计来保证标定板中心与Sensor中心物理对齐的方法对比，本方法的适用范围更广，精度更高，能够弥补机械加工和装配过程中带来的误差，提高后续摄像头模组自动对焦的效果。下面，以具体的实施例来对本发明作更进一步的说明。
本发明的总体流程图如图4所示。该方案主要分为移动标定板采集图像、提取特征点、拟合运动轨迹、计算镜头光轴与Sensor平面夹角、移动标定板使其中心与图像的对应点重合六大步骤，具体如下：
（1）移动标定板采集图像：以标定板Z轴方向的工作位置为起点，以一定间隔向下移动标定板，采集每个位置的标定板图像以及记录每张图像对应的Z轴位置信息；
（2）提取特征点：从采集的标定板图像中提取同一个位置的特征点，为了保证精度，该特征点是亚像素点；
（3）拟合运动轨迹：利用从图像提取出来的特征点与其对应的Z轴位置拟合该位置在三维空间中的运动轨迹线；
（4）计算镜头光轴与Sensor平面的夹角：若计算的夹角小于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor表面垂直，并跳到步骤（5）；若计算的夹角大于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor中心之间存在X、Y方向的偏移量和U、V方向的偏转角，并跳到步骤（6）；
（5）当镜头光轴垂直于Sensor平面，但并不通过Sensor中心的时候，只需要将标定板中心点移动到图像中心点，与其重合即可实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐；
（6）当镜头光轴不垂直于Sensor平面的时候，标定板中心点与Sensor中心点物理对齐时，标定板中心点在图像中的成像点不一定是图像中心，所以需要借助该相机模组的内参矩阵，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来，具体步骤如下：
（6.1）完全理想状态下，标定板中心点在相机坐标系C的坐标点B为（0,0,Zb），在镜头光轴不垂直于Sensor平面的时候，设定其相机坐标系为C′，该相机坐标系为C′与完全理想状态下的相机坐标系C之间的位置关系如图5所示，则点B可以通过平移和旋转变换得到在相机坐标系C′中的坐标点B′，该点的计算公式如下：
，
其中R、T分别为相机模组已知的外参数，其中R代表相机的旋转矩阵，T代表相机的平移向量；
（6.2）点B′是装配后的不理想相机模组的相机坐标系C′中一个点，在已知该相机的内参K的前提下，得点B′在像素坐标系下对应的点，公式如下：
经过计算即得到需要移动的点的坐标，然后将标定板进行移动，最终使标定板中心点移动到图像中心点与其重合，即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐。
本发明方法适用范围广，能够应用于多种视场角的摄像头模组以及不同形状的标定板中心块的组合。与现有的单靠机械设计来保证标定板中心与Sensor中心物理对齐的方法对比，本方法的适用范围更广，精度更高，能够弥补机械加工和装配过程中带来的误差，提高后续摄像头模组自动对焦的效果。
本发明利用升降标定板和提取特征点的方法来计算镜头的偏转角；利用视觉方法实现标定板中心与Sensor中心物理对齐的方法，即假设标定板定板中心与Sensor中心物理对齐的前提下，在镜头有偏转或者平移的情况下，通过坐标系转换的方法计算出标定板中心点在图像中的点位置，然后将标定板中心点移动到与该点重合即可。本发明操作方法简单，只需要通过升降标定板，采集图像，即可得到标定板中心点应该移动到图像中的位置点。也提高了标定板中心和Sensor中心物理对齐的精度。
以上所述只是本发明为帮助理解且为较佳的实施方案，本发明的发明范围并不以上述方式为限，在此指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明做出的等效修饰、变化或改进，皆应纳入权利要求书中所要求的保护范围内。
本发明可应用于光学领域。

Claims (3)

1.一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）移动标定板采集图像：以标定板Z轴方向的工作位置为起点，以设定间隔向下移动标定板，采集每个位置的标定板图像以及记录每张图像对应的Z轴位置信息；
（2）提取特征点：从采集的标定板图像中提取同一个位置的特征点；
（3）拟合运动轨迹：利用从图像提取出来的特征点与其对应的Z轴位置拟合该位置在三维空间中的运动轨迹线；
（4）计算镜头光轴与Sensor平面的夹角：若计算的夹角小于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor表面垂直，并跳到步骤（5）；若计算的夹角大于设定的阈值，则镜头光轴与Sensor中心之间存在X、Y方向的偏移量和U、V方向的偏转角，并跳到步骤（6）；
（5）当镜头光轴垂直于Sensor平面，但并不通过Sensor中心时，将标定板中心点移动到图像中心点与其重合，即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐；
（6）当镜头光轴不垂直于Sensor平面时，标定板中心点与Sensor中心点物理对齐时，标定板中心点在图像中的成像点与图像中心不一致时，通过摄像头模组的内参矩阵，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来，然后将标定板进行移动，最终使标定板中心点移动到图像中心点与其重合，即实现标定板中心点和Sensor中心的物理对齐。
2.根据权利要求1所述的一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，把标定板中心需要移动到图像的点计算出来的步骤如下：
（6.1）完全理想状态下，标定板中心点在相机坐标系C的坐标点B为（0,0,Zb），在镜头光轴不垂直于Sensor平面时，设定其相机坐标系为C′，则点B在相机坐标系为C′的坐标点B′计算公式如下：
，其中R、T分别为相机模组已知的外参数，其中R代表相机的旋转矩阵，T代表相机的平移向量；
（6.2）点B′是装配后的不理想相机模组的相机坐标系C′中一个点，在已知该相机的内参K的前提下，得点B′在像素坐标系下对应的点，公式如下：
。
3.根据权利要求1所述的一种摄像头模组自动对焦装置标定板中心与感光芯片中心对齐的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，提取的特征点为亚像素点。
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