CN108592953A - 立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法，该立体标定靶包括壳体和不共面设置的至少四个标定标识；各标定标识均为圆形，其设置于壳体表面的位置均为平面；各标定标识的圆心均处于同一球面上。将该立体标定靶应用于视觉测量中定位被测物的方法为：在被测物的表面分别安装多个立体标定靶，相机拍摄被测物获得的图像中至少含有四个不共面的立体标定靶，此标定靶包含至少四个标定标识；通过确定同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所对应的球心，再利用各立体标定靶对应的球心确定代表被测物位置，完成被测物定位。该立体标定靶有利于提高采集数据的精度，拍摄时不受角度限制，该方法测试精度高。

Description

立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法

技术领域

本发明涉及视觉测量系统的定位、标定领域，具体而言，涉及一种立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法。

背景技术

近年来，视觉测量系统己越来越多地应用于工业现场的加工装配以及质检等多个环节，摄像机标定作为视觉测量必要步骤，其目标是建立三维空间点与其图像点的映射关系，摄像机的标定精度决定最后的尺寸测量精度，因此，选择方便、快捷、高精度的标定靶尤为重要。

常见的标定装置有平面棋盘格、在被测物表面设置逆反射目标或主动发光目标作为定位装置、利用立体标定块、标准校准杆、组合式二维标定杆、陶瓷球立体标定靶等。

使用现有的平面型标定物，在不同角度拍摄平面标定物，由于拍摄角度变化较大，将导致平面标定物的图像变形严重，使目标提取的中心位置会存在较大偏差，使定位精度降低，标定不准确；而利用常规的立体标定物进行标定时，具有空间点自动识别困难、当两个相机视角比较大的时候，难以保证两个相机所有特征点的标定图像清晰度相同，标定靶图像通过环境光的反射或折射获得，受环境因素较大，使标定靶图像灰度分布不均匀等问题。

随着工业技术的发展，全局跟踪已经成为解决大尺寸下工业制造业精密测量的重要方法，而设置在部件或传感器上全局定位装置的识别准确性，直接影响了整个测量系统的最终精度。

发明内容

为了提高在全局跟踪过程中目标对象的识别准确性，本发明提供了一种立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法，使用本技术方案，通过多面立体靶来代替现有技术中通过设置平面单点特征的方式，在拍摄时，能够不受测量角度的限制，在任何拍摄角度都能拍摄到立体靶上的特征信息，从而提高了目标对象的识别精度，使全局定位的精度得到提升。

一种立体标定靶，包括壳体和不共面设置的标定标识；

所述标定标识至少设置有四个；各标定标识均为圆形，其设置于壳体表面的位置均为平面；

各标定标识的圆心均处于同一球面上。依据各标定标识圆心的位置，可以计算出其所在球面的球心位置。

进一步，所述壳体设置有磁铁，所述磁铁将所述立体标定靶固定在被测物表面时，至少有四个标定标识在相机的视野范围之内。所述测量相机用于全局定位。此处所说的全局定位指将扫描仪作为被测物，在利用扫描仪采集数据获取最终待测目标物的形态的同时，利用相机采集扫描仪的位置信息，实现待测物的实时定位。

进一步，所述壳体为多面体、球体、球缺或圆台。

进一步，在所述多面体、球体、球缺或圆台壳体的一个表面设置有磁铁，所述磁铁将所述立体标定靶固定在被测物表面时，至少有四个标定标识在相机的视野范围之内。所述测量相机用于全局定位(此处全局定位的概念同上)，进一步，为了得到对比度高，便于处理的立体标定靶图像，所述壳体与标定标识的颜色、材质设置具有反差性，如黑色壳体匹配白色标定标识；进一步，所述标定标识为逆反射材料层，使用时，用光源照明，标定标识表面发生全反射，相机拍照能够得到对比清晰的标定标识图像。

进一步，所述标定标识为主动发光LED，使用时，点亮LED。

进一步，本方案还公开一种将上述立体标定靶应用于视觉测量中定位被测物的方法，包括以下步骤：

a1，在被测物表面安装多个立体标定靶，所述多个立体靶分布于不同平面，被测物的每个表面至少包括一个标定靶；

a2，当被测物位于待测位置时，相机拍摄该位置处的被测物，得到被测物表面图像，该图像中至少含有四个立体标定靶，所述四个立体标定靶两两之间不共面，且其中每一个立体标定靶在照片中均包含至少4个标定标识；

a3，通过确定同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所对应的球心，再利用各立体标定靶对应的球心确定代表被测物位置，完成被测物定位。

下面是标定靶的另一种设计样式，一种立体标定靶，包括正棱柱状的壳体和不共面设置的标定标识；

所述标定标识至少设置有三个；各标定标识均为圆形，其设置于壳体侧面；同时所述标定标识的圆心均位于同一圆上。

进一步，所述标定标识为逆反射材料层或主动发光LED。

进一步，上述不同形状壳体的立体标定靶均可以在其壳体设置标定标识的位置均设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐，由于标定、定位过程的外界环境比较复杂，采用玻璃层对标定标识进行保护，同时设置凹槽能定位标定标识的位置，令各标定标识的安装位置满足其圆心在同一球面或圆上。优选所述玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。

进一步，为了减重、便携，所述壳体为空心壳体。

进一步，针对一种所述立体标定靶应用于视觉测量中定位被测物的方法，包括以下步骤：

a1，在被测物表面安装多个立体标定靶，所述多个立体靶分布于不同平面，被测物的每个表面至少包括一个标定靶；

a2，当被测物位于待测位置时，相机拍摄该位置处的被测物，得到被测物表面图像，该图像中至少含有4个立体标定靶，所述4个立体标定靶两两之间不共面，且其中每一个立体标定靶在照片中均包含至少3个标定标识；

a3，通过确定同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所在圆的圆心，再利用各立体标定靶对应的圆心完成被测物的定位。

本发明提供了一种用于视觉标定、定位过程的立体标定靶结构及其定位方法，将常规使用的平面二维目标替换为一个多面立体靶结构，在多面立体靶上设置单点标定标识，所有标定标识的中心均位于同一个有唯一几何中心的几何图形(圆周、球)上，并且可通过其中任意多个标定标识来确定唯一的几何中心；利用本立体标定靶，在实际测量使用时，被测特征不再是一个二维的平面点特征，而是立体结构特征，在图像中，可选用多面立体标定靶上可视部分图像效果较好的标定标识特征，对标定标识进行圆心提取，然后根据提取的多个圆心来拟合出唯一的几何中心，如此来保证无论从任一角度观察，均可得到立体标定靶上圆度较好的多个标定标识点，而这些标定标识点均位于同一个圆周或球表面，从而确定唯一的几何中心，进而提高在全局跟踪过程中目标对象的识别、定位的准确性。

附图说明

图1a为本发明实施例1中立体靶结构示意图的立体图；

图1b为本发明实施例1中立体靶结构示意图的俯视图；

图1c为本发明实施例1中立体靶结构示意图的主视图；

图2a为本发明实施例1中立体靶与被测物结合时的结构示意图的立体图；

图2b为本发明实施例1中立体靶与被测物结合时的结构示意图的仰视图；

图2c为本发明实施例1中立体靶与被测物结合时的结构示意图的俯视图；

图3a为本发明实施例2中立体靶结构示意图的立体图；

图3b为本发明实施例2中立体靶结构示意图的俯视图；

图3c为本发明实施例2中立体靶结构示意图的主视图；

图4a为本发明实施例3中立体靶结构示意图的立体图；

图4b为本发明实施例3中立体靶结构示意图沿刨面线A-A1纵向抛开的截面示意图；

图5为本发明实施例4中立体靶结构示意图；

图6为本发明实施例5中立体靶壳体的结构示意图；

图7为本发明实施例6中立体靶壳体的结构示意图；

图8为本发明实施例7中立体靶壳体的结构示意图；

具体实施方式

为能进一步了解本发明内容、特点，兹例举以下实施例详细说明：

实施例1

如图2a～2c所示，本实施例中被测物为视觉传感器；一种立体标定靶，如图1a～1c所示，包括壳体和不共面设置的6个标定标识，壳体呈圆台状，沿其周向均匀切割有5个平面，各平面上均设置有1个标定标识，壳体的上表面上也设置有一个标定标识，各标定标识均呈圆形，且其圆心均处在同一球面上。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，

在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐，同时设置凹槽能定位标定标识的位置，令各标定标识的安装位置满足其圆心在同一球面或圆上。优选所述玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。使用时，采用光照均匀的面阵光源照射被测物的可见表面，其上吸附的立体标定靶的圆形标定标识(为逆反射材料形成的镀膜或涂层时)会发生全反射。

该立体标定靶的壳体可以为实心，也可以为空心结构。其固定位置可镶嵌磁铁，将立体标定靶吸附到铁质的被测视觉传感器表面，如图2a～2c所示，在被测物表面吸附17个立体标定靶结构，并将这17个立体标定靶结构分别分布于所有被测视觉传感器的可见表面，若被测物表面不含铁材质，可选用螺接、黏贴等方法固定本立体标定靶。

使用该立体标定靶定位视觉传感器的方法，包括以下步骤：

a1，在被测物视觉传感器的表面吸附17个立体标定靶，各立体标定靶分布于不同平面，被测视传感器的每个可见表面至少包括一个立体标定靶；

a2，当被测视觉传感器位于待测位置时，相机拍摄该位置处的视觉传感器，得到视觉传感器表面图像，该图像中至少含有四个立体标定靶，四个立体标定靶两两之间不共面，且其中每一个立体标定靶在照片中均包含至少4个标定标识；

a3，通过确定同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各立体标定靶所对应的球心，再利用各立体标定靶对应的球心确定代表被测物位置，完成被测视觉传感器的定位。

实施例2

一种立体标定靶，包括壳体和不共面设置的15个标定标识，壳体呈半圆状，在其表面均匀切割有15个圆形平面，各圆形平面上均设置有1个标定标识，各标定标识均呈圆形，其圆心均处在同一个球面上。

如图3a～3c所示，圆形平面在壳体上从上到下分三层设置，顶面为第一层，设置1个圆形平面，第二层为6个圆形平面，第三层为8个圆形平面。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐，同时设置凹槽能定位标定标识的位置，令各标定标识的安装位置满足其圆心在同一球面或圆上。优选玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。

使用时，相机的每个可视角度均可见4个以上的标定标识，即可通过标定标识的球心确定所在球面的几何中心；

为保证可视点数量，可增加标定标识的层数、减小标定标识所在圆形平面的直径，以增加标定标识的数量。

本实施例中立体标定靶的安装结构及使用方法均同实施例1中立体标定靶。

实施例3

如图4所示，一种立体标定靶，包括正棱柱状的壳体和不共面设置的标定标识；该标定标识至少设置有三个；各标定标识均为圆形，其设置于壳体侧面；同时标定标识的圆心均位于同一圆上。

如图4a所示，壳体为正八棱柱，棱柱的每个侧面均设置有一个标定标识；八个标定标识的圆心(图中a,b,c…)均处于同一个圆上，只需三个标定标识确定正八棱柱壳体对应圆的圆心位置。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是主动发光LED。

为了便于固定标定标识的位置同时延长标定标识使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐。优选玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。

本实施例中，被测物是一个异型结构凸台，将15个本实施例中的立体标定靶的单个侧面粘附在被测物表面；；

一种基于上述立体标定靶的全局跟踪定位方法，包括以下步骤：

a1，在被测半圆形凸台圆周表面粘附15个立体标定靶；

a2，相机拍摄被测半圆形凸台圆周表面的立体标定靶，得到包含多个立体标定靶信息的图像，应保证图像中至少含有4个轮廓清晰的立体标定靶，且每个立体标定靶在图像中应包含有至少3个标定标识；

a3，通过计算同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所在圆的圆心，再利用至少含有4个立体标定靶对应的圆心坐标，完成被测物的定位。

实施例4

一种立体标定靶，如图5所示，包括壳体和不共面设置的14个标定标识，壳体为两相互交叉垂直的八面体，两八面体等大，其中心与壳体外接圆的中心重合；各八面体的侧面上均设置有一个标定标识，各标定标识均呈圆形，且其圆心均处在同一球面上。

从另一个角度讲，壳体为球形，在互相垂直的两个方向上切削出两个相互交叉的八面体，在八面体的侧面上分别设置有一个标定标识。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐，同时设置凹槽能定位标定标识的位置，令各标定标识的安装位置满足其圆心在同一球面或圆上。优选玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。

使用时，只需要保证相机采集的图像内有4个标定标识，各标定标识的圆心可确定一球心，此球心对应各立体标定靶的位置，4个代表不同立体标定靶位置的球心确定待测物位置。

实施例5

如图6所示，一种立体标定靶，包括壳体和不共面设置的4个标定标识，壳体呈正四面体，其平面上分别设置有1个标定标识，各标定标识均呈圆形，且其圆心均处在同一球面上。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐。

本实施例提供的立体标定靶的一个顶角固定在待测物表面壳，可用螺钉螺接；

使用时，被测物表面螺接9个立体标定靶，采用光照均匀的面阵光源照射该被测物，只需要保证相机采集的图像内有4个标定标识，各标定标识的圆心可确定一球心，此球心对应各立体标定靶的位置，4个代表不同立体标定靶位置的球心确定待测物位置。

实施例6

如图7所示，一种立体标定靶，包括壳体和不共面设置的8个标定标识，壳体为正八面体，其平面上分别设置有1个标定标识，各标定标识均呈圆形，且其圆心均处在同一球面上。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐。同时设置凹槽能定位标定标识的位置，令各标定标识的安装位置满足其圆心在同一球面或圆上。优选玻璃为激光光刻玻璃，可准确标定圆心。

该标定标识设置有磁铁，能吸附在被测物表面。使用时，在被测物表面吸附11个立体标定靶，采用光照均匀的面阵光源照射该被测物，只需要保证相机采集的图像内有4个标定标识，各标定标识的圆心可确定一球心，此球心对应各立体标定靶的位置，4个代表不同立体标定靶位置的球心确定待测物位置。

实施例7

如图8所示，一种立体标定靶，包括壳体和不共面设置的11个标定标识，壳体为正十二面体，其平面上分别设置有1个标定标识，各标定标识均呈圆形，且其圆心均处在同一球面上。未设置标定标识的壳体表面设置有磁铁，通过磁铁吸附在被测物表面。或者未设置标定标识的壳体表面粘附/螺接/卡接在被测物表面。

该标定标识可以是与壳体色差较大所形成的标识，也可以是由逆反射材料形成的镀膜或者涂层。

当标定标识为逆反射材料形成的镀膜或者涂层时，为了延长其使用寿命，在设置标定标识的壳体表面设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐。

使用时，在被测物表面固定8个立体标定靶，采用光照均匀的面阵光源照射该被测物，只需要保证相机采集的图像内有4个标定标识，各标定标识的圆心可确定一球心，此球心对应各立体标定靶的位置，4个代表不同立体标定靶位置的球心确定待测物位置。

本发明公开的一种立体标定靶及将其应用于视觉测量中定位被测物的方法，其公开的立体标定靶结构将代替常规使用的平面二维目标，作为标定的特征点，该特征点是多面、立体的，并且该立体标定靶表面具有多个标定标识，通过这些标定标识拟合出代表立体标定靶位置的球心位置。在实际使用时，被测特征不再是一个二维的平面点，而是立体标定靶，可选用立体标定靶上可视部分图像效果较好的标定标识，对其进行中心提取，然后根据提取的多个中心来拟合代表该立体标定靶位置的球心，如此来保证无论从任一角度观察，均可得到代表该立体标定靶位置的球心，进而提高在全局跟踪过程中目标对象的识别、定位的准确性。

各实施例及附图中给出的立体标定靶的结构示意图，并非本申请公开的全部立体标定靶可能有的结构变形，本申请更重要的是展示出一种利用立体标定靶结构的标定启示，立体标定靶的结构设计原则、方法，即外壳表面的特征图形的数量设计依据外壳几何中心拟合方法确定，如：立体标定靶的几何中心为“球心”则至少需要4个特征图形的几何中心坐标来进行拟合；如立体标定靶的几何中心为“圆心”则至少需要3个特征图形的中心坐标来进行拟合；

因此，在满足上述拟合规则的基础上，立体标定靶的数量、壳体形状、及标定标识数量均可以依需要变化。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (10)

1.一种立体标定靶，其特征在于：包括壳体和不共面设置的标定标识；

所述标定标识至少设置有四个；各标定标识均为圆形，其设置于壳体表面的位置均为平面；

各标定标识的圆心均处于同一球面上。

2.如权利要求1所述立体标定靶，其特征在于：所述壳体为多面体、球体、球缺或圆台。

3.一种立体标定靶，其特征在于：包括正棱柱状的壳体和不共面设置的标定标识；

所述标定标识至少设置有三个；各标定标识均为圆形，其设置于壳体侧面；同时所述标定标识的圆心均位于同一圆上。

4.如权利要求1～3中任意一项所述立体标定靶，其特征在于：所述标定标识为逆反射材料层或主动发光LED。

5.如权利要求1～3中任意一项所述立体标定靶，其特征在于：所述壳体设置标定标识的位置均设置有安装凹槽，标定标识设置于安装凹槽的底面，外侧安装玻璃，玻璃外表面与壳体连接位置平齐。

6.如权利要求5所述立体标定靶，其特征在于：所述玻璃为激光光刻玻璃。

7.如权利要求1～3中任意一项所述立体标定靶，其特征在于：所述壳体为空心壳体。

8.如权利要求1或2或3所述立体标定靶，其特征在于：所述壳体设置有磁铁，所述磁铁将所述立体标定靶固定在被测物表面时，至少有四个标定标识在相机的视野范围之内。

9.一种将权利要求1或2中所述立体标定靶应用于视觉测量中定位被测物的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a1，在被测物表面安装多个立体标定靶，所述多个立体靶分布于不同平面，被测物的每个表面至少包括一个标定靶；

a2，当被测物位于待测位置时，相机拍摄该位置处的被测物，得到被测物表面图像，该图像中至少含有四个立体标定靶，所述四个立体标定靶两两之间不共面，且其中每一个立体标定靶在照片中均包含至少4个标定标识；

a3，通过确定同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所对应的球心，再利用各立体标定靶对应的球心确定被测物位置，完成被测物定位。

10.一种将权利要求3中所述立体标定靶应用于视觉测量中定位被测物的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a1，在被测物表面安装多个立体标定靶，所述多个立体靶分布于不同平面，被测物的每个表面至少包括一个标定靶；

a2，当被测物位于待测位置时，相机拍摄该位置处的被测物，得到被测物表面图像，该图像中至少含有4个立体标定靶，所述4个立体标定靶两两之间不共面，且其中每一个立体标定靶在照片中均包含至少3个标定标识；

a3，通过计算同一立体标定靶上标定标识的圆心，确定各标定靶所在圆的圆心，再利用各立体标定靶的圆心完成被测物的定位。