CN108917646A - 一种多视觉传感器全局标定装置及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多视觉传感器全局标定装置及标定方法，包括标定基管、至少三个标定球体和调节杆，标定基管上设有至少三个第一连接孔，标定球体上分别设有第二连接孔，调节杆的一端分别伸入第一连接孔，调节杆的另一端分别伸入第二连接孔，各个第一连接孔到标定基管的中心轴线的垂线在标定基管轴向的投影不共线。本发明提供的多视觉传感器全局标定装置及标定方法，标定过程相对单个球体标定操作简单，提前将标定球体置于标定基管上，来实现位姿的变换以产生不同的位姿；当其中的相机照不到球体时，通过调节杆能够调节标定球体与标定基管的间距，保证任意一个相机都能无遮挡的拍摄到标定球体，操作方便，标定过程简单且精度高。

Description

一种多视觉传感器全局标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及传感器标定技术领域，尤其涉及一种多视觉传感器全局标定装置及标定方法。
背景技术
视觉测量技术是一种先进的非接触测量手段，具有系统组成灵活、工作空间大、精度合适、自动化程度高等特点，非常适合工业现场的在线测量与质量监控。视觉测量是采用视觉传感器作为传感器件，借助计算机强大的数据处理能力实现对物体(物点)空间位置的测量，视觉传感器是视觉测量系统信息的直接来源，主要由一个或两个图像传感器组成，有时还要配以光投射器及其它辅助设备，主要功能是获取足够的视觉系统要处理的最原始图像，常用的图像传感器有激光传感器、线阵和面阵CCD摄像机等。较大规模的视觉测量系统一般由多个视觉传感器组成，完成所有位姿的获取，保证被测物三维重建的完整性。
多视觉传感器视觉测量系统中的每个传感器都有各自的三维测量坐标系，传感器在其自身的坐标系下完成相对测量，为了处理测量结果，需要对多视觉传感器进行全局标定，将每个传感器的数据转换到相同的全局坐标系下。全局标定是保证多视觉传感器视觉测量系统测量精度的关键因素之一。
目前常用的全局标定装置为棋盘标定，但是大视场、多干扰噪声环境下，棋盘标定精确度较低，二维标定板的表面平整度及反光等对标定结果准确度有一定影响，针对此环境需要通过球形全局标定装置标定，通常通过对单个球体变换移动不同的位置来实现位姿的变化，单个球体可控性和可操作性差，标定过程中需要单个球体变换移动，操作繁琐。
传统的相机标定方法为借助全局标定装置的Tsai的两步法标定以及张正友的平面棋盘格标定法，立体标定物标定法，但是这些标定方法：1.标定速度太慢，需要对每个相机都进行单独的标定，而且需要反复改变一维靶标的位姿，从不同角度拍摄20张，角度的调整需要耗费大量时间，速度太慢，不满足工业生产的节拍。2.精度不够，靶平面的角点需要人工提取，因此即使拍摄很多张照片运用Levenberg-Marquardt算法或者极大似然估计法逼近最小值提高精度，对于钢管凹凸度的测量也是存在误差影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多视觉传感器全局标定装置及标定方法。
本发明一方面提供一种多视觉传感器全局标定装置，包括标定基管、至少三个标定球体和调节杆，所述标定基管上设有至少三个第一连接孔，所述标定球体上分别设有第二连接孔，所述调节杆的一端分别伸入所述第一连接孔，所述调节杆的另一端分别伸入所述第二连接孔，各个所述第一连接孔到所述标定基管的中心轴线的垂线在所述标定基管轴向的投影不共线。
以上技术方案优选的，所述第一连接孔为螺纹孔，所述调节杆靠近所述第一连接孔的一端设有螺纹，所述第一连接孔与所述调节杆螺纹连接。
以上技术方案优选的，所述第二连接孔为螺纹孔，所述调节杆的另一端设有螺纹，所述调节杆与所述第二连接孔螺纹连接。
以上技术方案优选的，所述第一连接孔为通孔，完全贯穿所述标定基管。
以上技术方案优选的，所述标定基管外表面设有亚光漆。
以上技术方案优选的，所述调节杆外表面设有亚光漆。
以上技术方案优选的，所述全局标定装置还包括往复移动机构，所述往复移动机构包括底座，所述底座上设有丝杠，所述丝杠的一端设有电机，所述丝杠上套设有丝杠螺母，所述丝杠螺母上设有安装支架，所述安装支架上设有所述标定基管。
本发明另一方面提供一种基于上述多视觉传感器全局标定装置的标定方法，包括：
S1.调整各个视觉传感器位置，使各个所述视觉传感器发出的线结构光共面；
S2.选择其中一个视觉传感器为目标传感器，所述目标传感器中的相机为目标相机，对所述目标相机进行单独标定，得到所述目标相机的内参和外参；
S3.对剩余视觉传感器中的相机分别与所述目标相机进行两两标定，得到两两相机之间的外参。
以上技术方案优选的，所述步骤S2具体为：所述全局标定装置上只安装一个标定球体，规定所述往复移动机构的运动方向为X轴方向，随着所述全局标定装置的移动，所述目标相机从所述标定球体的一端扫描到另一端，标定平均误差小于0.1mm时，得到所述目标相机的相机内参和相机外参。
以上技术方案优选的，所述步骤S3具体为：所述全局标定装置上安装四个所述标定球体，随着所述全局标定装置的移动，所述目标相机与一个所述相机从最前端的所述标定球体的前边缘扫描到最后端的所述标定球体的后边缘，两相机之间的标定平均误差小于0.2mm时，得到所述相机与所述目标相机之间的旋转矩阵和平移向量；重复以上操作，直到剩余所述相机分别与所述目标相机完成两两标定。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明提供的多视觉传感器全局标定装置及方法，标定过程相对单个球体标定操作简单，提前将标定球体置于标定基管上，各个所述第一连接孔到所述标定基管的中心轴线的垂线在所述标定基管轴向的投影不共线，来实现位姿的变换以产生不同的位姿；当其中的相机照不到球体时，通过调节杆能够调节标定球体与标定基管的间距，保证任意一个相机都能无遮挡的拍摄到标定球体，操作方便，标定过程简单且精度高；与传统的相机标定法相比，本申请适用于恶劣的工业环境，仅需要对目标相机进行单独标定，对剩余相机与目标相机进行两两标定即可，不用人工提取角点坐标信息，不用对于多台相机都进行单独标定，只需要单独对目标相机进行标定，大大缩短了标定时间和操作步骤。
附图说明
图1是本发明一实施例的标定球体和标定基管的装配图。
图2是本发明一实施例的标定基管的结构示意图。
图3是本发明一实施例的标定球体的结构示意图。
图4是本发明一实施例的结构示意图。
图5是本发明一实施例的安装支架与标定基管的安装示意图。
图6是本发明一实施例的标定方法流程图。
图7是本发明一实施例的标定系统的结构示意图。
图8是本发明一实施例的球形标定原理示意图。
其中：1.标定基管，2.标定球体，3.调节杆，4.第一连接孔，5.第二连接孔，6.备用孔，7.底座，8.丝杠，9.电机，10.丝杠螺母，11.安装支架，111.弧形面，112.水平连接座，113.弧形连接片，114.连接孔，21.龙门架，22.视觉传感器，23.全局标定装置，211.相机一，212.相机二，213.相机三，214.相机四。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例一方面提供一种多视觉传感器全局标定装置，如图1所示，包括标定基管1、至少三个标定球体2和调节杆3，标定基管1上设有至少三个第一连接孔4，标定球体2上分别设有第二连接孔5，调节杆3的一端分别伸入第一连接孔4，调节杆3的另一端分别伸入第二连接孔5，各个第一连接孔到标定基管的中心轴线的垂线在标定基管轴向的投影不共线。标定球体越多，越有助于提高精度，但是太多会饱和，意义也不大，本实施例采用四个球，相应的调节杆、第二连接孔的数量均为四个，标定基管1上还可以设有与第一连接孔4相同功能的备用孔6，如图2中设置在标定基管两侧的备用孔。利用圆球进行标定来建立大地坐标系，仅利用一个圆球是不够的，因为圆球绕球心旋转，圆球在图像平面的投影是不变的，而两个圆球绕经过它们球心的轴旋转同样具有投影不变的性质，因此我们需要至少三个圆球，并且其中的任意三个圆球均不在同一直线上，以此获得不同的投影。各个第一连接孔到标定基管的中心轴线的垂线在标定基管轴向的投影不共线，就是为了满足任意三个标定球体2均不在同一直线上的要求，本实施例利用半径为50mm的四个标定球体2作为标定物，安装后标定球体2之间旋转夹角为60度，第一连接孔沿标定基管轴向分布，标定球体沿标定基管轴向分布。
第一连接孔4为螺纹孔，调节杆3靠近第一连接孔4的一端设有螺纹，第一连接孔4与调节杆3螺纹连接。可选的，如图3所示，第二连接孔5为螺纹孔，调节杆3的另一端设有螺纹，调节杆与第二连接孔螺纹连接。标定球体2与标定基管1的间距可通过调节杆3的螺纹连接进行调整，使其能够满足每个相机都能够照到各个标定球体的要求。第一连接孔4和备用孔6为通孔，完全贯穿标定基管1，即调节杆3伸入标定基管2内并且能够完全穿出管体，增大了调节杆的调节范围，能够适应更多的标定环境。标定基管外表面设有亚光漆，调节杆外表面也设有亚光漆，亚光漆能够吸收光照，亚光漆的设置减少标定基管与调节杆的反光，减少光污染对标定过程的影响，提高标定准确度。
如图4所示，全局标定装置23还包括往复移动机构，往复移动机构包括底座7，底座上设有丝杠8，丝杠的一端设有电机9，丝杠上套设有丝杠螺母10，丝杠螺母上设有安装支架11，安装支架上设有标定基管1。安装支架具体结构如图5所示，在标定过程中，由于待测相机的位置不同，标定基管1需要进行转动，使标定球体2对准待测相机的位置，使标定球体最大程度暴露在待测相机的视场范围内，因此安装支架11与标定基管1接触处为弧形面111，弧形面与标定基管的外径相适应，安装支架上设有水平连接座112，安装标定基管时，将标定基管置于安装支架的弧形面上，用弧形连接片113置于标定基管上，弧形连接片设有弧形面，弧形连接片的弧形面也与标定基管的外径相适应，弧形连接片的两端与水平连接座分别设有连接孔114，旋转标定基管，使标定球体最大程度暴露在待测相机的视场范围内，调整好标定基管位置后，螺栓穿过连接孔实现标定基管的紧固。
本实施例提供的多视觉传感器全局标定装置23，标定过程相对单个球体标定操作简单，提前将标定球体置于标定基管上，第一连接孔到标定基管的轴线的垂线均位于不同的面上，来实现位姿的变换以产生不同的位姿；当其中的相机找不到球体时，通过调节杆能够调节标定球体与标定基管的间距，保证任意一个相机都能无遮挡的拍摄到标定球体，操作方便，标定过程简单且精度高。
本实施例针对例如方矩形管或钢管等管材的非接触测量系统中的多视觉传感器进行全局标定，为图像处理时的三维重建在凹凸度的检测上提供参考数据，三维重建的准确度直接影响了凹凸度的测量精度，相机标定得到的是相机的内外参，多传感器标定得到的是两两相机之间的外参，然后根据各个参数可以将相机从不同角度拍摄的三维图像拼接成一个完整的钢的图像，如果标定过程误差大，拼接的时候会出现缝隙等问题，影响各种数据尤其是凹凸度数据的准确性。
本实施例被测物为方矩形管，其他管材的测量系统及标定方法与本实施例类似，并且可以做出适应性改变。如图7所示，本实施例的标定系统至少包括：用于采集大型方矩形管外形图像数据的四个视觉传感器22，视觉传感器为线结构光视觉传感器，视觉传感器两两设于龙门架21的两侧。本实施例中每个线结构光视觉传感器包括一线式激光发射器和一CCD工业相机，线式激光发射器发射的激光线投射到物体表面时，激光线被物体表面高低形貌调制，CCD工业相机详细进行拍摄并传至图像处理软件进行图像处理；四个线结构光视觉传感器均匀分布于大型方矩形管的四周；由于四个视觉传感器需要反映被测物同一横截面的不同视角的图像，所以需要四个激光发射器的线结构光共面设置，即四台激光发射器的光照线位于大型方矩形管的同一截面内；用于接收上述四个线结构光视觉传感器采集信号的图像处理器；四台相机的信号输出端子与图像处理器的I/O端子电连接。激光发射器与相机的设置、图像处理软件等均属于现有技术，龙门架的具体结构不属于本申请的重点，龙门架可以为现有结构，故在此不做赘述。
本实施例另一方面提供一种利用上述多视觉传感器全局标定装置进行多视觉传感器标定方法，包括如下步骤：
S1.调整各个视觉传感器位置，使各个所述视觉传感器的线式激光发射器发出的线结构光共面；
具体的，将钢铁生产的出钢的方向，定义为立体坐标轴的X方向正方向，在龙门支架上固定好线结构光视觉传感器，根据矩形钢生产位置和生产范围，为了满足足够的拍摄范围，使各视觉传感器间视野相互补实，各个相机的镜头与水平面呈45°设置，各个激光发射器的线结构光垂直照射钢体，并调整视觉传感器位置使线式激光发射器发出的线结构光共面。将全局标定装置23的往复移动机构的底座固定在龙门架之间，将全局标定装置23置于四个视觉传感器之间，往复移动机构的运动方向与钢管生产方向相同，即X轴方向为往复移动机构的运动方向。
S2.选择其中一个视觉传感器为目标传感器，所述目标传感器中的相机为目标相机(主相机)，对所述目标相机进行单独标定，得到所述目标相机的内参和外参，相机的内参反应相机的几何特性，相机的外参反应相机相对世界坐标系的位置和拍摄方向；
具体的，全局标定装置上只安装一个标定球体，调整全局标定装置的位置，本实施例选取图7中左上方的视觉传感器为目标传感器，其相机为主相机。打开目标传感器的线结构光，使得目标相机的结构光对准标定球体的中间，反复调整主相机的感兴趣区域，使得主相机拍摄出的影像在电脑中的成像只显示标定球体轮廓图像，尽量减少现场其他光噪声的干扰，调节相机曝光，使得干扰达到最低，同时使得线结构光反应的球体轮廓在电脑上的图像处理软件上呈现的图像清晰连续，没有间断点；
起始标定位置为X轴方向标定球体的边缘处，启动电机，电机带动丝杠转动，丝杠带动丝杠螺母前后移动，丝杠螺母上的标定球体随之前后移动，将标定球体移动到起始标定位置。往复移动机构带动标定球体移动，目标相机从标定球体的起始标定位置扫到另一端时，停止扫描，相机将图像传至图像处理软件，读取信息，标定平均误差小于0.1mm时完成主相机的标定，此过程往复移动机构不用进行多次往复运动来标定取平均值。
本实施例应用的球形标定物的标定原理如图8所示，图中平面α由视觉传感器的投影光心及投影图案确定，将标定球体置于相机的感兴趣区域，此时得到平面α与起始标定位置的标定球体交于圆R1，标定球体移动一段距离后得到平面α与标定球体交于圆R2。
绝对二次曲线具有如下性质：(1)绝对二次曲线具有二次曲线的所有曲线，但没有实数点，并且绝对二次曲线和空间中的圆形交于圆形所在平面的圆环点上；(2)绝对二次曲线的投影λ满足λ＝K-1K-T，其中K为相机的内参。由二次曲线之间的double-contact关系，可知，圆形R1与R2交于平面α的圆环点上，则R1与R2在图像平面上的投影会交于圆环点的投影上。当有三个这样的圆环点投影时便可确定绝对二次曲线的投影λ，从而求解出唯一的相机内参K，相机外参数R。其中目标相机(主相机)内外参的具体求取方法，可参考冯丰著《相机标定和三维重建中球体的应用》，西安电子科技大学硕士论文。
S3.对剩余视觉传感器中的相机分别与所述目标相机进行两两标定，得到两两相机之间的外参。以主相机的光心(坐标系)作为世界坐标系的原点，然后其他三个待测相机往此光心上标定外参数，实现不同位置标定球体点在同一坐标系(主相机的坐标系)下构建的空间三维标定点。
步骤S3具体为：全局标定装置上安装四个标定球体，旋转标定基管，使标定球体的顶部对准待测相机与主相机，尽量使得四个球体最大程度暴露在两个相机视场范围内，然后固定标定基管。启动电机，电机带动丝杠转动，丝杠带动丝杠螺母前后移动，丝杠螺母上的标定球体随之前后移动，目标相机与一个待测相机从最前端的标定球体的前边缘扫描到最后端的标定球体的后边缘，两相机之间的标定平均误差小于0.2mm时，得到相机与目标相机之间的旋转矩阵和平移向量；重复以上操作，直到剩余相机分别与目标相机完成两两标定。
两两标定具体为：根据图像处理软件获取的标定球体的图像，求解待测相机与目标相机对应的相机坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T的线性解，R和T分别代表从待测相机的坐标系(光心)相对于目标相机的坐标系(光心)的旋转矩阵和平移向量；并求解旋转矩阵和平移向量的最优解，采用Levenberg-Marquardt非线性优化方法求解旋转矩阵和平移向量在最大似然准则下的最优解。
采用如图7所示的标定系统，利用本实施例提供的标定方法，对龙门架上的四个视觉传感器进行标定，需要标定的参数有目标相机的内参和外参，当采用的相机精度高且四个相机完全一样时，只需要标定一个相机的内参即可，也可对四个相机分别标定内参数，本实施例只标定目标相机的内参数，其他三个待测相机相对于目标相机的坐标系的外参(旋转矩阵R与平移向量T)。
标定结果为：
(1)相机一211(目标相机)
内参数：u0＝2126.79 v0＝1417.86 dx＝0.008459 dy＝0.008396
fu＝4138.58 fv＝4146.13
外参数：
(2)相机二212
外参数：
(3)相机三213
外参数：
(4)相机四214
外参数：
利用标定后的视觉传感器检测长度为2400mm的方矩形管，测得的距离为2400.261mm，误差为0.261mm；检测长度为1800mm的方矩形管，测得的距离为1799.698mm，误差为0.302mm；检测长度为3200mm的方矩形管，测得的距离为3199.722mm，误差为0.278mm；检测长度为5000mm的方矩形管，测得的距离为4999.717mm，误差为0.283mm；检测长度为4000mm的方矩形管，测得的距离为3999.69mm，误差为0.31mm。均方根误差为0.285mm。
本发明提供的多视觉传感器全局标定装置及方法，标定过程相对单个球体标定操作简单，提前将标定球体置于标定基管上，第一连接孔到标定基管的轴线的垂线均位于不同的面上，来实现位姿的变换以产生不同的位姿；当其中的相机照不到球体时，通过调节杆能够调节标定球体与标定基管的间距，保证任意一个相机都能无遮挡的拍摄到标定球体，操作方便，标定过程简单且精度高；与传统的相机标定法相比，本申请适用于恶劣的工业环境，仅需要对目标相机进行单独标定，对剩余相机与目标相机进行两两标定即可，不用人工提取角点坐标信息，不用同时对于多台相机都进行单独标定，只需要单独对目标相机进行标定，大大缩短了标定时间。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：包括标定基管、至少三个标定球体和调节杆，所述标定基管上设有至少三个第一连接孔，所述标定球体上分别设有第二连接孔，所述调节杆的一端分别伸入所述第一连接孔，所述调节杆的另一端分别伸入所述第二连接孔，各个所述第一连接孔到所述标定基管的中心轴线的垂线在所述标定基管轴向的投影不共线。
2.根据权利要求1所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述第一连接孔为螺纹孔，所述调节杆靠近所述第一连接孔的一端设有螺纹，所述第一连接孔与所述调节杆螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述第二连接孔为螺纹孔，所述调节杆的另一端设有螺纹，所述调节杆与所述第二连接孔螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述第一连接孔为通孔，完全贯穿所述标定基管。
5.根据权利要求1所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述标定基管外表面设有亚光漆。
6.根据权利要求1所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述调节杆外表面设有亚光漆。
7.根据权利要求1至6任一项所述的多视觉传感器全局标定装置，其特征在于：所述全局标定装置还包括往复移动机构，所述往复移动机构包括底座，所述底座上设有丝杠，所述丝杠的一端设有电机，所述丝杠上套设有丝杠螺母，所述丝杠螺母上设有安装支架，所述安装支架上设有所述标定基管。
8.一种基于权利要求7所述的多视觉传感器全局标定装置的标定方法，其特征在于包括：
S1.调整各个视觉传感器位置，使各个所述视觉传感器发出的线结构光共面；
S2.选择其中一个视觉传感器为目标传感器，所述目标传感器中的相机为目标相机，对所述目标相机进行单独标定，得到所述目标相机的内参和外参；
S3.对剩余视觉传感器中的相机分别与所述目标相机进行两两标定，得到两两相机之间的外参。
9.根据权利要求8所述的多视觉传感器标定方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：所述全局标定装置上只安装一个标定球体，规定所述往复移动机构的运动方向为X轴方向，随着所述全局标定装置的移动，所述目标相机从所述标定球体的一端扫描到另一端，标定平均误差小于0.1mm时，得到所述目标相机的相机内参和相机外参。
10.根据权利要求9所述的多视觉传感器标定方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：所述全局标定装置上安装四个所述标定球体，随着所述全局标定装置的移动，所述目标相机与一个所述相机从最前端的所述标定球体的前边缘扫描到最后端的所述标定球体的后边缘，两相机之间的标定平均误差小于0.2mm时，得到所述相机与所述目标相机之间的旋转矩阵和平移向量；重复以上操作，直到剩余所述相机分别与所述目标相机完成两两标定。
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