CN109154495B - 三维校准工具和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于校准诸如用于材料测试系统中应变的非接触测量的基于相机的三维光学计量系统的方法和工具。本公开提供了一种工具，所述工具将校准板保持于材料测试装置的负荷框架的测试空间内。所述工具包括心轴，所述心轴围绕着旋转轴线旋转至一系列的制动旋转位置。所述心轴通过轴承配置接合所述校准板，所述轴承配置允许所述校准板的所述倾斜角度改变。所述心轴的旋转和所述倾斜角度的变化在所述测试空间内提供了两个运动自由度。所得的一系列的校准板位置是规则的和可重复的。

Description

三维校准工具和方法

发明背景

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求享有提交于2016年5月24日的序列号为62/340,766的美国临时申请的优先权，该临时申请的全部内容据此出于所有目的并入本文。

技术领域

本公开涉及用于校准诸如用于材料测试系统中对应变的非接触测量的基于相机的三维光学计量系统的方法和工具。

背景技术

为在材料测试期间执行样品应变的非接触测量，三维光学计量系统通常组合来自相同对象的不同立体图的多个相机图像以获得提供对象的单个三维视图所需的景深信息。每个相机视点必须在三维上精确地校准以产生待测对象的准确三维测量结果。对于每个视点或相机，校准必须执行下述动作：

1.使相机视点的指向矢量定位于三维空间中。这确立了相机的位置和其观察方向。

2.相对于相机观察方向(指向矢量)限定相机内的二维图像传感器的取向。这确立了图像传感器的任何倾斜或旋转。

3.校准通过其光学系统所产生的二维相机图像的失真，包括镜头失真、镜头相对于图像传感器的对准，和图像传感器的任何非一致性效果。

4.校准由对象位置变化所产生的二维相机图像在景深轴线上的变化。

当每个相机被如此校准时，组合的校准数据集合限定了对象空间中的共同三维测量体积。计量系统然后可在该共同体积内的任何位置作出校准的三维测量。

该校准工具通常通过从平坦校准板的每个相机获取一系列的图片来实现，该平坦校准板在对象空间内保持在多个位置和取向。平坦校准板提供标记物阵列，诸如，例如具有已知预校准直径和间距的点。工序如下：

1.当校准板在三维测量体积中的给定位置处保持静止时，从每个相机视点获取校准板的图像。

2.校准板然后移动至测量体积内的新三维位置，并且获取额外组的图像，从每个相机获取一组额外图像。新位置可通常包括使板倾斜和/或旋转以及使其在深度轴线上平移。

3.重复该工序，从而将校准板逐渐地移动通过预期测量体积。校准板可另选地移动至该体积内的随机位置和取向，仔细地对校准板的整个体积进行取样。

4.当对该体积进行充分取样(通常需要该体积内的6至12个不同校准板位置)时，工序结束。

用于校准的任何设备必须易于插入测量体积和从其移除。在校准完成之后，设备必须移除以使用户能够在相同体积中进行任意标本的三维测量。因此，有难度的是具有移动校准板的机动器具，该机动器具为简单、紧凑和自包含的。为此，提供校准板的所需位置变化的典型方法是操作员用手保持该板并且手动地将其移动，同时相机以一定间隔获取快照，从而捕获在目标体积内处于许多唯一位置和取向的该板。

一般来讲，校准板在测量体积中的精确位置/取向不必须为已知的。相反，校准方法依赖于校准板上特征的已知几何形状以提供校准得自每个相机的图像阵列所需的信息。

现有技术方法通常利用手持式校准板200，手持式校准板200在目标校准体积周围随机地移动，如图1所示。由于手动操作的不确定性，这产生了随机的一组位置/取向并且把创建三维体积的充分取样的负担直接留给了操作员。这首先导致需要操作员受过较高水平的训练，其次对于每次校准动作通过不同位置取样产生三维校准图。这些问题均影响计量系统的可重复性和易用性。

下述参考文献提供了数学算法的实例，这些数学算法常常用于从如本公开所描述的类似组的校准板图像产生三维校准图。

1.Z.Zhang,"A flexible new technique for camera calibration,”IEEETrans.Pattern Anal,Mach.Intell.22(11),1330-1334(2000).

2.R.Tsai,“A versatile camera calibration technique for high accuracythree-dimensional machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras andlenses,”IEEE J.Robot.Autom,3(4),323-344(1987).

发明内容

本公开的一个目的是提供一种校准三维光学计量系统的方法，该方法不需要手动移动校准板并且提供了更具可重复性和有规则的校准结果。这提供了较大程度易用性，减小了对于校准的操作员训练水平，并且减小了对最终结果产生影响的操作员差异性。

这个和其它目的通过提供机械装置来获得，该机械装置通常由夹持件接合或夹紧在材料测试装置内，该夹持件支撑具有周期性制动旋转位置的心轴。心轴还包括支撑件，平面可视目标(诸如校准板)在该支撑件上枢转至期望角度位置。心轴的旋转提供了绕着轴线至预定制动位置的旋转，从而提供可视目标定位时的第一运动自由度，而可视目标的枢转提供了第二运动自由度。通常，使用两个相机来捕获在可视目标的整个位置范围内的可视目标的图像，从而限定对象空间中的共同三维测量体积，以用于材料测试中样品应变的后续非接触测量。

附图说明

本公开的其它目的和优点根据下面的描述和附图将变得显而易见，其中：

图1为示出现有技术的一系列的图。

图2是根据本公开的一个实施例示出旋转楔形物的立体图。

图3是根据本公开的一个实施例示出相对于提供立体三维测量的两个相机的楔形物旋转轴线的实例的示意图。

图4是根据本公开的一个实施例安装于拉伸测试负荷框架上的校准工具的立体图。

图5是根据本公开的一个实施例示出以45度增量旋转的倾斜校准板的相机视图的一系列视图，每个位置由机械制动装置保持。

图6是根据本公开的一个实施例由负荷框架的下部夹持件接合或夹紧的校准工具的立体图。

图7是根据本公开的一个实施例由可调整磁性止动件所确立的校准板倾斜的立体图。

图8是根据本公开的一个实施例示出将线材连接至顶部夹持件的心轴细节的立体图。

图9为本公开的一个实施例的已安装设备的平面图，其中校准工具由负荷框架的顶部夹持件接合或夹紧。

具体实施方式

现详细地参考附图，其中类似附图标记指示多个视图中的类似元件，会看到针对本发明的方法和设备所公开的实施例。如图2所示，本公开实施例的方法和设备利用楔形物10，楔形物10绕着其中心轴线12旋转以产生所需范围的校准板运动。楔形物10由倾斜校准平面14表示，倾斜校准平面14具有校准特征，诸如高对比度棋盘或点阵列图案。具有特征的平面在此称为校准板14。

对于每次校准动作，绕着固定旋转轴线12旋转的楔形物10(如图2和图3所示)将对于校准板14的一组可重复和有规则的取向提供至第一和第二相机或图像传感器或图像捕获装置20,22(参见图3)。例如，楔形物10可在旋转角17的整个一周上以八个45度增量旋转，每个增量由精确机械或电磁制动装置保持在适当位置，使得在制动之间的简单手动旋转可将校准板14的可重复视图提供至第一相机20和第二相机22。校准板14的倾斜角度得以精确地维持，并且通过校准楔形物校准工具30可已知为高精确度(参见图4)。为提供额外的稳定视图，楔形物校准工具30可设计成允许选择若干不同的固定倾斜角度16。例如，图4的楔形物校准工具30可对于30度和零度倾斜的校准板14两者提供机械倾斜制动装置。在该实例中，操作员可在零度和30度的倾斜角度16下通过旋转角度17的45度旋转的四个步骤以可重复和有规则的方式移动校准板14。应注意，使用楔形物10来示出校准板14的倾斜角度16，并且该倾斜角度16可通过物理楔形物10以外的其它结构来实现。

通常，关键因素为，绕着轴线14的旋转角度17和倾斜角度16两者可保持在经校准的值，而与影响旋转角度17或倾斜角度16的操作员手动输入，从而对工序和方法提供可重复性和可预测性。校准板14的所有相机视图可优选地填满相机视域，而不会因为校准板14的不受控制的手动运动而存在使校准板14歪斜至相机图像的一侧的风险。

图3示出了旋转楔形物10的典型设置。如所示，第一相机20和第二相机22包括立体视觉系统，该立体视觉系统能够提供对象在测试空间中的三维测量。旋转楔形物10置于该测试空间中以用于系统的校准。一般来讲，旋转轴线12的布置为任意的。然而，在所示实例中，旋转轴线12大致在第一相机20和第二相机22的平均观察轴线上进行取向，使得每个相机20,22观察到校准板14大致相同范围的倾斜和旋转。

如图4所示，在拉伸测试负荷框架100的应用中，提供旋转楔形物校准工具30。要求对被设计为负荷框架100的整体部件的三维计量系统进行校准。随着待测标本(未示出)在负荷框架100的上部夹持件102和下部夹持件104之间的测试空间106内经受拉伸应力，基于摄像机的三维测量系统利用该标本的立体视图来产生该标本的三维视频应变图。

通常更重要的是，校准工具30可迅速地和容易地安装，完全地自包含，不需要苛刻对准，并且对于操作员使用简单。如图4至图8所示，楔形物校准工具30安装于负荷框架100的上部夹持件102和下部夹持件104之间的标本测量测试空间106中。楔形物校准工具30包括竖直安装凸起32，所以通过将下部夹持件104(或另选地，如图9所示，上部夹持件102)简单地闭合或夹紧至下部安装凸起32上，楔形物校准工具30可刚性地保持于适当位置。第一相机20和第二相机22(其每一个的视点示于图4中)各自从不同视角看向校准板14，在这种情况下，第一相机20和第二相机22的视线所分开的角度通常为约20度。旋转校准板14的旋转轴线大致将该分开的角度对半分。

竖直安装凸起32附接至下部水平支撑构件34，下部水平支撑构件34继而附接至竖直心轴支撑构件36，从而提供用于可旋转安装心轴38的框架39(通常由注射塑料或金属制成)。心轴38是轴颈连接的以用于旋转，并且可旋转地安装于竖直心轴支撑构件36的上端上。心轴38在竖直支撑构件36上的可旋转安装包括制动功能，使得心轴38可旋转地移动至各个可重复的独立旋转位置(从而实现图2和图3中的旋转角度17绕着轴线12的变化)，这些可重复的独立旋转位置通常隔开45度的增量或360度除以一些其它整数而得到的增量。心轴38还包括第一支承40和第二支承42，第一支承40和第二支承42在纵向方向(大致平行于旋转轴线12)上从心轴38外缘延伸并且包括相应的第一旋转轴承41和第二旋转轴承43以提供转节支承以用于使校准板14沿着枢转轴线转动或枢转过一倾斜角度(参见图2和图3中的要素16)而无需使用如图2和图3所示的物理楔形物10，其中该枢转轴线形成于第一旋转轴承41和第二旋转轴承43之间。另外，如图7最清楚所示，第一磁性止动件50和第二磁性止动件52在大致纵向方向从心轴38的外缘延伸以使校准板14的倾斜角度固定下来。由第一旋转轴承41和第二旋转轴承43所提供的枢转轴线垂直于心轴34的旋转轴线，从而提供校准板14的两个正交移动自由度。

大致从第一相机20和第二相机22中一者的视点来看旋转中的楔形物校准工具30的视图示于图5中。出于说明目的，所示的图像视域远大于计量系统相机的实际视域。实际上，校准板14的图像将大部分填满计量相机的实际视域，从而提供横跨绝大多数相机视域的校准数据。保持倾斜校准板14的心轴38图示为绕着心轴38的旋转轴线(参见图2和图3的轴线12)以45度增量旋转，每个位置由机械制动装置保持，所以操作员在每次校准动作中可重复地找到相同旋转位置。

在该实施例中，心轴38可由用户绕着其轴线手动地旋转。然而，如图8所示，通过将缠绕于心轴38的外圆周表面46周围的线材44连接至上部夹持件102并利用负荷框架100的线性十字头运动来缓慢地旋转心轴38，校准工具30还提供自动旋转的便利器具。在该配置中，心轴38可自动地旋转，而无需校准工具30自身中的任何形式的机电部件，从而节省工具成本、减小物理尺寸和复杂性。

图6示出了夹紧于下部夹持件104中的校准工具30的凑近视图。倾斜校准板14包括薄金属板，该薄金属板具有黑色背景上的白点阵列。校准板14在轴线上倾斜，该轴线将板14的中心二等分。校准板14利用小刚性框架安装至心轴38，该小刚性框架通过其边缘保持校准板14并且包括限定倾斜轴线的第一旋转轴承41和第二旋转轴承43。

图7示出了旋转中的校准工具30的更多细节。校准板30的倾斜由第一磁性止动件50或第二磁性止动件52保持至固定位置(图2和图3的倾斜角度16)。相应的第一磁性止动件50和第二磁性止动件52内的第一带螺纹的止动销51和第二带螺纹的止动销53允许倾斜角度被精确地锁定在已知值。校准板14通过校准板14上的小磁体(未示出)保持至第一止动销51或第二止动销53的顶部。示出了第一带螺纹的止动销51和第二带螺纹的止动销53，其各自提供了精确倾斜角度设置，止动销51以30度倾斜设置并且止动销53以零度倾斜设置。通过枢转校准板14直至适当止动件销轴51或53磁性地接合，这允许操作员在多个倾斜角度之间容易地切换。其它应用可利用由不同长度或位置的止动销51,53所提供的不同角度。

图8示出了心轴38和校准板14的背部的细节。心轴38的周缘具有一长度的钢线材44，钢线材44沿着带凹槽的线材引导部60围绕心轴38缠绕至少一匝。线材44的相对端部夹紧于上部夹持件102中，使得当负荷框架作十字头运动时，钢线材44被牵拉并且心轴38旋转。这是提供心轴38和校准板14的受控制的自动旋转的选项的简单方法。

图9为本公开的一个实施例的已安装设备的示意图，其中楔形物校准工具30被配置并用顶部夹持件102夹紧。

一些实施例可包括在校准板14的背侧或反面侧上的校准图像的第二图案。例如，白色背景上的黑色点。校准工具30的设计允许校准板14易于从心轴34移除并且翻转或翻面，使得单个校准板14可提供两个不同组的校准图像。这可有益于例如改变特征的比例或类型以用于不同三维系统相机的校准。

所公开的校准工具和方法的典型优点可包括：

1.操作员无需在待校准的三维图像体积内四处手动地移动手持式校准板。

2.对于每次校准动作提供三维图像体积的可重复取样。

2.a.相比于手持板方法，体积的更受控控的取样。

2.b.对于每个位置/取向，维持相机视域的最佳填充——没有图像具有由于手持板的不受控制的歪斜而造成的大的空白部分。

2.c.提供完全三维测试体积的更完整取样。

3.易用性。

3.a.易于安装和移除。

3.b.最小限度的操作员训练。

3.c.操作员不必参与选择校准板位置。

3.d.操作员不必判断相机图像的质量，或拒绝任何图像。

4.改善的校准精度和可重复性。

4.a.操作员差异性不会影响校准结果。

4.b.三维图像体积的更一致和可重复的取样。

5.能够减少校准工序中未知参数的数量。

5.a.已知校准板倾斜角度。

5.b.已知校准板旋转角度。

6.能够提供自动校准板旋转，而无额外电机或复杂性。

7.方法对于校准板尺寸为可向上或向下缩放的，对于手持方法，这是不切实际的。

因此，最有效地获得若干前述目的和优点。尽管本发明的优选实施例已在本文详细地公开和描述，但是应当理解，本发明决不由此受到限制。

Claims (33)

1.一种用于在材料测试装置的测试空间中提供视觉校准图像的装置，所述装置包括：

校准测试目标，所述校准测试目标包括在第一侧的校准测试图案；

与所述校准测试目标接合的支承，所述支承包括枢轴，其中所述校准测试目标可沿着一枢转轴线枢转；和

与所述支承接合的旋转装置，所述旋转装置绕着旋转轴线旋转，

其特征在于

所述校准测试目标包括在第二侧的不同测试图案，其中所述校准测试目标被配置为从所述旋转装置移除并且被翻转或翻面，以使得所述校准测试目标提供两个不同组的校准图像。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中所述旋转装置为旋转地安装于框架上的心轴，其中所述心轴绕着所述旋转轴线旋转到制动位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述框架包括安装凸起以由材料测试装置的夹持件接合。

4.根据前述权利要求中的一个所述的装置，还至少包括第一止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第一倾斜角度，其中所述装置进一步包括第二止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第二倾斜角度。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述枢转轴线垂直于所述旋转轴线。

6.根据前述权利要求1所述的装置，其中所述校准测试目标为平坦的。

7.根据前述权利要求1所述的装置，其中所述校准测试目标包括可视点阵列或棋盘图案。

8.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一止动件和所述第二止动件包括相应的第一磁体和第二磁体以用于磁性地接合所述校准测试目标。

9.根据权利要求2所述的装置，所述框架包括在测试空间中的至少一个夹持件，所述夹持件用于在所述测试空间内施加负荷。

10.一种提供校准数据集的方法，所述校准数据集限定材料测试装置的对象空间中的共同三维测量体积，所述方法包括以下步骤：

提供校准测试目标，所述校准测试目标包括在第一侧的校准测试图案、与所述校准测试目标接合的支承，和与所述支承接合的旋转装置，所述支承包括枢轴，其中所述校准测试目标可沿着枢转轴线枢转，所述旋转装置围绕旋转轴线旋转至多个旋转角度；

提供至少一个图像捕获装置以记录所述校准测试图案的图像；

通过一系列的倾斜角度和旋转角度定位所述校准测试图案；和

在定位所述校准测试图案的步骤期间，执行操作所述至少一个图像捕获装置以记录所述校准测试图案的图像的步骤；

其特征在于

提供在所述校准测试目标的第二侧的不同测试图案，其中所述校准测试目标被配置为从所述旋转装置移除并且被翻转或翻面，以使得所述校准测试目标提供两个不同组的校准图像。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述提供至少一个图像捕获装置的步骤包括提供至少两个图像捕获装置。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括提供框架以用于旋转地安装所述旋转装置的步骤，所述旋转装置为具有多个制动旋转位置的心轴，和/或

进一步包括提供框架以用于安装所述旋转装置和通过材料测试装置的夹持件夹紧框架的步骤。

13.根据权利要求10至12中的其中一个所述的方法，还包括至少提供第一止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第一倾斜角度的步骤，

其中所述的方法还包括提供第二止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第二倾斜角度的步骤。

14.根据权利要求10至12中其中一个所述的方法，其中提供校准测试目标的步骤包括提供平坦的校准测试目标。

15.根据权利要求10至12中其中一个所述的方法，其中提供校准测试目标的步骤包括提供具有可视点阵列或棋盘图案的平坦的校准测试目标。

16.根据权利要求13所述的方法，其中提供所述第一止动件和所述第二止动件的步骤包括提供相应的第一磁体和第二磁体以用于磁性地接合所述校准测试目标的步骤。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述框架包括在所述对象空间中的至少一个夹持件，所述夹持件用于在所述对象空间内施加负荷。

18.一种用于在拉伸测试负荷框架的测试空间中提供视觉校准图像的装置，所述拉伸测试负荷框架包括在所述测试空间中的至少一个夹持件，所述夹持件用于在所述测试空间内施加负荷，所述装置包括：

校准测试图案；

与所述校准测试图案接合的支承，所述支承包括枢轴，其中所述校准测试图案可沿着一枢转轴线枢转过一倾斜角度；

旋转地安装于装置框架上并且绕着旋转轴线旋转的心轴，所述心轴与所述支承接合；和

所述装置框架包括安装凸起以由所述拉伸测试负荷框架的所述夹持件接合，从而将所述校准测试图案定位于所述拉伸测试负荷框架的测试空间中。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述心轴绕着所述旋转轴线旋转至制动位置。

20.根据权利要求19所述的装置，还至少包括第一止动件以用于将所述校准测试图案的倾斜角度固定于第一倾斜角度。

21.根据权利要求20所述的装置，还包括第二止动件以用于将所述校准测试图案的倾斜角度固定于第二倾斜角度。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述枢转轴线垂直于所述旋转轴线。

23.根据权利要求21所述的装置，其中所述校准测试图案为平坦的。

24.根据权利要求23所述的装置，其中所述校准测试图案包括可视点阵列或棋盘图案。

25.根据权利要求21所述的装置，其中所述第一止动件和所述第二止动件包括相应的第一磁体和第二磁体以用于磁性地接合所述校准测试图案。

26.一种提供校准数据集的方法，所述校准数据集限定拉伸测试负荷框架的对象空间中的共同三维测量体积，所述拉伸测试负荷框架包括在测试空间中的至少一个夹持件，所述夹持件用于在所述测试空间内施加负荷，所述方法包括以下步骤：

在所述拉伸测试负荷框架的对象空间中提供校准测试图案、提供与所述校准测试图案接合的支承，和旋转地安装于装置框架上并且绕着旋转轴线旋转的心轴，所述心轴与所述支承接合，所述支承包括枢轴，所述校准测试图案可沿着枢转轴线枢转至倾斜角度，所述装置框架包括安装凸起以由所述拉伸测试负荷框架的夹持件接合，从而将所述校准测试图案定位于所述拉伸测试负荷框架的对象空间中；

提供至少一个图像捕获装置以记录所述校准测试图案的图像；

通过一系列的倾斜角度和旋转角度定位所述校准测试图案；和

在定位所述校准测试图案的步骤期间，执行操作所述至少一个图像捕获装置以记录所述校准测试图案的图像的步骤。

27.根据权利要求26所述的方法，其中提供至少一个图像捕获装置的步骤包括提供至少两个图像捕获装置。

28.根据权利要求26所述的方法，还包括为所述心轴提供多个制动旋转位置的步骤。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括至少提供第一止动件以用于将所述校准测试图案的倾斜角度固定于第一倾斜角度的步骤。

30.根据权利要求29所述的方法，还包括提供第二止动件以用于将所述校准测试图案的倾斜角度固定于第二倾斜角度的步骤。

31.根据权利要求30所述的方法，其中提供校准测试图案的步骤包括提供平坦的校准测试图案。

32.根据权利要求31所述的方法，其中提供校准测试图案的步骤包括提供具有可视点阵列或棋盘图案的平坦的校准测试图案。

33.根据权利要求30所述的方法，其中提供所述第一止动件和所述第二止动件的步骤包括提供相应第一磁体和第二磁体以用于磁性地接合所述校准测试图案的步骤。

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