CN110264529A - 二维标定板、三维标定体、相机系统及相机标定方法、标定支撑架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于相机标定的二维标定板、三维标定体、相机系统及相机标定方法、标定支撑架。本发明提供一种用于相机标定的二维标定板，包括基板，所述基板设置有：多个特征元素，其以阵列的方式分布在所述基板上；发光体，其与所述特征元素一一对应地设置以用于点亮相应的特征元素，所述发光体具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率；和控制电路，其控制所述发光体的点亮和熄灭、以及控制发光体的亮度、颜色和/或发光频率。

Description

二维标定板、三维标定体、相机系统及相机标定方法、标定支 撑架

技术领域

本发明涉及视觉检测领域，更具体地，涉及用于相机标定的二维标定板、三维标定体、相机系统及相机标定方法。

背景技术

随着相机的普及，视觉检测技术越来越受到社会的重视。视觉检测技术是指通过机器视觉产品（例如相机）将被摄目标转换成图像信号，再经由图像处理系统将图像信号转变成数字化信号，从而抽取出被摄目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。视觉检测系统中相机内外部参数的获取直接决定视觉检测技术的测量与定位精度。为了精确标定相机从而获得高质量的测量与定位精度，除了要不断提高和完善标定算法之外，设计精确、实用性强的标定板也是必不可少的。

现有技术中的标定板一般被构造为二维平板，其上以打印或刻印的方式设置有一定数量的标定点。通常标定板的背景呈现为白色，而标定点呈现为黑色。在标定过程中，先以第一位置和角度放置标定板，然后外部光源对标定板进行照射且相机对被照射的标定板进行拍照。然后，操作人员变换标定板的位置和角度，继续拍照。在此过程中，对标定板的位置和角度有专业要求，因此增加了操作难度。而且，由于光照角度的不同，标定板上不同的标定点会产生强度不同的光线，当强度太大时，标定图像上的标定点的大小不一定与实际标定板上的标定点的尺寸相符，从而影响了相机参数的标定精度。另外，外部光源会照亮所有标定点，这不利于标定板在不同相机系统之间的扩展应用。

如上述，现有标定方法对环境（颜色、光照等）和操作者的要求很高，这使得诸如车载相机、交通拍照相机等需要在户外进行的标定过程难度增加、精度下降，很难清晰地拍摄标定板。另外，标定板应用方式单一，不利用扩展应用于各种不同类型的相机标定中。

发明内容

本发明针对上述问题，本发明提供一种用于相机标定的二维标定板，包括基板，所述基板设置有：多个特征元素，其以阵列的方式分布在所述基板上；发光体，其与所述特征元素一一对应地设置以用于点亮相应的特征元素，所述发光体具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率；和控制电路，其控制所述发光体的点亮和熄灭、以及控制发光体的亮度、颜色和/或发光频率。

根据一个方面，所述特征元素为圆形、方形或十字形，且所述特征元素以彼此等距的方式排列。

根据一个方面，所述控制电路对多个特征元素中的每一个进行编码，并控制所述特征元素中的每一个按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素中的至少一者被点亮时进行拍照。

根据一个方面，本发明提供一种用于相机标定的三维标定体，包括基体，所述基体设置有：多个特征元素，其以阵列的方式分布在所述基体上；发光体，其与所述特征元素一一对应地设置以用于点亮相应的特征元素，所述发光体具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率；和控制电路，其控制所述发光体的点亮和熄灭、以及控制发光体的亮度、颜色和/或发光频率。

根据一个方面，所述特征元素为圆形、方形或十字形，且所述特征元素以彼此等距的方式排列。

根据一个方面，所述控制电路对多个特征元素中的每一个进行编码，并控制所述特征元素中的每一个按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素中的至少一者被点亮时进行拍照。

根据一个方面，本发明提供一种相机系统，包括：相机；和对所述相机进行标定的上述二维标定板或三维标定体。

根据一个方面，所述控制电路对特征元素进行编码，并控制所述特征元素按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素被点亮时进行拍照。

根据一个方面，本发明提供一种相机标定方法，包括如下步骤：(1)相机对如上所述的二维标定板或三维标定体进行拍照；(2)相机对拍摄到的二维标定板的照片或三维标定体的照片进行图像分析；以及(3)标定相机。

根据一个方面，本发明提供一种标定支撑架，其包括主支柱和从所述主支柱延伸的多个分支柱，其中，所述主支柱用于固定所述支撑架；和所述分支柱从上到下沿不同方向从主支柱延伸出以用于固定如上所述的二维标定板或三维标定体，所述分支柱延伸出的末端开设有槽或附接有夹持板以用于使二维标定板或三维标定体固定于其上。

本发明是主动式光源，且光源的亮度、发光频率和颜色都可调节和控制，这在很大程度上降低了外界光照对标定板产生的不利影响，提高了定位精度。另外，本发明的三维标定体具有多维可控光源，不需要人工改变位置，这提高了发光源的定位速度、拍摄精度且节省了成本。进一步地，通过控制对每个发光源进行闪烁，从而对每个发光源进行编码，这提高了准确率与速度。通过调整相机的曝光和快门，也可提高识别速度。最后，可以针对不同类型的相机点亮不同的标定点，这扩展了标定板或标定体的应用场景。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图例示了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与文字说明一起用来解释本发明的原理。

图1为根据本发明一个方面的二维标定板的结构示意图。

图2为根据本发明一个方面的三维标定体的结构示意图。

图3是根据本发明一个方面的标定支撑架和不同类型的三维标定体的示意图。

图4是根据本发明一个方面的相机标定方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。应当指出，除非另外具体说明，在这些实施例中描述的部件、数字表示和数值的相对配置不限制本发明的范围。应当指出，下面的实施例并不限制权利要求中记载的本发明的范围，并且并非这些实施例中描述的特征的全部组合均是本发明所必须的。

为解决上述问题，本发明提供一种二维标定板，包括基板1。基板1包括多个特征元素2、多个发光体3和控制电路4，如图1所示。

基板1优选为陶瓷材料（例如哑面陶瓷）、玻璃材料（例如光学玻璃）、铝合金材料（例如航空铝）、高精菲林等。为了取得较好的成像效果，可采用铝合金光学平板并作发黑处理。如下文所述的特征元素2可以通过印刷的方式形成在基板1上的，也可以是利用诸如数控机床等在基板上钻孔加工而成。

多个特征元素2以阵列的方式分布在基板1上。如图1所示，特征元素2的形状被展示为圆形。但本发明并不限于此。特征元素2的形状还可以是方形、十字形等。这些特征元素2可以呈棋盘格、十字架、实心圆阵列等形式排列。特征元素2的排列方式也没有限制，例如可以以彼此之间等距地排列，也可以非均匀地分布在基板1上。

发光体3与特征元素2一一对应地设置以点亮特征元素2，即设置多少个特征元素2就相应地设置多少个发光体3。优选地，发光体3在特征元素2的中央以均匀点亮整个特征元素。发光体3具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率，从而在控制电路4（下文详述）的控制下被点亮、熄灭、呈现不同的颜色、亮度或不同的闪烁频率。作为实例，发光体3可以是LED显示器、灯、发光二极管、或光敏材料等等。根据特征元素形成方式的不同，发光体的设置方式也不同。例如，发光体可以以贴片的方式设置于特征元素后方，或者在特征元素是通过钻孔方式形成的情况下，发光体可以内陷于特征元素中，或者在发光体是光敏材料的情况下打印或刻印在特征元素中。本领域技术人员理解，还可以选择其他方式来设置发光体3。

控制电路4用来控制发光体3的点亮和熄灭，以及发光体3的亮度、颜色和/或发光频率。控制电路4可以一次控制一个平面的特征元素2中的一组（例如图1所示的21或图2所示的204），或整面特征元素（如图1所示的标定板1上的所有特征元素或图2所示的标定体的下表面201上所有的特征元素），让他们被点亮（如图2所示的特征元素202）。未被点亮的特征元素呈黑色（如图2所示的特征元素203）。或者，在一个实施例中，控制电路4先对每个发光体3进行编码，以使得发光体按照该编码被点亮或熄灭。只要存在被点亮的发光体3，相机即对整个标定板或标定体进行拍照，由此可快速且自动地拍摄到多张不同发光体被点亮的图片。作为示例，设定代码“1”表示点亮，代码“0”表示熄灭。在编码过程中，用数字0代表代码“00”，用数字1代表代码“10”，用数字2代表“110”，以此类推。假设一条编码的长度位5，例如03210，则对应的实际代码为0011101101000，则发光体按该代码被点亮或熄灭，即按照“灭灭亮亮亮灭亮亮灭亮灭灭灭”，由此实现自动控制。可替换地，还可以设定代码“1”表示熄灭，而代码“0”表示点亮。在本实施例中，由于所有的发光体3都按事先编好的代码被点亮或熄灭且相机对其自动拍摄，而无需人工干预，由此提高了发光体的点亮频率，且保证了整个系统的自动化和高效运行。作为优选，还可以在每一条编码的帧头和帧尾设置例如HDLC编码等，以识别不同的编码从而配合不同的标定要求。此外，由于摄像机CMOS传感器使用的是行或列扫描模式，因此具有上述编码模式的发光体实现了发光频率的提高，在此基础上，再配合提高的快门速度就使得CMOS扫描一行像素即可捕获到当前的编码位，使得一幅图片就可以得到一个完全的编码信息，比如03210。调节曝光度可以减少周围环境的信息噪声干扰，从而使得准确性提升，并降低抗噪声算法的复杂度，从而提升效率。

如图2所示，本发明还提供一种三维标定体，包括基体200。基体200包括多个特征面（例如201、204等），每个特征面上包括多个特征元素（例如202、203），多个发光体（未示出）和控制电路（未示出）。三维标定体中的基板、特征元素、发光体和控制电路的设置与功能等与图1所示的二维标定板100类似，此处不在赘述。

本发明还提供一种相机系统，包括相机和如上所述的二维标定板或三维标定体。其中，相机可以是任何类型的相机，比如RGB、热传感、深度相机等，还可以是对一定波长的电磁辐射例如（可见光、红外线、紫外线等）进行识别的传感器。虽然本文使用了“相机”，但本领域技术人员理解，摄像机等其它图像捕获装置也可用于本发明中。如上所述，二维标定板或三维标定体为如上所述的有源主动式设备，其上设置有例如LED、OLED、光敏材料、红外线发射器等发光体。二维标定板或三维标定体与相机通过无线（wifi、4G、5G等）或有线方式（双绞线、同轴电缆等）进行连接。

在实际标定过程中，可以使用标定架按照一定角度摆放多个二维标定板100（如图3所示），也可以是不同三维形状集合（球形、立方体、半球形、圆柱形等，如图3所示）。由此，不需要操作人员频繁改变标定板或标定体的位置，即可拍摄处于多角度的标定板或标定体。

如图3所示，本发明还涉及一种标定支撑架，其具有主支柱和从主支柱延伸的多个分支柱。主支柱用于固定支撑架；分支柱从上到下沿不同方向从主支柱延伸出以用于上文所述的二维标定板或三维标定体，且分支柱可绕主支柱360度旋转。分支柱夹持标定板或标定体的方式不限。例如，分支柱延伸出的末端处可开设有槽或附接有夹持板以用于使二维标定板或三维标定体固定于其上。

如图4所示，本发明还提供一种相机标定方法，包括如下步骤：

首先，在S401中，确定各二维标定板或各三维标定体与相机连接正常。若采用二维标定板，则需利用多个二维标定板，利用如图3所示的标定架固定该多个二维标定板，由此不需要人工调节二维标定板的位置和角度。若采用三维标定板，由于该标定板是三维的，所以也不需要人工调节其位置和角度。需要拍摄哪个角度的标定板就点亮该处的不到标定板即可。

然后，在S402中，控制电路控制二维标定板或三维标定体显示，相机对二维标定板或三维标定体进行拍照。

在使用本发明的标定板或标定体进行相机参数标定时，由控制电路来控制点亮哪些发光体，然后使用相机拍摄相机参数标定板，相机与标定板/标定体形成一定的夹角，以便于拍摄到的特征元素在被点亮后形成图像。在一个实施例中，使发光体处于亮（如图2的“202”）或者暗（如图2的“203”）的状态，一次控制一个平面的特征元素（201）或者一组的特征元素（204），让他们通电显示，其他的不通电显示，等待相机拍摄图片后，传给计算系统，计算系统获得相机的图片后，判断当前的特征元素在图片中的位置，重复以上动作，获得多张图片。

在另一些应用中，计算系统先把定标物中的每个特征元素进行编码比如“011112222”，然后让每个特征元素以不同的频率进行闪烁，频率要与编码进行对应，通过时间间隔进行编码，当每个发光体进行闪烁时，计算系统可以通过相机传递过来的多帧图片，进行解码，然后确定每个被点亮的特征元素的位置。进一步的闪烁的频率可以很高，通过调整相机的曝光和快门，此时肉眼是无法发现设备在闪烁，但是计算系统可以捕捉到显示单元的编码信息，从而快速的对每个发光的特征元素进行定位，然后计算相机的参数。

最后，在S403中，采集相机中拍到的数据，进行定标计算（比如张正友算法）获得相机的参数。

采用上述具体实施例提供的二维标定板或三维标定体，由于采用了发光体，无论是可见光相机还是近红外相机，都可以获取二维标定板或三维标定体的图像，因此既能够适用于可见光相机，也能够适用于近红外相机。

本发明是主动式的光源，可不仅以在很大程度上降低光照的影响，还能使操作者快速地了解每个发光体的发光状态，这不能提高了定位精度和速度，还做到了全自动化，节省了成本。

以上对本发明所提供的标定板、标定体、相机系统及标定方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于相机标定的二维标定板，其特征在于，包括基板，所述基板设置有：

多个特征元素，其以阵列的方式分布在所述基板上；

发光体，其与所述特征元素一一对应地设置以用于点亮相应的特征元素，所述发光体具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率；和

控制电路，其控制所述发光体的点亮和熄灭、以及控制发光体的亮度、颜色和/或发光频率。

2.根据权利要求1所述的二维标定板，其特征在于，所述特征元素为圆形、方形或十字形，且所述特征元素以彼此等距的方式排列。

3.根据权利要求1所述的二维标定板，其特征在于，所述控制电路对多个特征元素中的每一个进行编码，并控制所述特征元素中的每一个按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素中的至少一者被点亮时进行拍照。

4.一种用于相机标定的三维标定体，其特征在于，包括基体，所述基体设置有：

多个特征元素，其以阵列的方式分布在所述基体上；

发光体，其与所述特征元素一一对应地设置以用于点亮相应的特征元素，所述发光体具有可调节的亮度、颜色和/或发光频率；和

控制电路，其控制所述发光体的点亮和熄灭、以及控制发光体的亮度、颜色和/或发光频率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的三维标定体，其特征在于，所述特征元素为圆形、方形或十字形，且所述特征元素以彼此等距的方式排列。

6.根据前述权利要求中任一项所述的三维标定体，其特征在于，所述控制电路对多个特征元素中的每一个进行编码，并控制所述特征元素中的每一个按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素中的至少一者被点亮时进行拍照。

7.一种相机系统，其特征在于，包括：

相机；和

对所述相机进行标定的如权利要求1-3中任一项所述的二维标定板或如权利要求4-6中任一项所述的三维标定体。

8.根据权利要求7所述的相机系统，其特征在于，所述控制电路对特征元素进行编码，并控制所述特征元素按照编码被点亮，所述相机在所述特征元素被点亮时进行拍照。

9.一种相机标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)相机对如权利要求1-3中任一项所述的二维标定板或如权利要求4-6中任一项所述的三维标定体进行拍照；

(2)相机对拍摄到的二维标定板的照片或三维标定体的照片进行图像分析；以及

(3)标定相机。

10.一种标定支撑架，其特征在于，所述标定支撑架包括主支柱和从所述主支柱延伸的多个分支柱，其中，

所述主支柱用于固定所述支撑架；和

所述分支柱从上到下沿不同方向从主支柱延伸出以用于固定如权利要求1-8中任一项所述的二维标定板或三维标定体，所述分支柱延伸出的末端开设有槽或附接有夹持板以用于使二维标定板或三维标定体固定于其上。