CN110349218A - 摄像机的标定方法和标定系统 - Google Patents

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    • G06T2207/30204—Marker
    • G06T2207/30208—Marker matrix

Abstract

本发明公开一种摄像机的标定方法和标定系统。标定方法包括：提供一个机器人和一个校准工具，校准工具上形成有具有规则的几何形状的校准特征；将所述校准工具安装在机器人的末端执行器上；用所述机器人移动所述校准工具，使得所述校准特征被依次移动到多个不同的位置，并从所述机器人读取位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标；用所述摄像机识别位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在所述摄像机的像素坐标系中的像素坐标；求解所述校准特征的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵。在本发明中，能够自动地完成摄像机的标定，提高了摄像机的标定精度和效率。

Description

摄像机的标定方法和标定系统
技术领域
本发明涉及一种摄像机的标定方法和标定系统。
背景技术
在现有技术中，对于应用于机器人的摄像机的标定，一般采用人工方法进行标定，其需要采用人工示教的方法控制机器人移动到多个不同的目标位置，这非常麻烦，也非常费时。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种摄像机的标定方法，包括如下步骤：
S100：提供一个机器人和一个校准工具，所述校准工具上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征；
S200：将所述校准工具安装在机器人的末端执行器上；
S300：用所述机器人移动所述校准工具，使得所述校准特征被依次移动到多个不同的位置，并从所述机器人读取位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标；
S400：用所述摄像机识别位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在所述摄像机的像素坐标系中的像素坐标；
S500：根据下面的公式求解所述校准特征的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M，
其中
(ui，vi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述校准特征被依次移动到至少6个不同的位置，从而至少可获得6个不同的像素坐标和6个不同的位置坐标。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述校准特征被依次移动到至少9个不同的位置，从而至少可获得9个不同的像素坐标和9个不同的位置坐标。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述校准特征为形成在所述校准工具上的圆形孔。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述校准特征的中心轴线和所述摄像机的光轴与所述机器人坐标系的竖直轴平行。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述末端执行器安装在所述机器人的末端法兰盘上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述末端执行器为抓取器，所述校准工具适于被直接抓取在所述末端执行器上。
根据本发明的另一个方面，提供一种摄像机的标定系统，包括：机器人；校准工具，安装在所述机器人的末端执行器上；和控制器，在所述校准工具上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征，所述机器人适于通过移动所述校准工具使所述校准特征被依次移动到多个不同的位置；所述摄像机适于识别位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在所述摄像机的像素坐标系中的像素坐标；
所述控制器适于从所述机器人读取位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标，并根据下面的公式求解所述校准特征的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M，
其中
(ui，vi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
在本发明的前述各个实施例中，能够自动地完成摄像机的标定，提高了摄像机的标定精度和效率。
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
附图说明
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的摄像机的标定系统的示意图；
图2显示图1所示的机器人的末端执行器和安装在末端执行器上的校准工具的立体示意图；
图3显示位于多个不同的位置的校准特征在机器人坐标系和像素坐标系中的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的一个总体技术构思，提供一种摄像机的标定方法，包括如下步骤：提供一个机器人和一个校准工具，所述校准工具上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征；将所述校准工具安装在机器人的末端执行器上；用所述机器人移动所述校准工具，使得所述校准特征被依次移动到多个不同的位置，并从所述机器人读取位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标；用所述摄像机识别位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在所述摄像机的像素坐标系中的像素坐标；求解所述校准特征的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵。
根据本发明的另一个总体技术构思，提供一种摄像机的标定系统，包括：机器人；校准工具，安装在所述机器人的末端执行器上；和控制器。在所述校准工具上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征，所述机器人适于通过移动所述校准工具使所述校准特征被依次移动到多个不同的位置；所述摄像机适于识别位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在所述摄像机的像素坐标系中的像素坐标；所述控制器适于从所述机器人读取位于所述多个不同的位置的所述校准特征的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标，并求解所述校准特征的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵。
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的摄像机的标定系统的示意图；图2显示图1所示的机器人的末端执行器和安装在末端执行器上的校准工具的立体示意图；图3显示位于多个不同的位置的校准特征在机器人坐标系和像素坐标系中的示意图。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，该摄像机的标定系统主要包括：机器人100、校准工具130和控制器(可以为用于控制机器人100的机器人控制器)。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，校准工具130安装在机器人100的末端执行器(或称为机器人工具)120上。机器人控制器可以为计算机。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，在校准工具130上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征P，机器人100适于通过移动校准工具130使校准特征P被依次移动到多个不同的位置P1、P2、…、Pn。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，摄像机200适于识别位于多个不同的位置P1、P2、…、Pn的校准特征P的几何中心点在摄像机200的像素坐标系中的像素坐标。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，控制器适于从机器人100读取位于多个不同的位置P1、P2、…、Pn的校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标，并根据下面的公式求解校准特征P的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标与校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M，
其中
(ui，vi)表示位于位置Pi＝1，2，…，n处的校准特征P的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi＝1，2，…，n处的校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
前述映射矩阵M中的各个参数就是摄像机的参数，这样就完成了摄像机的标定。
通常而言，校准特征P的几何中心点的位置坐标和像素坐标的数量越多，计算出的映射矩阵M的精度就越高。
在本发明的一个实施例中，校准特征P被依次移动到至少6个不同的位置P1、P2、…、Pn，从而至少可获得6个不同的像素坐标和6个不同的位置坐标。
在本发明的另一个实施例中，校准特征P被依次移动到至少9个不同的位置P1、P2、…、Pn，从而至少可获得9个不同的像素坐标和9个不同的位置坐标。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，校准特征P为形成在校准工具130上的圆形孔。但是，本发明不局限于此，校准特征P也可以为其他易于视觉识别的结构，例如，圆柱形凸起、方形孔等。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，校准特征P的中心轴线和摄像机200的光轴与机器人坐标系的竖直轴Z平行。机器人坐标系的X轴和Y轴与竖直轴Z垂直。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，末端执行器120安装在机器人200的末端法兰盘110上。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，末端执行器120为抓取器，校准工具130适于被直接抓取在末端执行器120上。
下面，将参照图1至图3来详细说明摄像机的标定方法，该标定方法主要包括如下步骤：
S100：如图1和图2所示，提供一个机器人100和一个校准工具130，校准工具130上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征P；
S200：如图1和图2所示，将校准工具130安装在机器人100的末端执行器120上；
S300：如图3所示，用机器人100移动校准工具130，使得校准特征P被依次移动到多个不同的位置P1、P2、…、Pn，并从机器人100读取位于多个不同的位置P1、P2、…、Pn的校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标；
S400：如图3所示，用摄像机200识别位于多个不同的位置P1、P2、…、Pn的校准特征P的几何中心点在摄像机200的像素坐标系中的像素坐标；
S500：根据下面的公式求解校准特征P的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标与校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M(Mapping)，
其中
(ui，vi)表示位于位置Pi＝1，2，…，n处的校准特征P的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi＝1，2，…，n处的校准特征P的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。

Claims (14)

1.一种摄像机的标定方法，包括如下步骤：
S100：提供一个机器人(100)和一个校准工具(130)，所述校准工具(130)上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征(P)；
S200：将所述校准工具(130)安装在机器人(100)的末端执行器(120)上；
S300：用所述机器人(100)移动所述校准工具(130)，使得所述校准特征(P)被依次移动到多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)，并从所述机器人(100)读取位于所述多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)的所述校准特征(P)的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标；
S400：用所述摄像机(200)识别位于所述多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)的所述校准特征(P)的几何中心点在所述摄像机(200)的像素坐标系中的像素坐标；
S500：根据下面的公式求解所述校准特征(P)的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征(P)的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M，
其中
(ui，vi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征(P)的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征(P)的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述校准特征(P)被依次移动到至少6个不同的位置(P1、P2、…、Pn)，从而至少可获得6个不同的像素坐标和6个不同的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述校准特征(P)被依次移动到至少9个不同的位置(P1、P2、…、Pn)，从而至少可获得9个不同的像素坐标和9个不同的位置坐标。
4.根据权利要求1所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述校准特征(P)为形成在所述校准工具(130)上的圆形孔。
5.根据权利要求4所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述校准特征(P)的中心轴线和所述摄像机(200)的光轴与所述机器人坐标系的竖直轴(Z)平行。
6.根据权利要求1所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述末端执行器(120)安装在所述机器人(200)的末端法兰盘(110)上。
7.根据权利要求1所述的摄像机的标定方法，其特征在于：
所述末端执行器(120)为抓取器，所述校准工具(130)适于被直接抓取在所述末端执行器(120)上。
8.一种摄像机的标定系统，其特征在于，包括：
机器人(100)；
校准工具(130)，安装在所述机器人(100)的末端执行器(120)上；和
控制器，
在所述校准工具(130)上形成有一个具有规则的几何形状的校准特征(P)，所述机器人(100)适于通过移动所述校准工具(130)使所述校准特征(P)被依次移动到多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)；
所述摄像机(200)适于识别位于所述多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)的所述校准特征(P)的几何中心点在所述摄像机(200)的像素坐标系中的像素坐标；
所述控制器适于从所述机器人(100)读取位于所述多个不同的位置(P1、P2、…、Pn)的所述校准特征(P)的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标，并根据下面的公式求解所述校准特征(P)的几何中心点在所述像素坐标系中的像素坐标与所述校准特征(P)的几何中心点在所述机器人坐标系中的位置坐标之间的映射矩阵M，其中
(ui，vi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征(P)的几何中心点在像素坐标系中的像素坐标；
(xi，yi)表示位于位置Pi(i＝1，2，…，n)处的校准特征(P)的几何中心点在机器人坐标系中的位置坐标。
9.根据权利要求8所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述校准特征(P)被依次移动到至少6个不同的位置(P1、P2、…、Pn)，从而至少可获得6个不同的像素坐标和6个不同的位置坐标。
10.根据权利要求8所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述校准特征(P)被依次移动到至少9个不同的位置(P1、P2、…、Pn)，从而至少可获得9个不同的像素坐标和9个不同的位置坐标。
11.根据权利要求8所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述校准特征(P)为形成在所述校准工具(130)上的圆形孔。
12.根据权利要求11所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述校准特征(P)的中心轴线和所述摄像机(200)的光轴与所述机器人坐标系的竖直轴(Z)平行。
13.根据权利要求8所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述末端执行器(120)安装在所述机器人(200)的末端法兰盘(110)上。
14.根据权利要求8所述的摄像机的标定系统，其特征在于：
所述末端执行器(120)为抓取器，所述校准工具(130)适于被直接抓取在所述末端执行器(120)上。
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