CN110415303A - 一种相机3d成像标定装置及3d成像标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相机3D成像标定装置及3D成像标定方法，标定装置包括内外参标定区、深度标定区、产品放置平台、辅助工具放置台，内外参标定区包括四块内外参标定板，内外参标定板由支撑机构固定；深度标定区包括深度标定底板和板面材料，深度标定底板由垂直于地面的框架固定；产品放置平台包括支柱和测试平面，测试平面水平设置在支柱顶端，测试平面用于放置产品；辅助工具放置台为可移动结构。本发明通过转动测试平面及与测试平面连接的支柱顶部在不同角度进行不同项目的测试，提高结构光成像标定的准确性、便捷性，集内外参深度标定于一体，并进行简化，大大提升了生产效率，具有简洁、便利、占地小、功能多等优点，适合结构光学产品生产线使用。

Description

一种相机3D成像标定装置及3D成像标定方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术的结构光领域，尤其涉及一种相机3D成像标定装置及3D成像标定方法。

背景技术

结构光是3D扫描的一个光学方法，它投射出一组用数学方法构造的光图形，按照一定顺序照亮被测量的物体。这种利用图像处理技术和可控光源设备进行测距的技术，基本思想是利用照明光源中的几何信息帮助提取景物中的几何信息，来复原整个三维空间。

结构光产品主要由激光投射器、摄像头组成，利用投射器投射特定散斑点到物体表面后及背景后，由摄像头采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。

伴随着3D成像领域的飞速发展，为了实现将摄像头拍摄到的图像信息获取到物体在真实三维世界里相对应的信息这一技术，建立物体从三维世界映射到相机成像平面这一过程中的几何模型就显得尤为重要。

一个到投影仪的距离已知的摄像头同步捕捉一组被照亮物体的图像，相对于用于校准的平面基准表面，通常摄像头看到的图形被经扫描物体的表面形状所扭曲。几何三角剖分的原理使得计算被扫描物体表面上每个点的XYZ坐标成为可能，然后，获得的点云数据用于被扫描物体表面详细3D模型的计算构造。

相机标定的目的之一就是为了建立物体从三维世界到成像平面上各坐标点的对应关系。因此如何设计标定的装置，确保结构光标定的准确性、便捷性以及精度就显得尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的第一方面提供一种相机3D成像标定装置，包括内外参标定区、深度标定区、产品放置平台、辅助工具放置台。

内外参标定区包括四块内外参标定板，内外参标定板由支撑机构固定；

深度标定区包括深度标定底板和板面材料，板面材料平整覆盖在深度标定底板表面，深度标定底板由垂直于地面的框架固定；

产品放置平台设置在辅助工具放置台上表面，产品放置平台包括支柱和测试平面，测试平面水平设置在支柱顶端，测试平面用于放置产品；

辅助工具放置台为可移动结构，用于放置成像标定所需的辅助工具。

进一步地，内外参标定板为黑白相间、大小相等的方格排列形成的棋盘格图案，选择棋盘格图案作为内外参标定板是因为相对于复杂的三维物体，平面棋盘模式更容易处理。

另一优选方案为，内外参标定板为黑白相间的倒三角格图案。

进一步地，内外参标定区中的支撑机构包括竖直支架和水平支架，竖直支架顶端连接水平支架，内外参标定板通过球形云台与水平支架连接。

进一步地，水平支架横截面呈形，水平支架左右两侧折边与中间直线段的 夹角均为135°，水平支架的弯角设计是为了避免测试平面转动后采集到第三块内外参标定 板或者两块内外参标定板图像采集不完整。

进一步地，为保证绝对平整，深度标定区中选取20mm钢化玻璃作为深度标定底板，玻璃材质表面为常见材质中平整程度顶级水准，符合平整程度要求；为保证板面不吸光不反光的要求，选取幕布作为板面材料；将钢化玻璃贴着框架与框架平行固定，以保证钢化玻璃本身与地面绝对垂直；框架为可升降结构。

进一步地，产品放置平台中的测试平面上设有X轴水平测试仪与Y轴水平测试仪，从而确保在标定过程中测试平面与地面绝对平行。

进一步地，产品放置平台中的测试平面设计为可转动平面，便于内外参标定选取不同方向进行测试；优选地，在测试平面底部设有三个卡槽和一移动杆，三个卡槽分别对应30°、0°、-30°三个方向，通过移动杆控制测试平面的转动，选定方向后将移动杆卡在卡槽内以固定测试平面，避免在标定过程中造成误差。

进一步地，与测试平面连接的支柱顶部为可转动结构，支柱顶部安装有刻度转盘，当支柱顶部转动时，通过刻度转盘精确控制测试平面的转动角度。

进一步地，辅助工具放置台上设有若干个红外灯固定支架，以便在进行深度标定时，对板面材料进行补光。

更进一步地，红外灯固定支架包括竖直灯架、360°可旋转转盘、固定底座；360°可旋转转盘安装在固定底座的上表面，竖直灯架底部与360°可旋转转盘连接。竖直灯架设计为任一位置可固定的可伸缩支架，以针对不同的产品设置不同的红外照明灯补光高度；通过转动360°可旋转转盘来改变红外照明灯的补光角度。

进一步地，辅助工具放置台四周底端设有可调节支腿，用于调整测试平面与地面的平行度。

本发明的第二方面提供一种相机3D成像标定方法，包括以下步骤：

一、调整产品放置平台的测试平面，保证测试平面上的X轴水平测试仪与Y轴水平测试仪的气泡均处于中心；

二、测量测试平面与深度标定底板之间的距离，将两者调整至预定距离；

三、将产品放在测试平面，连接电脑；转动支柱，使产品面对内外参标定区；调节移动杆分别至三个卡槽位置，选取三个角度拍摄内外参标定板，进行内外参标定，内参数据用来做3D恢复，外参数据用来做校正；

四、测试完成后，将移动杆固定在0°卡槽，再转动支柱顶部，使测试平面上的产品面对深度标定区，调整产品使其与深度标定底板平行，然后进行深度标定。

进一步地，步骤二中，根据产品规格，产品与深度标定底板的距离为0.6m，产品的工作距离为0.6m-1.2m。

进一步地，步骤三中，内参和外参标定需要采集四个点的数据进行分析，在内外参标定区三个不同的角度各捕捉一张图片，每张图片中包含两幅内外参标定板图案；采集完成后进行内外参标定计算，且必须保证采集的内外参标定板处于不同的位置；将三个角度拍摄到的三组总计六张的内外参标定板图片使用“张正友标定”法，调用Open CV中的函数，将图片在函数中进行计算，得到内外参标定的参数，进行矫正。

进一步地，步骤四中，通过软件计算深度数据，具体步骤为：

1）打开电脑连接产品，使用软件打开产品接收模组和投射器；

2）在软件中点击“深度标定”进行深度标定：

（1）获取“帧”，得到深度数据；

（2）保存数据，保存为点云格式，文件格式*.txt，单位mm；

3）将YUV 格式图像转换成 RGB 格式图像，用于图像显示；函数将每个像素点的YUV值转换为RGB值；

4）关闭摄像头。

本发明的有益效果为：

1. 通过转动测试平面和支柱顶部在不同角度进行不同项目的测试，提高结构光成像标定的准确性、便捷性，集内外参深度标定于一体，并进行简化，大大提升了生产效率，具有简洁、便利、占地小、功能多等优点，适合结构光学产品生产线使用。

2. 相机3D成像标定装置中设计四块内外参标定板，每次取两块标定板作为一对对象进行采集，事先将四块标定板摆放在设计好的位置，每次仅需要转动测试平面，不需要挪动棋盘格位置，即可完成三幅内外参取图。

3. 水平支架横截面设计为形，左右两侧折边与中间直线段设计为135°弯 角，避免测试平面转动后采集到第三块内外参标定板或者两块内外参标定板图像采集不完 整。

4. 多次改变内外参标定板的方位来捕捉图像，克服了二维物体相对于三维物体缺少一部分信息的缺陷，以便获得更丰富的坐标信息。

5. 测试平面的支柱设计有刻度转盘，保证测试平面转动角度的准确可控；且设有防呆措施，可将刻度转盘固定，以确保在深度标定过程中不会因为误触刻度转盘而改变产品标定角度。

6. 水平测试仪确保深度标定过程中产品与深度标定底板的绝对平行。

7. 深度标定选取幕布作为漫反射平面，确保所发射散斑点在投射到漫反射平面后不会存在反光或者被散斑点被漫反射平面吸收的情况出现；钢化玻璃作为深度标定平面底板保证标定平面绝对平整。

8. 辅助工具放置台四周的可调节支腿设计为可调整高度的升降方案，可以根据不同地面来调整测试平面与地面平行度，保证两者平行。

9. 深度标定区的框架设计为可升降方案，可以根据不同型号的产品采取不同的高度方案。

10. 辅助工具放置台设有可以调节高度和方向的红外灯固定支架，可以根据产品实际效果决定是否进行补光。

附图说明

图1为本发明实施例的一种相机3D成像标定装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的测试平面X轴、Y轴水平测试仪的结构示意图。

图3为本发明实施例的测试平面卡槽与移动杆的主视结构示意图。

图4为本发明实施例的测试平面卡槽与移动杆的侧视结构示意图。

图5为本发明实施例的内外参标定区水平支架与内外参标定板的结构示意图。

图6为本发明实施例的红外灯固定支架的主视结构示意图。

图7为本发明实施例的红外灯固定支架的俯视结构示意图。

结合附图，对附图标记做以下说明：

10—内外参标定区；11—内外参标定板；12—竖直支架；13—水平支架；131—水平支架折边；132—水平支架中间直线段；20—深度标定区；21—深度标定底板；22—板面材料；23—框架；30—产品放置平台；31—支柱；32—测试平面；33—刻度转盘；34—X轴水平测试仪；35—Y轴水平测试仪；36—卡槽；37—移动杆；40—辅助工具放置台；41—红外灯固定支架；411—竖直灯架；412—360°可旋转转盘；413—固定底座；42—电脑放置架；43—可调节支腿；44—万向轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶端”、“底部”、“下方”、“上表面”、“底端”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的技术方案和简化描述，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。

根据本发明的一个实施例，提供一种相机3D成像标定装置，如图1所示，该相机3D成像标定装置包括内外参标定区10、深度标定区20、产品放置平台30、辅助工具放置台40。

其中，内外参标定区10包括四块内外参标定板11，内外参标定板11由支撑机构固定。

本实施例中，内外参标定板11为黑白相间、大小相等的方格排列形成的棋盘格图案。在另一实施例中，也可以选取黑白相间的倒三角格图案作为内外参标定板。

支撑机构包括竖直支架12和水平支架13，竖直支架12顶端连接水平支架13，内外参标定板11通过球形云台（未示出）与水平支架13连接。

深度标定区20包括深度标定底板21和板面材料22，板面材料22平整覆盖在深度标定底板21的表面，深度标定底板21由垂直于地面的框架23固定；为保证绝对平整，本实施例中，深度标定区20选取20mm钢化玻璃作为深度标定底板21，玻璃材质表面为常见材质中平整程度顶级水准，符合平整程度要求；为保证板面不反光的要求，选取幕布作为板面材料22；将钢化玻璃贴着框架23与框架23平行固定，以保证钢化玻璃本身与地面绝对垂直；框架23为可升降结构，便于调整深度标定底板21的高度。

根据产品规格，深度标定时产品与深度标定底板21的距离为0.6m，产品的工作距离为0.6m-1.2m，使用漫反射板进行深度标定。要求深度标定底板21与结构光产品保证绝对平行，板面材料22不得反光不得吸光，且保证平整精度在1mm左右，标定距离误差范围在＜1mm。

产品放置平台30设置在辅助工具放置台40上表面，产品放置平台30包括支柱31和测试平面32，测试平面32水平设置在支柱31顶端，产品放置在测试平面32上。

支柱31顶部为可转动结构，支柱31顶部安装有刻度转盘33，当支柱31顶部转动时，通过刻度转盘33精确控制与支柱31顶部连接的测试平面32的转动角度。

测试平面上设有X轴水平测试仪34和Y轴水平测试仪35，如图2所示，从而确保在标定过程中测试平面32与地面绝对平行。

测试平面32设计为可转动平面，便于内外参标定选取不同方向进行测试。参见图3、图4，在测试平面32底部设有三个卡槽36和一移动杆37，三个卡槽36分别对应30°、0°、-30°三个方向，通过调节移动杆37控制测试平面32的转动，以便在进行内外参标定时拍摄30°、0°、-30°三个角度的内外参标定板图片；选定方向后将移动杆37卡在对应的卡槽36内以固定测试平面32，避免在标定过程中造成误差。

本实施例中，为避免测试平面32转动后采集到第三块内外参标定板11或者两块内 外参标定板11图像采集不完整，将水平支架13设计为横截面呈形，如图5所示。水平 支架13左右两侧折边131与中间直线段132形成一定角度，选取150°、135°、90°三个角度分 别进行试验测试后发现，水平支架左右两侧折边131与中间直线段132夹角均为135°时，内 外参标定板图像采集效果符合预期效果，所以将水平支架13左右两侧作135°弯角处理形成 折边131。水平支架中间直线段132下方通过球形云台（未示出）连接两块内外参标定板11， 左右两侧折边131下方通过球形云台（未示出）各连接一块内外参标定板11。

辅助工具放置台40为可移动结构，用于放置成像标定所需的辅助工具。考虑到红外相机拍摄图案较暗，散斑点拍摄效果不佳，可能需要用红外照明灯进行补光，来增强深度标定效果，本实施例中，在辅助工具放置台40面向深度标定区20的两侧设置三个红外灯固定支架41，以便在进行深度标定时，利用红外照明灯对深度标定区板面材料22进行补光。

参见图6、图7，红外灯固定支架41包括竖直灯架411、360°可旋转转盘412、固定底座413；360°可旋转转盘412安装在固定底座413的上表面，竖直灯架411底部与360°可旋转转盘412连接。考虑到产品的不同，补光的高度及角度存在差异，因此将竖直灯架411设计为任一位置可固定的可伸缩支架，以针对不同的产品设置不同的红外照明灯补光高度；通过转动360°可旋转转盘412来改变红外照明灯的补光角度。

相机3D成像标定需要使用电脑，在辅助工具放置台40一侧设有电脑放置架42，考虑到电脑散热问题，以及辅助工具放置台40的整体重量，电脑放置架42上开有若干个散热孔，以加强散热效果，并减轻辅助工具放置台40的重量。辅助工具放置台40四周底端各设有一可调节支腿43，便于在标定过程中调整测试平面32与地面的平行度，保证测试平面32与地面平行。可调节支腿43的底部安装有带有刹车功能的万向轮44，可以灵活、方便地移动辅助工具放置台40。

根据本发明的一个实施例，利用前述的相机3D成像标定装置进行3D成像标定的方法包括以下步骤：

一、调整产品放置平台30的测试平面32，保证测试平面32上的X轴水平测试仪34与Y轴水平测试仪35的气泡均处于中心。

二、测量测试平面32与深度标定底板21之间的距离，将两者距离调整至0.6m。

三、将产品放在测试平面32，连接电脑；转动支柱31，使产品面对内外参标定区10；调节移动杆37分别至三个卡槽36位置，选取三个角度拍摄内外参标定板11，进行内外参标定，内参数据用来做3D恢复，外参数据用来做校正；具体方法为：内参和外参标定需要采集四个点的数据进行分析，在内外参标定区三个不同的角度各捕捉一张图片，每张图片中包含两幅内外参标定板11图案；采集完成后进行内外参标定计算，且必须保证采集的内外参标定板11处于不同的位置；将三个角度拍摄到的三组总计六张的内外参标定板图片使用“张正友标定”法，调用Open CV中的函数，将图片在函数中进行计算，得到内外参标定的参数，进行矫正。

四、测试完成后，将移动杆37固定在0°卡槽，再转动支柱顶部，使测试平面上的产品面对深度标定区，调整产品使其与深度标定底板21平行，然后进行深度标定，具体步骤为：

1）打开电脑连接产品，使用软件打开产品摄像头；

2）在软件中点击“深度标定”进行深度标定，步骤如下：

（1）获取“帧”，得到深度数据；

（2）保存数据，保存为点云格式，文件格式*.txt，单位mm；

3）YUV 格式图像转换成 RGB 格式图像，用于图像显示；函数将每个像素点的YUV值转换为RGB值；

4）关闭摄像头。

本发明的技术方案为方便测试产品不做位置改变，将测试平面32设计为可旋转平面。为避免测试平面32在旋转到需要位置之后，由于意外触碰导致角度改变，从而影响深度标定精度，通过在测试平面32中设置卡槽36和移动杆37，以及在支柱31中安装刻度转盘33，将测试平面32设计为任意角度可固定。在进行深度标定时，将测试平面32进行固定，保证其在同一角度进行标定，不受外界影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相机3D成像标定装置，包括内外参标定区、深度标定区、产品放置平台、辅助工具放置台，其特征在于：

内外参标定区包括四块内外参标定板，内外参标定板由支撑机构固定；

深度标定区包括深度标定底板和板面材料，板面材料平整覆盖在深度标定底板表面，深度标定底板由垂直于地面的框架固定；

产品放置平台设置在辅助工具放置台上表面，产品放置平台包括支柱和测试平面，测试平面水平设置在支柱顶端，测试平面用于放置产品；

辅助工具放置台为可移动结构，用于放置成像标定所需的辅助工具。

2.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，内外参标定板为棋盘格图案或黑白相间的倒三角格图案。

3.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，支撑机构包括竖直支 架和水平支架，竖直支架顶端连接水平支架，内外参标定板通过球形云台与水平支架连接， 水平支架横截面呈形，水平支架左右两侧折边与中间直线段的夹角均为135°。

4.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，板面材料为不吸光不反光材料，框架为可升降结构。

5.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，与测试平面连接的支柱顶部为可转动结构，支柱顶部安装有刻度转盘。

6.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，测试平面设计为可转动平面，测试平面底部设有三个卡槽和一移动杆，测试平面上设有X轴水平测试仪与Y轴水平测试仪。

7.根据权利要求1所述的一种相机3D成像标定装置，其特征在于，辅助工具放置台上设有若干个红外灯固定支架，红外灯固定支架包括可伸缩的竖直灯架、360°可旋转转盘、固定底座，360°可旋转转盘安装在固定底座的上表面，竖直灯架底部与360°可旋转转盘连接，辅助工具放置台四周底端设有可调节支腿。

8.一种3D成像标定方法，包括以下步骤：

一、调整产品放置平台的测试平面，保证测试平面上的X轴水平测试仪与Y轴水平测试仪的气泡均处于中心；

二、测量测试平面与深度标定底板之间的距离，将两者调整至预定距离；

三、将产品放在测试平面，连接电脑；转动支柱，使产品面对内外参标定区；调节移动杆分别至三个卡槽位置，选取三个角度拍摄内外参标定板，进行内外参标定，内参数据用来做3D恢复，外参数据用来做校正；

四、测试完成后，将移动杆固定在0°卡槽，再转动支柱顶部，使测试平面上的产品面对深度标定区，调整产品使其与深度标定底板平行，然后进行深度标定。

9.根据权利要求8所述的一种3D成像标定方法，其特征在于，步骤三中，内参和外参标定需要采集四个点的数据进行分析，在内外参标定区三个不同的角度各捕捉一张图片，每张图片中包含两幅内外参标定板图案；采集完成后进行内外参标定计算，且必须保证采集的内外参标定板处于不同的位置；将三个角度拍摄到的三组总计六张的内外参标定板图片使用“张正友标定”法，调用Open CV中的函数，将图片在函数中进行计算，得到内外参标定的参数，进行矫正。

10.根据权利要求8所述的一种3D成像标定方法，其特征在于，步骤四中，通过软件计算深度数据，具体步骤为：

1）打开电脑连接产品，使用软件打开产品接收模组和投射器；

2） 在软件中点击“深度标定”进行深度标定：

（1）获取“帧”，得到深度数据；

（2）保存数据，保存为点云格式，文件格式*.txt，单位mm；

3）将YUV 格式图像转换成 RGB 格式图像，用于图像显示；函数将每个像素点的YUV值转换为RGB值；

4）关闭摄像头。