CN111127562A - 一种单目面阵相机的标定方法及自动标定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单目面阵相机的标定方法及自动标定系统，包括：固定待标定的单目面阵相机，在单目面阵相机的可视范围内设置一个标定件，将单目面阵相机的可视范围内距离单目面阵相机最近的点作为标定件的初始位置；从初始位置开始带动移动直至标定件离开单目面阵相机的可视范围；在单目面阵相机的移动过程中采用单目面阵相机拍摄图像；根据标定件的三维空间坐标及其对应的图像上亮斑中心坐标，通过公式(1)计算出待标定相机的系数，本发明采用隐参数标定方法，通过拟合直接得到像面上坐标x，y与物方空间坐标X，Y，Z之间的关系式，可直接得出被测目标点与仪器间的距离。

Description

一种单目面阵相机的标定方法及自动标定系统
技术领域
本发明属于相机标定技术领域，具体涉及一种单目面阵相机的标定方法及自动标定系统。
背景技术
在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定(或摄像机标定)。无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节。
相机标定结果的准确性和精度直接决定了视觉系统能否正常工作。激光光源照射到物体上某一点，该目标点的图像通过透镜汇聚到传感器上形成像点。当激光照射的物体移动时，像点也在传感器上移动，在基线长度已知、光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下，通过测量传感器上的像点位置就能准确确定被测物体与仪器之间的距离。CCD具有几何尺寸稳定的优点，它与光源、透镜的几何关系决定了被测目标点与仪器间的最小距离和最大距离。但当目标点等间隔移动时其成像点在CCD上并不是等间隔地变化，故要通过标定拟合得到CCD上像点的位置和目标点与仪器的距离之间的关系。
目前常用的相机标定方法是借助棋盘格，检测棋盘格中的内角点，进行计算后获取相机的内参和外参，按照这种标定方法的设定，不能直接得出被测目标点与仪器间的距离，不适用于线结构光的标定，而且人工干预影响因素较大，标定效率低。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明给出了一种单目面阵相机的标定方法及自动标定系统，解决现有的标定方法和系统不能直接得到被测目标点与仪器间的距离、标定效率低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种单目面阵相机的标定方法，包括以下步骤：
步骤1，固定待标定的单目面阵相机，在单目面阵相机的可视范围内设置一个标定件，将单目面阵相机的可视范围内距离单目面阵相机最近的点作为标定件的初始位置；
步骤2，从初始位置开始带动标定件以“S”型路径远离单目面阵相机，直至标定件离开单目面阵相机的可视范围；在标定件移动过程中，每隔一定时间间隔或者标定件移动一定距离，采用单目面阵相机拍摄一次图像，标定件在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；
步骤3，根据标定件的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,...,11；完成相机标定；
Figure BDA0002312919360000031
进一步的，每间隔25～30s拍摄一次照片或者标定件每移动3～5cm拍摄一次照片。
进一步的，对每次拍摄的图像进行去噪预处理，利用灰度重心法提取图像亮斑中心坐标。
本发明还公开了一种单目面阵相机的自动标定系统，包括用于安装单目面阵相机和激光光源的相机光源安装平台、标定件、用于安装标定件的水平二维移动平台、用于带动标定件移动的动力系统以及工控机；
所述的标定件能够在水平二维移动平台上横向和纵向移动；所述的标定件与动力系统连接；
所述的工控机，用于控制动力系统带动标定件在水平二维移动平台上横向和纵向的移动；所述的工控机内设置有控制单元，所述的控制单元包括：
标定件位置控制模块，用于将标定件移动在单目面阵相机的可视范围内，并将单目面阵相机的可视范围内距离单目面阵相机最近的点作为标定件的初始位置；
标定件移动路径控制模块，用于从初始位置开始带动标定件以“S”型路径远离单目面阵相机，直至标定件离开单目面阵相机的可视范围；
图像采集模块，用于在标定件的移动过程中，每隔一定时间间隔或者标定件移动一定距离采用单目面阵相机拍摄一次图像，标定件在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；
相机标定模块，用于根据标定件的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,...,11；完成相机标定；
Figure BDA0002312919360000041
具体的，所述的相机光源安装平台为竖直设置的支架，单目面阵相机安装在支架的上方，激光光源设置在支架的下方。
具体的，所述的水平二维移动平台包括底座、丝杠和滑台，所述的丝杠安装在底座上，所述的滑台与丝杠连接，所述的动力系统连接在丝杠末端，通过动力系统带动丝杠转动，丝杠带动滑台沿丝杠杆体方向移动；所述的滑台上设置有导槽，导槽的方向与丝杠杆体方向垂直，标定件设置在导槽中，滑台下方设置有动力系统，动力系统带动标定件件沿导槽方向移动。
具体的，所述的导槽中连接有一支撑杆，支撑杆底部与动力系统连接，支撑杆顶部设置有所述的标定件；所述的标定件为不反光的圆柱形金属件。
具体的，所述的图像采集模块中，每间隔25～30s拍摄一次照片或者标定件每移动3～5cm拍摄一次照片。
进一步的，还包括图像预处理模块，用于对每次拍摄的图像进行去噪预处理，利用灰度重心法提取图像亮斑中心坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用隐参数标定方法，通过拟合直接得到像面上坐标x，y与物方空间坐标X，Y，Z之间的关系式，可直接得出被测目标点与仪器间的距离。
(2)本发明提供的自动标定装置，利用工控主机控制标定平台移动，通过控制器记录标志件移动位置以及相机的拍摄存储，可实现自动标定，人工干预影响因素小，标定效率高。
附图说明
图1为本发明实施例记载的标定方法流程图。
图2为本发明实施例记载的自动标定系统整体图。
图3为本发明实施例记载的自动标定系统结构图。
图4为本发明实施例记载的自动标定方法的三维平面参考图。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
附图中各标号的含义：
1-相机光源安装平台，2-标定件，3-水平二维移动平台，4-动力系统，5-工控机，6-单目面阵相机，7-激光光源，8-控制器，9-连接支架；
301-底座，302-丝杠，303-滑台，304-导槽，305-支撑杆。
具体实施方式
本发明的标定方法以相机光源安装平台所在空间构建世界坐标系，确定自动标定系统的横向以及纵向基准面，并确定标定件移动到不同位置的三维空间坐标值；对拍摄的图像进行亮斑检测，根据亮斑灰度中心的图像坐标值确定出对应的三维空间坐标值并保存在工控机里；根据包含亮斑中心图像坐标值和其三维空间坐标值的点对，通过标定公式(1)拟合出所需相机系数lj，j＝1,2,...,11，完成相机标定。
本发明的标定系统中，工控机通过串口指令来控制水平二维移动平台运动，从而控制标定样件在相机视场空间的位置，待标定样件移动好后，工控主机控制相机进行相应位置的采集，待采集保存完毕，标定样件移至下一位置，由此完成自动标定。此方法由主工控机自动控制，能进一步提高标定速度，并且操作简单。
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例公开了一种单目面阵相机的标定方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，固定待标定的单目面阵相机，在单目面阵相机的可视范围内设置一个标定件，标定件在单目面阵相机拍摄的图像上形成清晰亮斑，将单目面阵相机的可视范围内距离单目面阵相机最近的点作为标定件的初始位置；
步骤2，从初始位置开始带动标定件以“S”型路径远离单目面阵相机，直至标定件离开单目面阵相机的可视范围；在单目面阵相机的移动过程中，每隔一定时间间隔(本实施例的时间间隔是25～30s)，或者标定件移动一定距离(本实施例的移动距离为3～5cm)，采用单目面阵相机拍摄一次图像，标定件在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；本实施例以相机安装平面为垂直距离的参考面，以标定件所在面为水平距离的参考面，两个参考面与地面共同构建一个三维空间参考系，如图4所示。在建立的坐标系下求得标定件每次移动后的三维坐标。
对每次单目面阵相机拍摄的图像进行预处理，其中图像预处理过程包括：去噪预处理；利用灰度重心法对所述图像进行亮斑中心检测，提取特征点坐标，得到亮斑中心坐标，为了保证精度可对同一位置的亮斑中心坐标取均值，从而得到标定样件在不同位置处的亮斑中心图像坐标的平均值。
步骤3，根据标定件的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,...,11；完成相机标定；
Figure BDA0002312919360000071
实施例2
本实施例公开了一种单目面阵相机的标定系统，如图2所示，该系统包括用于安装单目面阵相机6和激光光源7的相机光源安装平台1、标定件2、用于安装标定件2的水平二维移动平台3、用于带动标定件2移动的动力系统4以及工控机5。
其中，激光光源8为激光器，激光器的安装位置要保证激光光源照射到标定件2上。相机安装角度可以调节，用于拍摄标定图像。相机光源安装平台1为竖直设置的支架，单目面阵相机6安装在支架的上方，激光光源7设置在支架的下方。
标定件2能够在水平二维移动平台3上横向和纵向移动，标定件2与动力系统4连接。在本实施例中，如图3所示，水平二维移动平台3包括底座301、丝杠302和滑台303，丝杠302安装在底座301上，滑台303与丝杠302连接，动力系统4连接在丝杠302末端，该动力系统4为电机，通过动力系统4带动丝杠302转动，丝杠302带动滑台303沿丝杠302杆体方向移动，杆体302一端靠近相机一端远离相机。滑台303上设置有导槽304，导槽304的方向与丝杠302杆体方向垂直，标定件2设置在导槽304中，滑台303下方也设置有动力系统4，该动力系统具体为步进电机，动力系统4带动标定件2件沿导槽304方向移动。具体是，在导槽304中设置一支撑杆305，支撑杆305底部与动力系统4连接，支撑杆305顶部设置标定件2。
底座301为方形框架结构，丝杠302的两端分别固定在距离单目面阵相机6最近和最远的方形框架边缘上，方形框架通过连接支架9与相机光源安装平台连接。
在本实施例中，标定件2为不反光的圆柱形金属件。
工控机5用于控制动力系统4带动标定件2在水平二维移动平台3上横向和纵向的移动。工控机5输入端与单目面阵相机6连接，工控机5输入端与控制器8连接，控制器8输出端与动力系统4连接。工控机5内设置有控制单元，该控制单元包括：
标定件位置控制模块，用于将标定件2移动在单目面阵相机的可视范围内，并将单目面阵相机6的可视范围内距离单目面阵相机6最近的点作为标定件2的初始位置；
标定件移动路径控制模块，用于从初始位置开始带动标定件2以“S”型路径远离单目面阵相机6，如根据图3所示的二维移动平台，标定件2初始位置在水平二维移动平台3的纵向最近处。工控机5通过控制器8判断标定件2是否移动到水平位置末端，如果没有就继续移动到下个水平位置，移动距离可由控制器8设定，然后工控机5控制相机采集当前位置图片并保存；如果移动到水平位置末端，就控制标定件2垂直移动到下一个初始位置，直至标定件2离开单目面阵相机6的可视范围，本实施例中标定件2移动到水平二维移动平台3的纵向最远处即可。
图像采集模块，用于在单目面阵相机6的移动过程中，每隔一定时间间隔(本实施例的时间间隔是25～30s)或者标定件2移动一定距离(本实施例中水平每移动3～5cm拍摄一次照片，纵向移动一次为10cm，垂直移动10次)，采用单目面阵相机6拍摄一次图像，标定件2在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件2的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；
在图像采集模块中，还包括图像预处理模块，用于对图像去噪处理，然后利用灰度重心法对所述图像进行亮斑中心检测，提取特征点坐标，得到亮斑中心坐标，为了保证精度可对同一位置的亮斑中心坐标取均值，从而得到标定样件在不同位置处的亮斑中心图像坐标的平均值。
相机标定模块，用于根据标定件2的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,...,11；完成相机标定。

Claims (9)

1.一种单目面阵相机的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，固定待标定的单目面阵相机，在单目面阵相机的可视范围内设置一个标定件，将单目面阵相机的可视范围内距离单目面阵相机最近的点作为标定件的初始位置；
步骤2，从初始位置开始带动标定件以“S”型路径远离单目面阵相机，直至标定件离开单目面阵相机的可视范围；在标定件移动过程中，每隔一定时间间隔或者标定件移动一定距离，采用单目面阵相机拍摄一次图像，标定件在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；
步骤3，根据标定件的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,…,11；完成相机标定；
Figure FDA0002312919350000011
2.如权利要求1所述的单目面阵相机的标定方法，其特征在于，每间隔25～30s拍摄一次照片或者标定件每移动3～5cm拍摄一次照片。
3.如权利要求1所述的单目面阵相机的标定方法，其特征在于，对每次拍摄的图像进行去噪预处理，利用灰度重心法提取图像亮斑中心坐标。
4.一种单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，包括用于安装单目面阵相机(7)和激光光源(8)的相机光源安装平台(1)、标定件(2)、用于安装标定件(2)的水平二维移动平台(3)、用于带动标定件(2)移动的动力系统(4)以及工控机(5)；
所述的标定件(2)能够在水平二维移动平台(3)上横向和纵向移动；所述的标定件(2)与动力系统(4)连接；
所述的工控机(5)，用于控制动力系统(4)带动标定件(2)在水平二维移动平台(3)上横向和纵向的移动；所述的工控机(5)内设置有控制单元，所述的控制单元包括：
标定件位置控制模块，用于将标定件(2)移动在单目面阵相机的可视范围内，并将单目面阵相机(6)的可视范围内距离单目面阵相机(6)最近的点作为标定件(2)的初始位置；
标定件移动路径控制模块，用于从初始位置开始带动标定件(2)以“S”型路径远离单目面阵相机(6)，直至标定件(2)离开单目面阵相机(6)的可视范围；
图像采集模块，用于在标定件(2)的移动过程中，每隔一定时间间隔或者标定件(2)移动一定距离采用单目面阵相机(6)拍摄一次图像，标定件(2)在图像上形成一个亮斑；在拍摄照片的同时获取此时标定件(2)的三维坐标(Xi,Yi,Zi)，i＝1,2,...,N，N表示单目面阵相机拍摄次数；
相机标定模块，用于根据标定件(2)的三维空间坐标(Xi,Yi,Zi)及其对应的图像上亮斑中心坐标(xi,yi)，通过公式(1)计算出待标定相机的系数lj，j＝1,2,...,11；完成相机标定；
Figure FDA0002312919350000021
5.如权利要求4所述的单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，所述的相机光源安装平台(1)为竖直设置的支架，单目面阵相机(6)安装在支架的上方，激光光源(7)设置在支架的下方。
6.如权利要求4所述的单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，所述的水平二维移动平台(3)包括底座(301)、丝杠(302)和滑台(303)，所述的丝杠(302)安装在底座(301)上，所述的滑台(303)与丝杠(302)连接，所述的动力系统(4)连接在丝杠(302)末端，通过动力系统(4)带动丝杠(302)转动，丝杠(302)带动滑台(303)沿丝杠(302)杆体方向移动；所述的滑台(303)上设置有导槽(304)，导槽(304)的方向与丝杠(302)杆体方向垂直，标定件(2)设置在导槽(304)中，滑台(303)下方设置有动力系统(4)，动力系统(4)带动标定件(2)件沿导槽(304)方向移动。
7.如权利要求6所述的单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，所述的导槽(304)中连接有一支撑杆(305)，支撑杆(305)底部与动力系统(4)连接，支撑杆(305)顶部设置有所述的标定件(2)；所述的标定件(2)为不反光的圆柱形金属件。
8.如权利要求4所述的单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，所述的图像采集模块中，每间隔25～30s拍摄一次照片或者标定件每移动3～5cm拍摄一次照片。
9.如权利要求4所述的单目面阵相机的自动标定系统，其特征在于，还包括图像预处理模块，用于对每次拍摄的图像进行去噪预处理，利用灰度重心法提取图像亮斑中心坐标。
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