CN111598931B - 一种单目视觉系统成像参数标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单目视觉系统成像参数标定装置及方法，包括单目视觉系统、置于单目视觉系统前方的标定物以及图像采集与分析模块，单目视觉系统包括镜头和相机，镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离可调；标定物为表面具有纹理的一个或一组平面标定板；一个平面标定板可移动且移动距离可测；一组平面标定板相互平行且之间的距离可测；或标定物为表面具有纹理的三维标定块且该三维标定块的表面形貌信息已知；三维标定块是固定的或可移动的。该方法通过调整单目视觉系统对焦于不同远近的物体或区域记录系统状态信息和被聚焦点的位置信息，利用成像公式联立方程组求解成像参数。本发明易于实现单目视觉系统成像参数精确标定。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉领域，具体涉及一种单目视觉系统成像参数标定装置及方法。
背景技术
单目多聚焦立体视觉是一种通过采集场景多聚焦图像实现场景三维感知的视觉技术，实现场景三维感知的前提条件是精确获取单目视觉系统的成像参数，现有的相机标定方法多假定像距等于焦距，无法实现单目视觉系统成像参数精确标定，因此制约了单目多聚焦立体视觉技术的三维感知精度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种单目视觉系统成像参数标定装置及方法，实现单目视觉系统成像参数精确标定，为保障单目多聚焦立体视觉技术的三维感知精度提供技术条件。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种单目视觉系统成像参数标定装置，包括单目视觉系统、置于单目视觉系统前方的标定物以及与单目视觉系统相连的图像采集与分析模块以采集单目视觉系统拍摄所述标定物的图像并分析整幅图像或图像的部分区域是否准确对焦；
所述单目视觉系统包括镜头和相机，且镜头位于相机和标定物之间；所述镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离可调，所述单目视觉系统上设有第一位移传感器或第一测距传感器以使镜头、镜头内的镜片组以及相机的移动距离可测；
所述标定物为表面具有纹理的一个或一组平面标定板；若标定物为一个平面标定板，则平面标定板可移动且移动距离可测；若标定物为一组平面标定板，则各平面标定板平行且平面标定板之间的距离可测；
或所述标定物为表面具有纹理的三维标定块且该三维标定块的表面形貌信息已知；三维标定块是固定的或可移动的，移动的距离可测或不可测；
所述纹理包括经表面处理、粘贴或投影形成的纹理。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述平面标定板旁有第二位移传感器或第二测距传感器以测量平面标定板的移动距离。
本发明还提供一种采用所述的单目视觉系统成像参数标定装置的单目视觉系统成像参数标定方法，包括以下步骤：
步骤一：将标定物置于单目视觉系统的前方；
步骤二：调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统对焦于标定物或标定物的某一区域，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；
步骤三：改变被聚焦点的位置，调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统再次对焦，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；
步骤四：判断是否需要重复步骤三，若需要，跳到步骤三，若不需要，执行步骤五；
步骤五：根据记录的单目视觉系统状态信息和被聚焦点的位置信息，根据单目视觉系统的成像公式列方程组，计算成像参数；
具体的，所述单目视觉系统的状态信息由第一测距传感器或第一位移传感器获得，所述被聚焦点的位置信息是事先已知的或由第二测距传感器或第二位移传感器获得。
具体的，所述步骤四判断是否需要重复步骤三的方法是，判断标定过程中单目视觉系统对焦的次数是否小于确定数值，若小于该确定数值，则需要重复步骤三，否则，则不需要重复步骤三；
该确定数值为大于或等于待标定成像参数的个数。
具体的，所述单目视觉系统的成像公式为透镜成像公式，当方程组的个数多于待标定成像参数的个数时，方程组的求解方法为最小二乘法。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明提出一种单目视觉系统成像参数标定装置，该装置结构简单，只需要测量距离或位移，易于实现单目视觉系统成像参数标定；还提出一种单目视觉系统成像参数标定方法，通过调整单目视觉系统，使系统对焦于不同远近的物体或区域，通过单目视觉系统状态信息和被聚焦点的位置信息，利用成像公式联立方程组求解成像参数，易于实现单目视觉系统成像参数精确标定。
附图说明
图1本发明单目视觉系统成像参数标定装置的示意图1；
图2本发明单目视觉系统成像参数标定装置的示意图2；
图3本发明单目视觉系统成像参数标定装置的示意图3；
图4本发明单目视觉系统成像参数标定方法的流程图。
图中标号代表:1-单目视觉系统，2-标定物，3-图像采集与分析模块；
11-镜头，12-相机；
21-平面标定板，22-三维标定块。
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供一种单目视觉系统成像参数标定装置，包括单目视觉系统1、置于单目视觉系统1前方的标定物2以及与单目视觉系统1相连的图像采集与分析模块3以采集单目视觉系统1拍摄所述标定物2的图像并分析整幅图像或图像的部分区域是否准确对焦。
单目视觉系统1包括镜头11和相机12，且镜头11位于相机12和标定物2之间；镜头11与相机12之间的距离或镜头11内的镜片组与相机12之间的距离可调，单目视觉系统1上设有第一位移传感器或第一测距传感器以使镜头11、镜头11内的镜片组以及相机12的移动距离可测。
标定物2为表面具有纹理的一个或一组平面标定板21；若标定物2为一个平面标定板21，则平面标定板21可移动且移动距离可测；若标定物2为一组平面标定板21，则各平面标定板21平行且平面标定板21之间的距离可测。具体的，如图1，在本实施例中，标定物2为表面具有纹理的一个平面标定板21且平面标定板21可移动且移动距离可测。如图2所示，在其他实施例中，标定物2为表面具有纹理的一组平面标定板21且各平面标定板21平行且平面标定板21之间的距离可测。
在另一个实施例中，如图3所示，标定物2为表面具有纹理的三维标定块22且该三维标定块22的表面形貌信息已知；三维标定块22是固定的或可移动的，移动的距离可测或不可测。
上述平面标定板表面纹理或三维标定块表面纹理包括经表面处理、粘贴或投影形成的纹理。
在本实施例中，平面标定板21旁有第二位移传感器或第二测距传感器以测量平面标定板21的移动距离。
实施例2：
本实施例提供一种采用实施例1的单目视觉系统成像参数标定装置的单目视觉系统成像参数标定方法，包括以下步骤：
步骤一：将标定物置于单目视觉系统的前方；
步骤二：调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统对焦于标定物或标定物的某一区域，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；
步骤三：改变被聚焦点的位置，调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统再次对焦，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；单目视觉系统的状态信息由第一测距传感器或第一位移传感器获得，被聚焦点的位置信息是事先已知的或由第二测距传感器或第二位移传感器获得。
步骤四：判断是否需要重复步骤三，若需要，跳到步骤三，若不需要，执行步骤五；具体的，步骤四判断是否需要重复步骤三的方法是，判断标定过程中单目视觉系统对焦的次数是否小于确定数值，若小于该确定数值，则需要重复步骤三，否则，则不需要重复步骤三；该确定数值为大于或等于待标定成像参数的个数。
步骤五：根据记录的单目视觉系统状态信息和被聚焦点的位置信息，根据单目视觉系统的成像公式列方程组，计算成像参数；具体的，单目视觉系统的成像公式为透镜成像公式，当方程组的个数多于待标定成像参数的个数时，方程组的求解方法为最小二乘法。
本实施例以牛顿成像公式为例，举例说明单目视觉系统成像参数的标定方法，采用其他成像公式的标定方法可对照本实施例实施。
本实施例牛顿成像公式为xx′＝ff′，式中x为物方焦点到物点的距离，x′为像方焦点到像点的距离，f为物方焦距，f′为像方焦距。对于在空气中成像的单目视觉系统，物方焦距等于像方焦距，即f＝f′，因此牛顿成像公式变为xx′＝f2，待标定的参数为x、x′和f3个参数。在标定过程中通过移动镜头内的镜片组和平面标定板对焦三次，相邻两次对焦之间平面标定板移动的距离均为+100mm，测得镜片组的移动距离分别为-0.407mm和-0.291mm，由此可列出如下方程组：
由该方程组解得x＝501.724,x′＝2.449,f＝35.053，即单目视觉系统的焦距为35.053mm，单目视觉系统初始状态的物方焦点到物点的距离为501.724mm，像方焦点到像点的距离为2.449mm。
该单目视觉系统的镜头由放大率法测得的焦距为35.125mm，由此计算出本发明方法的测量误差为0.2％，具有良好的测量精度。
Claims (6)
1.一种单目视觉系统成像参数标定装置，其特征在于，包括单目视觉系统(1)、置于单目视觉系统(1)前方的标定物(2)以及与单目视觉系统(1)相连的图像采集与分析模块(3)以采集单目视觉系统(1)拍摄所述标定物(2)的图像并分析整幅图像或图像的部分区域是否准确对焦；
所述单目视觉系统(1)包括镜头(11)和相机(12)，且镜头(11)位于相机(12)和标定物(2)之间；所述镜头(11)与相机(12)之间的距离或镜头(11)内的镜片组与相机(12)之间的距离可调，所述单目视觉系统(1)上设有第一位移传感器或第一测距传感器以使镜头(11)、镜头(11)内的镜片组以及相机(12)的移动距离可测；
所述标定物(2)为表面具有纹理的一个或一组平面标定板(21)；若标定物(2)为一个平面标定板(21)，则平面标定板(21)可移动且移动距离可测；若标定物(2)为一组平面标定板(21)，则各平面标定板(21)平行且平面标定板(21)之间的距离可测；
或所述标定物(2)为表面具有纹理的三维标定块(22)且该三维标定块(22)的表面形貌信息已知；所述三维标定块(22)是固定的或可移动的，移动的距离可测或不可测；
所述纹理包括经表面处理、粘贴或投影形成的纹理。
2.如权利要求1所述的单目视觉系统成像参数标定装置，其特征在于，所述平面标定板(21)旁设有第二位移传感器或第二测距传感器以测量平面标定板(21)的移动距离。
3.采用权利要求1或2所述的单目视觉系统成像参数标定装置的单目视觉系统成像参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将标定物置于单目视觉系统的前方；
步骤二：调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统对焦于标定物或标定物的某一区域，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；
步骤三：改变被聚焦点的位置，调整单目视觉系统内镜头与相机之间的距离或镜头内的镜片组与相机之间的距离，使单目视觉系统再次对焦，记录单目视觉系统的状态信息和被聚焦点的位置信息；
步骤四：判断是否需要重复步骤三，若需要，跳到步骤三，若不需要，执行步骤五；
步骤五：根据记录的单目视觉系统状态信息和被聚焦点的位置信息，根据单目视觉系统的成像公式列方程组，计算成像参数。
4.如权利要求3所述的单目视觉系统成像参数标定方法，其特征在于，所述单目视觉系统的状态信息由第一测距传感器或第一位移传感器获得，所述被聚焦点的位置信息是事先已知的或由第二测距传感器或第二位移传感器获得。
5.如权利要求3所述的单目视觉系统成像参数标定方法，其特征在于，所述步骤四判断是否需要重复步骤三的方法是，判断标定过程中单目视觉系统对焦的次数是否小于确定数值，若小于该确定数值，则需要重复步骤三，否则，则不需要重复步骤三；
该确定数值为大于或等于待标定成像参数的个数。
6.如权利要求3所述的单目视觉系统成像参数标定方法，其特征在于，所述单目视觉系统的成像公式为透镜成像公式，当方程组的个数多于待标定成像参数的个数时，方程组的求解方法为最小二乘法。
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