CN111652939A - 一种二三维相机联合标定网格板及标定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二三维相机联合标定网格板，所述网格板的表面为漫反射表面，其上设置方孔阵列；还包括一种二三维相机联合标定装置，包括具有漫反射表面的网格板、背景板和多根卡条；所述网格板和背景板平行设置，并与卡条可拆卸连接，网格板设置于背景板前方；所述网格板上设置方孔阵列。采用本发明的一种二三维相机联合标定网格板及标定装置，既可以标定二维相机的内外参数，也可以标定三维相机的参数，还能标定二、三维相机一体化产品中二维相机相对三维相机的位置和姿态。

Description

一种二三维相机联合标定网格板及标定装置
技术领域
本发明涉及一种二三维相机联合标定网格板及标定装置，属于相机标定辅助装置技术领域。
背景技术
随着三维成像技术的兴起，现在越来越多的成像系统在逐渐实现由二维平面成像向三维立体成像过程的转变，包括双目视觉成像、结构光扫描成像和TOF(飞行时间测量)成像等，都能在传统成二维图像的基础上，生成三维点云图像。在用这些相机实现物体三维重构的过程中，一个必需的环节是标定相机的各项参数，包括内参(相机的主点、纵横向像素分辨率、径向和切向畸变系数等)和外参(相机在世界坐标系中的位置和姿态)。目前二维相机标定装置很成熟，最常见的是二维棋盘格阵标定板和二维圆点阵标定板，它们是在一块平面板上张贴或印刷规则排列的黑白棋盘格或圆点。这种标定板是几乎所有计算机视觉技术研究实验室必备的工具，但是它只能实现二维相机的标定，因为所有的格点都是在一个平面上、靠颜色区分。而三维深度相机却不感受物体的颜色信息、只感受距离和空间位置信息，所以无法识别这些点阵图案。要对三维相机进行标定，必须采用立体装置、能够在物体的不同部位产生不同的深度信息。目前已有一些这类立体标定装置的报导或专利介绍，但结构多太过复杂、使用也不方便，对一般实验室研究和一般项目应用，反而不大适用，难以大面积推广。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种二三维相机联合标定网格板及标定装置，本发明既可以标定二维相机的内外参数，也可以标定三维相机的参数，还能标定二、三维相机一体化产品中二维相机相对三维相机的位置和姿态。
本发明采用的技术方案如下：
一种二三维相机联合标定网格板，所述网格板的表面为漫反射表面，其上设置方孔阵列。
在本发明中，漫反射表面是指网格板表面不是光滑镜面，而是具有一定的粗糙度，使得在网格板表面形成漫反射避免高光反射；方孔阵列起到标定作用。
作为优选，所述网格板表面为磨砂表面或者亚光表面。
作为优选，所述方孔阵列由多个纵横排列、等间距的方孔组成。
作为优选，所述方孔阵列为正方孔阵列或长方孔阵列。
在上述方案中，方孔进行纵横排列，并规整对齐，方孔之间等间距排布，方便起到标定作用。
作为优选，所述网格板上设置标识孔。
作为优选，所述方孔阵列的左上角和右下角均设置标识孔。
作为优选，所述方孔阵列的右上角和左下角均设置标识孔。
作为优选，所述标识孔为方形孔。
在上述方案中，通过设置标识孔用于帮助在二、三维相机的图像中辨识网格板的上下和左右方向，而不会因为方孔阵列完全上下左右对称排列而把图像认反。
作为优选，所述标识孔与方孔阵列上相邻方孔之间的间距，与方孔阵列上相邻方孔之间的间距相同。
作为优选，所述方孔阵列中的方孔四棱设置一面向另一面延伸的倒角。
作为优选，所述标识孔的四棱设置一面向另一面延伸的倒角，标识孔上的倒角与方孔上的倒角相同。
作为优选，所述倒角的角度≥45°。
在上述方案中，方孔的四棱设置一面向另一面延伸的倒角，即网格板反面看到的孔尺寸大于网格板正面表看到的孔尺寸(网格板反面具有倒角，网格板正面没有倒角)，使得当一般(视场角小于90°的)二、三维相机对网格板正面进行扫描成像时，不会扫到网格板正面之后的部份(包括孔壁和孔后棱)，从而提升标定精度，并且对提升标定精度具有非常重要的作用。
需要说明的是，在专利文本中所涉及到的特征：网格板反面是指倒角所处的一面；网格板正面是网格板反面相对另一面，即看不到倒角的一面。
本发明还包括一种二三维相机联合标定装置，包括具有漫反射表面的网格板、背景板和多根卡条；所述网格板和背景板平行设置，并与卡条可拆卸连接，网格板设置于背景板前方；所述网格板上设置方孔阵列。
在本发明中，网格板设置于背景板前方是指网格板更靠近相机。使用时，相机正面朝向网格板，并透过网格板上的方孔，看到后面背景板的一部分。
作为优选，所述卡条为四根，分别固定网格板和背景板的四角部位。
作为优选，所述网格板、背景板与卡条具有多个连接点。
在上述方案中，设置多个连接点，可以方便调整网格板和背景板之间的相对距离。
作为优选，所述卡条上设置多个第一卡槽，第一卡槽的槽宽与网格板、背景板的厚度相同。
作为优选，所述多个第一卡槽的深度相同，且等间距设置。
在上述方案中，设置多个第一卡槽，从而能够将网格板和背景板嵌在第一卡槽内形成整体，并且背景板可以嵌在卡条的不同槽位上，与网格板之间形成不同距离。
作为优选，所述卡条上设置第二卡槽；第二卡槽的槽宽，与网格板、背景板的厚度之和相同。
在上述方案中，设置第二卡槽使得网格板和背景板紧贴后，同时嵌在第二卡槽内。
作为优选，所述卡条的宽度为网格板或背景板厚度的4-5倍，使得卡条牢固卡住网格板和背景板。
作为优选，所述网格板和背景板的标定面具有色差。
在上述方案中，网格板和背景板的标定面是指面对相机的一面；具有色差使得在标定二维相机时，二维相机中看到的前景和背景形成颜色对比。
作为优选，所述网格板的标定面颜色为浅色或深色，背景板的标定面颜色为深色或浅色。
作为优选，所述网格板、背景板和卡条的表面为磨砂表面或者亚光表面，形成漫反射避免高光反射。
作为优选，所述方孔阵列由多个纵横排列、等间距的方孔组成。
作为优选，所述方孔阵列为正方孔阵列或长方孔阵列。
在上述方案中，方孔进行纵横排列，并规整对齐，方孔之间等间距排布，方便起到标定作用。
作为优选，所述网格板上设置标识孔。
作为优选，所述方孔阵列的左上角和右下角均设置标识孔。
作为优选，所述方孔阵列的右上角和左下角均设置标识孔。
作为优选，所述标识孔为方形孔。
在上述方案中，通过设置标识孔用于帮助在二、三维相机的图像中辨识网格板的上下和左右方向，而不会因为方孔阵列完全上下左右对称排列而把图像认反。
作为优选，所述标识孔与方孔阵列上相邻方孔之间的间距，与方孔阵列上相邻方孔之间的间距相同。
作为优选，所述方孔阵列中的方孔四棱设置一面向另一面延伸的倒角。
作为优选，所述标识孔的四棱设置一面向另一面延伸的倒角，标识孔上的倒角与方孔上的倒角相同。
作为优选，所述倒角的角度≥45°。
在上述方案中，方孔的四棱设置一面向另一面延伸的倒角，即网格板反面看到的孔尺寸大于网格板正面表看到的孔尺寸(网格板反面具有倒角，网格板正面没有倒角)，使得当一般(视场角小于90°的)二、三维相机对网格板正面进行扫描成像时，不会扫到网格板正面之后的部份(包括孔壁和孔后棱)，从而提升标定精度，并且对提升标定精度具有非常重要的作用。
作为优选，还包括支撑板，设置于标定装置尾部。
作为优选，所述支撑板与卡条可拆卸连接，支撑板与背景板的颜色尺寸相同。
在上述方案中，支撑板设置在标定装置尾部起结构支撑作用；同时支撑板与背景板的颜色尺寸相同，在需要时背景板和支撑板可以换用。
作为优选，所述网格板、背景板和支撑板的材质为铝合金，卡条的材质为钢型材。
在本发明中，网格板借助方孔阵列造型，其网格板正面和网格板反面都能够提供类似传统黑白棋盘格的功能，以实现传统二维相机的标定；同时，在背景板的配合下，方孔与非方孔部位，将成像为位置不同的点云，从而为三维相机提供深度差信息，以助实现三维深度相机的标定。
本发明设置与网格板平行的背景板，通过第一卡槽的固定等间距使得可以清楚知道网格板和背景板之间的距离，一方面可以为二维相机的标定提供色差背景，以使二维图像上产生清晰可辨的色差方格；另一方面为三维成像提供标准的深度差，为三维相机的深度畸变系数的标定提供必需的输入。
本发明的二三维相机联合标定网格板，既可以单独使用作为一个标定装置，实现对二、三维相机的标定；也能够与背景板、卡条组合成标定装置，组合后的标定装置使用时，标定过程操作更简便，标定精度更高。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、与传统标定板只能标定二维相机参数不同，本发明能提供深度信息，可以标定三维相机的轴向畸变系数(即深度畸变系数)，以及二三维相机一体化产品中二维相机相对三维相机的位置和姿态；
2、本发明结构简单、加工容易、成本低廉，且拆装方便、收纳容易；
3、本发明标定过程操作简便，标定精度高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是网格板的正面示意图；
图2是网格板的反面示意图；
图3是方孔的结构示意图；
图4是标定装置的结构示意图；
图5是标定装置的另一种结构示意图；
图6是标定装置网格板、背景板紧贴时的结构示意图；
图7是卡条结构示意图；
图8是标定装置用于相机标定时的布局关系与成像原理图；
图9是标定装置用于二维相机标定时的一种成像图；
图10是标定装置用于二维相机标定时的另一种成像图；
图11是标定装置用于三维深度相机标定时成像得到的点云示意图；
图12是二维相机标定用的传统棋盘格阵标定板；
图13是二维相机标定用的传统圆点阵标定板。
图中标记：1-网格板、2-背景板、3-卡条、4-支撑板、5-相机、11-方孔阵列、12-方孔、13-倒角、14-标识孔、31-第一卡槽、32-第二卡槽、61-网格板点云、62-背景板点云、63-网格板背景板间距、64-网格板上的交叉点、65-深度相机视轴方向。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，一种二三维相机联合标定网格板，网格板1的表面为漫反射表面，其上设置方孔阵列11。
作为优选，网格板1表面为磨砂表面。
作为另一种选择，在另一实施例中，网格板1表面为亚光表面。
作为优选，方孔阵列11由多个纵横排列、等间距的方孔12组成。
作为优选，方孔阵列11为正方孔阵列。
作为另一种选择，在另一实施例中，方孔阵列11为长方孔阵列。
在上述实施例中，方孔12进行纵横排列，并规整对齐，方孔12之间等间距排布，方便起到标定作用。
作为优选，方孔阵列11的左上角和右下角均设置标识孔14。
作为另一种选择，在另一实施例中，方孔阵列11的右上角和左下角均设置标识孔14。
作为优选，标识孔14为方形孔。
在上述实施例中，通过设置标识孔14用于帮助在二、三维相机的图像中辨识网格板1的上下和左右方向，而不会因为方孔阵列11完全上下左右对称排列而把图像认反。
作为优选，标识孔14与方孔阵列11上相邻方孔12之间的间距，与方孔阵列11上相邻方孔12之间的间距相同。
作为优选，如图2-3所示，方孔阵列11中的方孔12四棱设置一面向另一面延伸的倒角13。
作为优选，标识孔14的四棱设置一面向另一面延伸的倒角13，标识孔14上的倒角13与方孔12上的倒角13相同。
作为优选，倒角13的角度≥45°。
在上述实施例中，设置倒角13让网格板1反面看到的孔尺寸大于网格板1正面表看到的孔尺寸(网格板1反面具有倒角13，网格板1正面没有倒角13)，使得当一般(视场角小于90°的)二、三维相机对网格板1正面进行扫描成像时，不会扫到网格板1正面之后的部份(包括孔壁和孔后棱)，从而提升标定精度，并且对提升标定精度具有非常重要的作用。
一种二三维相机联合标定装置，如图4所示，包括具有漫反射表面的网格板1、背景板2和多根卡条3；网格板1和背景板2平行设置，并与卡条3可拆卸连接，网格板1设置于背景板2前方；网格板1上设置方孔阵列11。
作为优选，卡条3为四根，分别固定网格板1和背景板2的四角部位。
作为优选，网格板1、背景板2与卡条3具有多个连接点。
作为优选，如图7所示，卡条3上设置多个第一卡槽31，第一卡槽31的槽宽与网格板1、背景板2的厚度相同，能够将网格板1和背景板2嵌在第一卡槽31内形成整体，并且背景板2可以嵌在卡条3的不同槽位上，与网格板1之间形成不同距离。
作为优选，多个第一卡槽31的深度相同，且等间距设置。
在上述实施例中，可以方便调整网格板1和背景板2之间的相对距离。
作为优选，卡条3上设置第二卡槽32；第二卡槽32的槽宽，与网格板1、背景板2的厚度之和相同，使得网格板1和背景板2紧贴后，能够同时嵌在第二卡槽32内，形成如图6所示的装置。
作为优选，卡条3的宽度为网格板1或背景板2厚度的4-5倍，使得卡条3牢固卡住网格板1和背景板2。
作为优选，网格板1和背景板2的标定面具有色差，使得在标定二维相机时，二维相机中看到的前景和背景形成颜色对比；网格板1和背景板2的标定面是指面对相机的一面。
作为优选，网格板1的标定面颜色为浅色，背景板2的标定面颜色为深色，形成色差。
作为另一种选择，在另一实施例中，网格板1的标定面颜色为深色，背景板2的标定面颜色为浅色，形成色差。
作为优选，网格板1、背景板2和卡条3的表面为磨砂表面，形成漫反射避免高光反射。
作为另一种选择，在另一实施例中，网格板1、背景板2和卡条3的表面为亚光表面，形成漫反射避免高光反射。
作为优选，方孔阵列11由多个纵横排列、等间距的方孔12组成。
作为优选，方孔阵列11为正方孔阵列11或长方孔阵列11。
作为优选，网格板1上设置标识孔14。
作为优选，方孔阵列11的左上角和右下角均设置标识孔14。
作为另一种选择，在另一实施例中，方孔阵列11的右上角和左下角均设置标识孔14。
作为优选，标识孔14为方形孔。
作为优选，标识孔14与方孔阵列11上相邻方孔12之间的间距，与方孔阵列11上相邻方孔12之间的间距相同。
作为优选，方孔阵列11中的方孔12四棱设置一面向另一面延伸的倒角13。
作为优选，标识孔14的四棱设置一面向另一面延伸的倒角13，标识孔14上的倒角13与方孔12上的倒角13相同。
作为优选，倒角13的角度≥45°。
作为优选，如图5所示，还包括支撑板4，设置于标定装置尾部。
作为优选，支撑板4与卡条3可拆卸连接，支撑板4与背景板2的颜色尺寸相同，支撑板4设置在标定装置尾部起结构支撑作用，同时在需要时背景板2和支撑板4可以换用。
作为优选，网格板1、背景板2和支撑板4的材质为铝合金，卡条(3)的材质为钢型材。
本发明配合二/三维相机使用，以实现对各相机的参数标定，包括相机主点、径向成像参数和畸变系数、轴向(即深度方向)成像参数和畸变系数。使用时的设备摆放关系如图8所示，即相机正面朝向网格板,并透过网格板上的方孔，看到后面背景板的一部份。
在标定二维相机时，看到的图像如图9或图10所示(取决于网格板的哪一面朝向相机)，得到类似棋盘格效果的图案，通过提取各方形子图案的角点，利用经典的张正友算法，即可算得二维相机的内外参数。
在标定三维深度相机时，得到的图像是如图11所示的三维点云，其中61代表网格板点云、62代表背景板点云、63代表网格板背景板间距、64代表网格板上的交叉点、65代表深度相机视轴方向。通过对筋条(网格板上方孔间不透光的实心间隔部份)的点云进行直线拟合、求交，提取网格交点的空间坐标位置，据此计算三维深度相机在视轴法截面内的径向成像参数(包括径向畸变系数)；同时，将网格板和背景板之间事先已知的距离与成像点云中测得的两板间距离进行比较，算得三维相机沿轴向的深度畸变系数；而且，通过调整网格板与背景板间的距离，还可以得到深度畸变系数的线性或非线性变化规律。
综上所述，采用本发明的一种二三维相机联合标定网格板及标定装置，与传统标定板只能标定二维相机参数不同，本发明能提供深度信息，可以标定三维相机的轴向畸变系数(即深度畸变系数)，以及二三维相机一体化产品中二维相机相对三维相机的位置和姿态；本发明结构简单、加工容易、成本低廉，且拆装方便、收纳容易；本发明标定过程操作简便，标定精度高。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种二三维相机联合标定网格板，其特征在于：所述网格板(1)的表面为漫反射表面，其上设置方孔阵列(11)。
2.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述方孔阵列(11)的左上角和右下角均设置标识孔(14)。
3.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述方孔阵列(11)中的方孔(12)四棱设置一面向另一面延伸的倒角(13)。
4.一种二三维相机联合标定装置，其特征在于：包括具有漫反射表面的网格板(1)、背景板(2)和多根卡条(3)；所述网格板(1)和背景板(2)平行设置，并与卡条(3)可拆卸连接，网格板(1)设置于背景板(2)前方；所述网格板(1)上设置方孔阵列(11)。
5.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述卡条(3)上设置多个第一卡槽(31)，第一卡槽(31)的槽宽与网格板(1)、背景板(2)的厚度相同。
6.如权利要求5所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述多个第一卡槽(31)的深度相同，且等间距设置。
7.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述卡条(3)上设置第二卡槽(32)；第二卡槽(32)的槽宽，与网格板(1)、背景板(2)的厚度之和相同。
8.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述网格板(1)的标定面颜色为浅色或深色，背景板(2)的标定面颜色为深色或浅色。
9.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：所述方孔阵列(11)由多个纵横排列、等间距的方孔(12)组成。
10.如权利要求1所述的二三维相机联合标定网格板及标定装置，其特征在于：还包括支撑板(4)，设置于标定装置尾部。
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