CN113084827A - 一种摄像装置光心位置标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种摄像装置光心位置标定方法及装置，首先选定摄像机器人工作空间内一个固定于地面的标记点P，并选定机器人末端一个工具点T，确定工具点T和标记点P在机器人坐标系中的位置，并控制机器人运动，使工具点T到达标记点P处，确定出在机器人坐标系中的位置，进一步控制摄像装置运动，使标记点P位于画面中心，记录机器人位置一及标记点P在画面中的坐标，进一步操作摄像机沿垂直于摄像机光轴的方向平移，并保持标记点P在摄像机画面内，记录机器人位置二及标记点P在画面中的坐标，而后根据已知参数即可计算得到摄像机光心位置。本申请的标定方法不需要特制的标定板，便于就地取材，应用方便，操作过程简单易行。

Description

一种摄像装置光心位置标定方法及装置

技术领域

本申请涉及影视特种拍摄领域，具体而言，涉及一种摄像装置光心位置标定方法及装置。

背景技术

摄像机器人是视觉特效的重要素材拍摄装备。摄像机器人控制摄像机运动，其轨迹被精准地记录、存储在计算机内，轨迹数据可以编辑修改，拍摄轨迹可以精确再现，这是人工操作无法实现的。实践中，同一运动轨迹拍摄的各层影像素材在计算机中，用3D图像软件制作出多种复杂的特技影视效果，例如比例缩放、群体效果、多次拍摄等。

在拍摄应用中，摄像机安装在机器人末端，为精确控制摄像机的空间位置及姿态，需要预先对摄像机在机器人末端的安装位置及姿态进行标定，确定摄像机坐标系与机器人坐标系的位姿转换关系。已有方法中，为标定机器人与其末端相机的位姿关系，通常借助特制的标定板，将标定板置于固定位置，并控制机器人带动相机从不用角度采集标定板图像，并记录相应的机器人位置参数，通过图像处理得到标定板上特征点的图像坐标，最后利用得到的数据解算出相机在机器人末端的安装位置与姿态。这种方法需要特制的标定板，且操作、计算过程复杂，适用于精度要求较高的工业测量应用领域，而在影视拍摄领域，标定精度不需要达到工业测量应用的精度，而需要更为简便易行的标定方法。

对于常规的摄像机产品，在精度要求不高的情况下，其与机器人的安装姿态可以通过机械连接关系直接确定，而对于摄影成像的光心位置，是一个相机成像模型中的虚拟位置，且摄像机使用镜头焦距不同，则光心位置也不同，需要通过标定确定其位置。现有的通过标定板进行标定的方法复杂，导致操作操作不便，且应用成本高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种摄像装置光心位置标定方法及装置，用于解决现有摄像装置中光心标定精度高导致的标定过程复杂的问题。

本申请是通过下述技术方案实现的：提供一种摄像装置光心位置标定方法，应用于摄像装置，所述摄像装置安装在机器人的机械臂末端，标定所述摄像装置光心位置的步骤为：

S100.获取摄像装置的镜头参数；

S200.选定工作空间内一个固定于地面的点作为标记点P，并选定机器人末端上的一个点作为工具点T；

S300.机器人的默认工具坐标系标记为T₀，根据工具点T在默认工具坐标系中的位置(x_T1，y_T1，z_T1)建立工具坐标系T₁，根据工具坐标系T₁的角度参数确定出工具坐标系T₁至默认工具坐标系T₀的旋转变换矩阵R1；

S400.操作机器人，使机械臂的工具点T移动至标记点P，使工具点T与标记点P重合，记录此时机器人的坐标位置(x_P，y_P，z_P)，确定标记点P在基坐标系B中的位置；

S500.操作机器人，使标记点P位于画面中心，记录此时机器人的位置一(x₀，y₀，z₀)，根据机器人姿态参数确定此时机器人由工具坐标系T₁至基坐标系B的姿态变换矩阵R，并记录标记点P在图像中的坐标(u₀，v₀)，计算此时标记点P在工具坐标系T₁中的坐标；

S600.操作机器人，使摄像装置沿垂直于摄像装置光轴的方向平移一段距离D，并保持标记点P始终在摄像装置画面中心，记录此时机器人的位置二(x₁，y₁，z₁)，并记录标记点P在图像中的坐标(u₁，v₁)；

S700.根据前述获得的标记点P在图像中两处位置的坐标，计算摄像装置的光心位置Oc。

进一步地，所述标记点P与工具点T为尖点。

进一步地，获取的摄像装置参数包括摄像装置成像元件像元尺寸d_u以及镜头焦距f。

进一步地，在标定光心过程中始终保持摄像装置的平面和机器人的基座平面处于水平状态。

进一步地，在步骤S300中，将工具坐标系T₁坐标轴方向设置为摄像机坐标系的方向，摄像装置成像光轴在工具坐标系T₁中的方向向量为

进一步地，在步骤S400至S600中，通过示教的方式手动操作机器人移动。

进一步地，在步骤S500中，标记点P在机器人工具坐标系T₁下的坐标计算方式为：

其中，R^T是转置矩阵。

进一步地，在步骤S700中，具体还包括如下步骤：

S701.计算步骤S600中平移的距离D，

其中，

S702.计算光心Oc与标记点P的距离L，

其中，

S703.计算光心Oc在机器人工具坐标系T₁中的位置：

S704.计算光心在机器人默认工具坐标系T₀中的位置：

另外，还提供一种摄像方法，在正式摄像前，使用前述的光心位置标定方法进行摄像装置光心位置标定。

另外，还提供一种摄像设备，包括机器人以及安装在机器人末端的摄像装置，所述摄像装置使用的是前述的光心位置标定方法。

本申请与现有技术相比的有益效果是：标定时只需要在摄像机器人末端选一尖点，并在机器人工作空间内选择一固定于地面的尖点，便于就地取材，应用方便，操作中只需执行一次机器人工具坐标系标定，并记录两次标记点图像坐标及对应的机器人位置即可完成摄像装置光心标定过程，操作过程简单易行，从而使摄像机器人运动过程中可以有效保障机器人周围人、物的安全，有利于摄像机器人的安全使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请摄像装置结构示意图；

图2为本申请摄像装置光心位置计算示意图；

图3为本申请摄像装置光心位置标定方法的流程图。

图标：1-机器人；2-摄像装置；21-摄像机成像平面；22-摄像机成像范围界限。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参考图1-3描述根据本申请一方面实施例的摄像装置光心位置标定方法。

根据本申请实施例的摄像装置光心位置标定方法，提供一种摄像装置光心位置标定方法，应用于摄像装置2，所述摄像装置2固定安装在机器人1的机械臂3末端，所述机器人1为通用6自由度工业机器人，机器人1整体可沿导轨移动，标定所述摄像装置光心位置的步骤为：

S100.获取摄像装置2的镜头参数；

S200.选定工作空间内一个固定于地面的点作为标记点P，并选定机器人1末端上的一个点作为工具点T；

S300.根据工具点T在默认工具坐标系中的位置(x_T1，y_T1，z_T1)，后将机器人1当前工具坐标系原点位置设定于工具点T处，确定摄像机2坐标系相对于机器人1默认工具坐标系的欧拉角，将所述欧拉角数值输入机器人1，将工具坐标系坐标轴方向设置为摄像装置坐标系的方向，将建立的该工具坐标系记为T₁；将机器人1的默认工具坐标系标记为T₀，根据工具坐标系T₁的角度参数确定出工具坐标系T₁至默认工具坐标系T₀的旋转变换矩阵R1，并确定摄像机2成像光轴在工具坐标系T1中的方向向量；

S400.操作机器人1移动，通过操作者人眼观察，使机械臂3的工具点T移动至标记点P，使工具点T与标记点P重合，记录此时机器人的坐标位置(x_P，y_P，z_P)，即可确定标记点P在基坐标系B中的位置；

S500.操作机器人1移动，通过操作者人眼观察，如图3所示，使标记点P位于摄像机成像平面21的中心，记录此时机器人1的位置一(x₀，y₀，z₀)，根据机器人1当前欧拉角数值，根据机器人1姿态参数确定此时机器人1由工具坐标系T₁至基坐标系B的姿态变换矩阵R，并采集摄像机图像，从图像中人工确定标记点P在图像中的坐标(u₀，v₀)，记录标记点P在图像中的坐标(u₀，v₀)，计算此时标记点P在工具坐标系T₁中的坐标；

S600.操作机器人1移动，通过操作者人眼观察，使摄像装置2沿垂直于摄像装置光轴的方向平移一段距离D，保持标记点P始终位于摄像机成像范围界限22之内，并保持标记点P始终在摄像装置2的画面中心，记录此时机器人1的位置二(x₁，y₁，z₁)，并采集摄像机图像，从图像中人工确定标记点P在图像中的坐标(u1，v1)，并记录标记点P在图像中的坐标(u₁，v₁)；

S700.根据前述获得的标记点P在图像中两处位置的坐标，计算摄像装置2的光心位置Oc。

进一步地，所述标记点P与工具点T为尖点，通常选取具物品上有边线交汇处的点，便于人眼识别。

进一步地，根据摄像装置的产品资料获取的摄像装置2参数包括摄像装置成像元件像元尺寸d_u以及镜头焦距f。

进一步地，在标定光心过程中始终保持摄像装置2的平面和机器人1的基座平面处于水平状态，而不发生偏转。

进一步地，在步骤S400至S600中，通过示教的方式手动操作机器人移动。

进一步地，在步骤S500中，标记点P在机器人工具坐标系T₁下的坐标计算方式为：

其中，R^T是转置矩阵。

进一步地，在步骤S700中，具体还包括如下步骤：

S701.计算摄像装置2在步骤S600中平移的距离D，

其中，

S702.按照小孔成像模型计算光心Oc与标记点P的距离L，

其中，

S703.计算光心Oc在机器人工具坐标系T₁中的位置：

S704.计算光心在机器人默认工具坐标系T₀中的位置：

另外，本申请还提供一种摄像方法，在正式摄像前，前述的光心位置标定方法进行摄像装置光心位置标定。

另外，本申请还提供一种摄像设备，包括机器人以及安装在机器人末端的摄像装置，所述摄像装置使用的是前述的光心位置标定方法。

本申请在进行摄像装置光心标定时只需要在摄像机器人末端选一尖点，并在机器人工作空间内选择一个固定于地面的尖点，便于就地取材，应用方便，操作中只需执行一次机器人工具坐标系标定，并记录两次标记点图像坐标及对应的机器人位置即可完成摄像装置光心标定过程，操作过程简单易行，从而使摄像机器人运动过程中可以有效保障机器人周围人、物的安全，有利于摄像机器人的安全使用。

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

Claims (10)

1.一种摄像装置光心位置标定方法，应用于摄像装置，所述摄像装置安装在机器人的机械臂末端，其中，标定所述摄像装置光心位置的步骤为：

S100.获取摄像装置的镜头参数；

S200.选定工作空间内一个固定于地面的点作为标记点P，并选定机器人末端上的一个点作为工具点T；

S300.机器人的默认工具坐标系标记为T₀，根据工具点T在默认工具坐标系中的位置(x_T1，y_T1，z_T1)建立工具坐标系T₁，根据工具坐标系T₁的角度参数确定出工具坐标系T₁至默认工具坐标系T₀的旋转变换矩阵R1；

S400.操作机器人，使机械臂的工具点T移动至标记点P，使工具点T与标记点P重合，记录此时机器人的坐标位置(x_P，y_P，z_P)，确定标记点P在基坐标系B中的位置；

S500.操作机器人，使标记点P位于画面中心，记录此时机器人的位置一(x₀，y₀，z₀)，根据机器人姿态参数确定此时机器人由工具坐标系T₁至基坐标系B的姿态变换矩阵R，并记录标记点P在图像中的坐标(u₀，v₀)，计算此时标记点P在工具坐标系T₁中的坐标；

S600.操作机器人，使摄像装置沿垂直于摄像装置光轴的方向平移一段距离D，并保持标记点P始终在摄像装置画面中心，记录此时机器人的位置二(x₁，y₁，z₁)，并记录标记点P在图像中的坐标(u₁，v₁)；

S700.根据前述获得的标记点P在图像中两处位置的坐标，计算摄像装置的光心位置O_c。

2.根据权利要求1所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，所述标记点P和工具点T为尖点。

3.根据权利要求2所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，获取的摄像装置参数包括摄像装置成像元件像元尺寸d_u以及镜头焦距f。

4.根据权利要求3所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，在标定过程中始终保持摄像装置的平面和机器人的基座平面处于水平状态。

5.根据权利要求3所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，在步骤S300中，将工具坐标系T₁坐标轴方向设置为摄像机坐标系的方向，摄像装置成像光轴在工具坐标系T₁中的方向向量为

6.根据权利要求5所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，在步骤S400至S600中，通过示教的方式手动操作机器人移动。

7.根据权利要求5所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，在步骤S500中，标记点P在机器人工具坐标系T₁下的坐标计算方式为：

其中，R^T是转置矩阵。

8.根据权利要求7所述的摄像装置光心位置标定方法，其特征在于，在步骤S700中，具体还包括如下步骤：

S701.计算步骤S600中平移的距离D，

其中，

S702.计算光心Oc与标记点P的距离L，

其中，

S703.计算光心Oc在机器人工具坐标系T₁中的位置：

S704.计算光心在机器人默认工具坐标系T₀中的位置：

9.一种摄像方法，其特征在于，在正式摄像前，使用如权利要求1-8之一所述的光心位置标定方法进行摄像装置光心位置标定。

10.一种摄像设备，其特征在于，包括机器人以及安装在机器人末端的摄像装置，所述摄像装置使用的是如权利要求1-8之一所述的光心位置标定方法。

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