CN114152190B - 一种工业相机精度和工作空间测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业相机精度和工作空间测试平台，包括支架，相机、测试板、X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨、驱动装置；所述相机设置在Z方向的运动滑轨上；所述测试板设置在X方向的运动滑轨；所述驱动装置可驱动X方向的运动滑轨、驱动测试板、驱动相机进行运动；所述X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨设置在支架上。本发明所述的测试平台，具有结构设计简单、成本低廉、测试速度快、可拍摄区域大，角度可调整范围广等特点，实现相机的两种性能指标测试，从多个视角，多个位置点去采集图像，从不同位置和视角去评估相机的精度及相机的视觉工作空间。
Description
技术领域
本发明属于视觉系统技术领域，更具体地说，它涉及一种工业相机精度和工作空间测试平台。
背景技术
目前，随着计算机技术的迅速发展，机器人智能化的研究方向越来越受到研究人员的青睐。其中，双目视觉系统作为机器人感知周围环境的重要手段，是实现机器人类人智能化的一种最重要的手段。
双目立体视觉是通过双目相机拍摄的两幅二维图像中提取出三维信息。近年来，双目相机已广泛应用于移动机器人定位、物体目标的自动跟踪、医疗机器人手术导航、三维重建等领域，其性能的高低直接影响到获取信息的准确性及成像质量的优劣。为了确定双目相机是否满足工程要求，需要对其内方位元素及畸变参数进行严格校准并进行精度和工作空间的测试，以便确定相机的精度级别、工作空间范围、稳定性等参数。
而当前的双目立体视觉的相关理论大多数研究集中在相机标定、特征点提取、立体匹配等方面，在双目相机测量精度方面研究较少。在现有的双目立体视觉技术中，大多数系统的结构通常根据人为经验来选择，可借鉴的理论依据较少。多数系统注重景物识别，很少关注双目相机测量的精度问题，或测量精度时采用标定板局限于单个视角和单个位置的精度测量，缺少全方位多角度的精度测量。
在实际工程应用方面，不同系统的测量场景各异、系统结构参数设计不同、传感器精度差异等多种原因导致了系统在实际应用中，测量精度难以保证。例如，无论待测目标处于近距离或远距离，双目相机在安装过程中，光轴的方位都难以得到控制，给双目视差的获取带来误差。同时，随着待测目标距离的增加，系统的标定精度急剧下降，无法准确的获得相机的精度和工作范围。因此，迫切需要有全方位多角度的相机精度测试平台对相机的精度级别、工作空间范围、稳定性等参数进行评估，以判断相机和算法是否满足工程项目需求。
一般的视觉系统采用标定板局限于单个视角和单个位置对相机进行精度测量，缺少全方位多角度的精度测量和工作空间测量因此，我们发明了一种工业相机精度和工作空间测试平台。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工业相机精度和工作空间测试平台，其优点在于具有结构设计简单、成本低廉、测试速度快、可拍摄区域大，角度可调整范围广等特点，实现相机的两种性能指标测试，从多个视角，多个位置点去采集图像，从不同位置和视角去评估相机的精度及相机的视觉工作空间。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种工业相机精度和工作空间测试平台，包括支架，还包括相机、测试板、X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨、驱动装置；
所述相机设置在Z方向的运动滑轨上；
所述测试板设置在X方向的运动滑轨；
所述驱动装置可驱动X方向的运动滑轨、驱动测试板、驱动相机进行运动；
所述X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨设置在支架上。
具体的，所述支架包括水平设置的1号支架以及连接1号支架的竖直放置的2号支架。所述1号支架上设置有可沿Y方向移动的X方向的运动滑轨，固定连接的Y方向的运动滑轨，所述2号支架上固定设置有Z方向的运动滑轨；因此所述X方向的运动滑轨可在1号支架上沿Y方向进行滑动，而Y方向的运动滑轨和Z方向的运动滑轨为固定连接，不可移动；
具体的，所述驱动装置为气缸式驱动装置或者电动驱动装置，所述电动驱动装置包括1号伺服电机、2号伺服电机、3号伺服电机、4号伺服电机，所述1号伺服电机、2号伺服电机、3号伺服电机设置在1号支架上，所述4号伺服电机设置在2号支架上；因此所述1号伺服电机、2号伺服电机、3号伺服电机、4号伺服电机均为高精度伺服电机，采用CAN总线进行通讯控制，进而完成对X方向的运动滑轨、测试板、相机进行移动。
具体的，所述相机为双目相机或者两个平行设置的单目相机，所述相机采集所述测试板对应角点坐标位置的三维坐标或者二维坐标；
具体的，所述1号伺服电机控制X方向的运动滑轨沿Y方向进行移动；
具体的，所述2号伺服电机控制测试板在X方向的运动滑轨上进行移动；
具体的，所述3号伺服电机控制测试板进行转动，转动角度0-360°；
具体的，所述4号伺服电机控制相机在在Z方向的运动滑轨上进行移动；
具体的，所述工业相机精度和工作空间测试平台，通过驱动装置的工作，可以进行全方位、多视角的图像采集，进而从静态性能和动态性能对测试平台的精度级别、工作空间范围、稳定性等参数进行评估，所述静态性能涉及静态性能指标，所述静态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
(1)进行二维的角点定位标准差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，分别计算双目左右相机采集到每张图像对应角点坐标位置的标准差；
(2)进行三维的角点定位标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，双目相机采集多张图像，计算出每张图像对应角点的三维空间坐标，根据角点的三维空间坐标计算识别误差和标准差；角点的三维坐标(Xc,Yc,Zc)：
式中，(xl,yl)和(xr,yr)分别表示X角点在左右图中的像素坐标， d＝xl-xr即为视差；像素中心点(cx,cy)，X和Y方向上归一化焦距 fx＝f/dx、fy＝f/dy、基线距离b都可由相机标定获得；
(3)两点之间距离测量标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，计算出每张图像对应两个固定角点的三维空间坐标，根据三维空间坐标计算距离，计算每张图像之间对应距离的识别误差和标准差；
所述动态性能涉及动态性能指标，所述动态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
(1)、进行三维的测试板角点识别率：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机是否可以很好的识别到对应位置的角点；
(2)、进行三维的两点之间距离测量误差和标准差：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机获取到的图像中，两个固定角点之间的距离的差值和标准差。
综上所述，本发明具有以下优点：
该工业相机精度和工作空间测试平台，很好的解决了相机在不同状态下其精度及视觉工作空间无法确切获得的问题。相较于一般采用单个标定板单个位置单个角度去判断相机的精度的方法，本发明可以通过对双目相机从多个视角，多个位置点去采集图像，从不同位置和视角对测试平台的精度级别、工作空间范围、稳定性等参数进行评估，以判断相机和算法是否满足工程项目需求，确切选择不同精度的测试平台去应用于不同的工程项目，也可以用来分析影响相机及其视觉工作空间的因素。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明图1中的A部位的放大示意图；
图3为本发明图1中的B部位的放大示意图；
图4为本发明图1中的C部位的放大示意图；
图5为本发明的侧视图；
图6为本发明的相机位置测试精度的数据采集示例；
图7为本发明的相机位置测试精度的数据统计示例。
附图标记说明：1、Z方向的运动滑轨；2、Y方向的运动滑轨；3、X方向的运动滑轨；4、测试板；5、相机；6.1、4号伺服电机；6.3、3号伺服电机；6.2、1号伺服电机；6.4、2号伺服电机；7.1、2号支架；7.2、1 号支架。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
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，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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发明中的具体含义。
实施例1
一种工业相机精度和工作空间测试平台，参考图1至图5，包括支架，还包括相机5、测试板4、X方向的运动滑轨3、Y方向的运动滑轨2、Z方向的运动滑轨1、驱动装置；
所述相机5设置在Z方向的运动滑轨1上；
所述测试板4设置在X方向的运动滑轨3；
所述驱动装置可驱动X方向的运动滑轨3、驱动测试板4、驱动相机5 进行运动；
所述X方向的运动滑轨3、Y方向的运动滑轨2、Z方向的运动滑轨1 设置在支架上。
具体的，所述支架包括水平设置的1号支架7.2以及连接1号支架7.2 的竖直放置的2号支架7.1。所述1号支架7.2上设置有可沿Y方向移动的X方向的运动滑轨3，固定连接的Y方向的运动滑轨2，所述2号支架7.1 上固定设置有Z方向的运动滑轨1；因此所述X方向的运动滑轨3可在1号支架7.2上沿Y方向进行滑动，而Y方向的运动滑轨2和Z方向的运动滑轨1为固定连接，不可移动；
具体的，所述驱动装置为气缸式驱动装置或者电动驱动装置，所述电动驱动装置包括1号伺服电机6.2、2号伺服电机6.4、3号伺服电机6.3、 4号伺服电机6.1，所述1号伺服电机6.2、2号伺服电机6.4、3号伺服电机6.3设置在1号支架7.2上，所述4号伺服电机6.1设置在2号支架7.1 上；所述1号伺服电机6.2、2号伺服电机6.4、3号伺服电机6.3、4号伺服电机6.1均为高精度伺服电机，采用CAN总线进行通讯控制，进而完成对X方向的运动滑轨3、测试板4、相机5进行驱动。
具体的，所述相机5为双目相机5或者两个平行设置的单目相机5，所述相机5采集所述测试板4对应角点坐标位置的三维坐标或者二维坐标；
具体的，所述1号伺服电机6.2控制X方向的运动滑轨3沿Y方向进行移动；所述X方向的运动滑轨3通过螺纹连接的方式连接到对应的滑轮机构(X方向的运动滑轨3的上下两面均设置有滑轮机构)，下部的滑轮机构连接到2号支架7.1上，通过1号伺服电机6.2，驱动X方向的运动滑轨 3在沿着Y方向移动；
具体的，所述2号伺服电机6.4控制测试板4在X方向的运动滑轨3 上移动；所述测试板4通过上部的滑轮机构，连接到X方向的运动滑轨3 上，所述滑轮机构可采用现有的现有常规的滑轨对应的滑轮机构；
具体的，所述3号伺服电机6.3控制测试板4进行转动，转动角度 0-360°；所述测试板4通过转动机构，活动连接到X方向的运动滑轨3上，所述转动机构可采用现有的现有常规的转动结构；所述3号伺服电机6.3 通过控制转动机构转动进而带动测试板4进行转动；
具体的，所述4号伺服电机6.1控制相机5在在Z方向的运动滑轨1 上进行移动；所述相机5通过螺纹连接的方式连接到对应的滑轮机构，滑轮机构连接到Z方向的运动滑轨1，通过4号伺服电机6.1，驱动相机5在 Z方向的运动滑轨1上进行移动；
在本发明伺服电机与1号支架7.2、2号支架7.1之间的连接方式全部采用螺纹连接，这样的连接方式刚度大，抗扰动能力强，系统稳定性高。整个测试平台基于轻量化以及耐蚀防锈考虑，1号支架7.2和2号支架7.1 采用采用硬铝合金材料。可移动测试目标由测试板4和高精度伺服电机构成，所述的测试板4的网格大小和间距可根据实际需要来进行设计，且测试板4的外形采用任何可以用来进行精度识别测试的形状。
因此在本实施例中，所述工业相机精度和工作空间测试平台，具有结构设计简单、成本低廉、测试速度快、可拍摄区域大，角度可调整范围广等特点。所述工业相机精度和工作空间测试平台可以实现两种性能指标测试。
第一是静态性能指标测试(多位置、多角度)，主要包括角点定位标准差(二维)，角点定位标准差和误差(三维)，两点之间距离测量标准差和误差(三维)。第二是动态性能指标测试(多位置、多角度、多速度)，测试板角点识别率(三维)，两点之间距离测量误差和标准差(三维)。因此本发明可以从多个视角，多个位置点去采集图像，从不同位置和视角去评估相机的精度及相机的视觉工作空间。
实施例2
一、静态性能指标测试
静态性能涉及静态性能指标，所述静态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
(1)进行二维的角点定位标准差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，分别计算双目左右相机采集到每张图像对应角点坐标位置的标准差；
求取每张图像上对应的角点的均值和标准差以判断二维角点定位精度。
均值：(x1+x2+…+xn)/n；
标准差：σ＝sqrt(((x1-x)2+(x2-x)2+…+(xn-x)2)/n)；
(2)进行三维的角点定位标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，双目相机采集多张图像，计算出每张图像对应角点的三维空间坐标，根据角点的三维空间坐标计算识别误差和标准差；角点的三维坐标(Xc,Yc,Zc)：
式中，(xl,yl)和(xr,yr)分别表示X角点在左右图中的像素坐标， d＝xl-xr即为视差；像素中心点(cx,cy)，X和Y方向上归一化焦距 fx＝f/dx、fy＝f/dy、基线距离b都可由相机标定获得；
(3)两点之间距离测量标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，计算出每张图像对应两个固定角点的三维空间坐标，根据三维空间坐标计算距离，计算每张图像之间对应距离的识别误差和标准差；
二、动态性能指标测试
所述动态性能涉及动态性能指标，所述动态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
(1)、进行三维的测试板角点识别率：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机是否可以很好的识别到对应位置的角点；
(2)、两点之间距离测量误差和标准差(三维)：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机获取到的图像中，两个固定角点之间的距离的差值和标准差。
实施例3
一、静态性能指标测试(多位置、多角度)一般测试方案：将平台中X 方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨的长度位置均分为五等份(当然也可以是其他任意份，目的是为了使得测试板移动到整个工作空间)，共六个位置点，测试方案具备包括以下步骤：
1.首先双目相机静止在初始0位置，即Z轴原点。
2.测试板在2号伺服电机控制下沿X方向的运动滑轨正向移动一个位置，到达位置之后静止，双目相机采集图像。然后测试板在3号伺服电机的控制下进行正向旋转30°(可以是规定的任意其他角度)后静止双目相机采集图像，逆向旋转30°后静止双目相机采集图像。
3.测试板在2号伺服电机控制下沿X方向的运动滑轨共移动六个位置，距离间隔50mm(根据实际滑轨长度进行计算)，每个位置都执行步骤2的相同操作。
4.测试板到达X方向的运动滑轨端点之后，X方向的运动滑轨在1号电机控制下沿Y方向的运动滑轨移动一个位置，然后测试板在2号伺服电机控制下沿X方向的运动滑轨反向移动六个位置，距离间隔50mm，每个位置都执行步骤2的相同操作。
5.X方向的运动滑轨在1号伺服电机控制下沿Y方向的运动滑轨移动共移动六个位置距离间隔50mm。每个位置都执行步骤4的相同操作。
6.X方向的运动滑轨到达Y方向的运动滑轨端点之后，在1伺服号电机控制下重新回到原点。
7.双目相机在4号伺服电机控制下沿着Z方向的运动滑轨共移动六个位置，距离间隔50mm。每个位置都执行步骤2，3，4，5的相同操作。
8.双目相机到达Z方向的运动滑轨端点测试完毕之后，在4号伺服电机控制下双目回到原点。整个测试过程结束。
因此，双目相机在每个位置时，测试板可以在整个平面移动36个位置，每个位置测试板有三个旋转角度，相机对这108个位姿进行图像采集。双目相机共有六个位置，整个工作空间相机可以对648个位姿进行图像采集用以进行精度和工作空间评估。
二、动态性能指标测试(多位置、多角度、多速度)的测试方案，包括以下步骤：
1.双目相机静止0位置。
2.测试板以规定的任意角度及任意速度沿与静态性能指标测试中相同的轨迹去运动，不同之处在于测试板不停止，双目相机以固定频率去采集图像。
3.测试板以一定角度和一定速度，从相对相机位置的左下角开始沿导轨X运动，测试板到达导轨X右端后不停止，立马向左运动，同时导轨Y 向上运动20mm。
4.测试板到达导轨X左端后，导轨Y继续向上运动20mm，同时测试板不停止，立马向左运动。
5.以此类推直到测试板的轨迹布满整个相机视觉空间。
三、精度和工作空间评估具体方法：
测试板上有一定数值范围的阵列角点。
1.计算实际每个角点到标定板中心距离然后存起来。
2.计算相机采集到的图像测得每个角点到所有角点拟合的中心点的距离然后存起来，中心点坐标的拟合方法：所有角点的对应X,Y,Z坐标相加除以总的角点数即可得到识别到的测试板拟合的中心点的坐标。
3.用测得角点到中心点的距离对应减去实际位置角点到中心点的距离进而得到每个角点的识别精度误差，求其误差的均值和标准差。
均值：(x1+x2+…+xn)/n；
标准差：σ＝sqrt(((x1-x)2+(x2-x)2+…+(xn-x)2)/n)；
因此，在本实施例中，通过误差的均值和标准差进行判断相机在各个不同位置和不同角度的识别精度，误差均值大的地方说明此位姿相机的识别精度较差，标准差较大的地方说明此位姿相机的角点识别稳定应较差，相反则是较好。没有测到数据的地方说明此位姿是相机的视觉工作盲区，也是相机或测试板需要进行优化的地方。
参考图6至图7，是测得位置精度的部分数据：
从测试结果可以看出，测试角度在-15°到15°之间时，标准差 0.17-0.23，方差在0.27-0.31，本实施例的技术方案具有较高的精确度和稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计构思之内，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 (6)
1.一种工业相机精度和工作空间测试平台，包括支架，其特征在于，还包括相机、测试板、X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨、驱动装置；
所述相机设置在Z方向的运动滑轨上；
所述测试板设置在X方向的运动滑轨；
所述驱动装置可驱动X方向的运动滑轨、驱动测试板、驱动相机进行运动；
所述X方向的运动滑轨、Y方向的运动滑轨、Z方向的运动滑轨设置在支架上；
所述工业相机精度和工作空间测试平台，通过驱动装置的工作，相机可以进行全方位、多视角的图像采集，进而从静态性能和动态性能对测试平台的精度级别、工作空间范围、稳定性等参数进行评估；
所述静态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
（1）进行二维的角点定位标准差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，分别计算双目左右相机采集到每张图像对应角点坐标位置的标准差；
（2）进行三维的角点定位标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，双目相机采集多张图像，计算出每张图像对应角点的三维空间坐标，根据角点的三维空间坐标计算识别误差和标准差；角点的三维坐标：
；
；
；
式中，和/>分别表示X角点在左右图中的像素坐标，/>即为视差；像素中心点/>，X和Y方向上归一化焦距/>、/>、基线距离b都可由相机标定获得；
（3）两点之间距离测量标准差和误差：双目相机和测试板固定不动，相机采集多张图像，计算出每张图像对应两个固定角点的三维空间坐标，根据三维空间坐标计算距离，计算每张图像之间对应距离的识别误差和标准差。
2.根据权利要求1所述的一种工业相机精度和工作空间测试平台，其特征在于，所述支架包括水平设置的1号支架以及连接1号支架的竖直放置的2号支架。
3.根据权利要求2所述的一种工业相机精度和工作空间测试平台，其特征在于，所述1号支架上设置有可沿Y方向移动的X方向的运动滑轨，所述1号支架上固定连接Y方向的运动滑轨，所述2号支架上固定设置有Z方向的运动滑轨。
4.根据权利要求3所述的一种工业相机精度和工作空间测试平台，其特征在于，所述驱动装置为者电动驱动装置，所述电动驱动装置包括1号伺服电机、2号伺服电机、3号伺服电机、4号伺服电机，所述1号伺服电机、2号伺服电机、3号伺服电机设置在1号支架上，所述4号伺服电机设置在2号支架上。
5.根据权利要求4所述的一种工业相机精度和工作空间测试平台，其特征在于，所述3号伺服电机控制测试板进行转动，转动角度0-360°。
6.根据权利要求5所述的一种工业相机精度和工作空间测试平台，其特征在于，所述动态性能指标的测试方法，包括以下步骤：
（1）、进行三维的测试板角点识别率：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机是否可以很好的识别到对应位置的角点；
（2）、进行三维的两点之间距离测量误差和标准差：测试板以不同速度和姿态移动时，双目相机获取到的图像中，两个固定角点之间的距离的差值和标准差。
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