CN114153109A - 一种相机多维度微调节保护装置及自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相机多维度微调节保护装置及自适应调整方法，主要是解决隧道、管廊等巡检车或机器人相机阵列安装调整困难、镜头焦距人工调焦效率低的技术问题。本发明技术方案由三维度微调机构、相机参数自动调整系统和相机保护筒三部分组成；三维度微调机构由连杆、下支架、上支架和相机连接块组成；相机保护筒由前盖、前镜筒、主镜筒和后盖组成；三维度微调机构通过螺栓与相机主镜筒相连；相机通过微调机构可实现绕X轴、Y轴、Z轴三轴绕动微调，且相互间不受干扰；相机参数自动调整系统由环形超声波马达和图像质量评价系统组成，通过环形超声波马达遍历，并结合图像质量评价系统，实现相机焦距、光圈参数的快速自动调整。

Description

一种相机多维度微调节保护装置及自适应调整方法

技术领域

本发明涉及一种相机调节保护装置，尤其是公开一种相机多维度微调节保护装置及自适应调整方法，属于机器视觉技术领域。

背景技术

随着机器视觉技术的快速发展，越来越多地应用了市政、水利、交通等基础设施的无损、快速检测领域。基于机器视觉检测的主要设备为相机，多数是采用工业相机，针对不同的检测目标对象，所需的相机个数也不同，由一个至数十个不等。相机的安装位置的准确性和参数的设定对成像质量有直接影响，并会进一步影响机器视觉识别的效果。由于机械加工误差的存在，相机的安装位置须要有一定的自我调整能力，此外，对于野外作业的检测装备，相机还需要设置防护装置。

对于相机安装位置多维度的调节，可以考虑机械臂的方式实现，但是机械臂一般较昂贵，并操控复杂、占空间，应用场景有限。为此，国内外对相机的微调机构也进行了相关的研究与设计，发明专利《一种具有位置自动微调的工业相机》(CN105425511B)设计了一种一个维度调整的相机机构；发明专利《相机三维度微调装置》(CN106019777B)通过相机固定座、三个调节环和固定框设计了一种相机微调装置，但只固定相机部位，存在不稳定因素，且无防护能力；实用新型《一种相机调整装置》(CN202402912U)通过3个连杆装置实现相机在一个平面内的多角度大范围调整。

综上，需要设计一种相机可多维度微调、相机参数自动调整且具有防水防尘能力的保护装置。

发明内容

本发明的目的是设计一种可实现相机在X、Y、Z三个维度微绕动及相机参数自适应调节的相机多维度微调节保护装置及自适应调整方法，主要是解决隧道、管廊等巡检车或机器人相机阵列安装调整困难、镜头焦距人工调焦效率低的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种相机多维度微调节保护装置，由三维度微调机构、相机参数自动调整系统和相机保护筒三部分组成；三维度微调机构由连杆、下支架、上支架和相机连接块相互连接组成；相机保护筒由前盖、前镜筒、主镜筒和后盖相互连接组成；三维度微调机构利用螺栓通过上支架顶部通孔与相机主镜筒相连。

所述连杆由长螺栓和螺帽组成，下支架为一类U型构件，下支架左右两侧各对称开两个圆通孔，两个圆通孔采用居中布设，下支架底部中间开一个圆通孔，底部中间的圆通孔与连杆相连，实现相机绕连杆进行绕动调节，下支架底部平整，两侧顶部采用半圆弧设计；上支架亦为一类U型构件，上支架左右两侧各对称开两个通孔，其中上部为圆通孔，下部为弧形长腰孔，弧形长腰孔的圆弧圆心为圆通孔的中心点，长腰孔弧形夹角为60°，圆通孔和长腰孔的采用居中布设，上支架顶面采用圆弧设计，圆弧的外半径与相机主镜筒的外半径相同，上支架顶面4个角点各开一个圆通孔，通过圆通孔与相机主镜筒相连接，上支架两侧顶部采用半圆弧设计；下支架侧端上部的圆通孔与上支架侧端上部圆通孔相连，下支架侧端下部的圆通孔与上支架侧端的下部长腰孔相连，三维度微调机构可绕上支架侧端上部圆通孔进行绕动微调。

进一步，相机连接块包括相机连接底板、相机托块、镜头托块，相机连接底板为一圆弧形托板，打有6个通孔(内攻丝)，其中四个通过螺丝与相机主镜筒、上支架相连，另外2个孔用于固定镜头托块，相机连接底板中部设有相机弧形凸块，相机弧形凸块中部开一弧形托块长腰孔，弧形托块长腰孔的弧形夹角为60°；相机托块为中间矩形的凹块，凹处用于放置相机，并通过相机压紧块固定，相机托块下部打有两个相机托块通孔(内攻丝)，利用2个螺丝通过通孔与弧形托块长腰孔相连；镜头托块为中间半圆弧的凹块，凹处用于放置镜头，并通过镜头压紧块固定，镜头托块底部钻有两个螺丝孔，通过2个螺丝与相机连接块相连固定；螺丝非拧紧状态下，通过旋转相机托块可实现相机和镜头的轴向微绕动，调整到位后，拧紧螺丝即可固定。

所述相机保护筒由前盖、前镜筒、主镜筒、后盖及防水塞组成，前盖内设置一环向凹槽，内填充硅胶垫圈，用于防水防尘，前盖与前镜筒间放置一个无反光圆形玻璃片，前盖通过螺丝与前镜筒相连，并把橡胶圈和玻璃片压紧；前镜筒内侧设置螺纹，与主镜筒旋接，前镜筒与主镜筒间设置一个硅胶垫圈，通过旋拧压实，用于防水防尘；后盖中间设置一圆孔，用于穿线，圆孔内攻粗丝安装防水塞，后盖通过螺栓与主镜筒相连；相机的数据线穿过防水塞，防水塞与后盖中心圆孔旋接，挤压防水塞，实现防水防尘。

所述相机参数自动调整系统由环形超声波马达和自适应调整单元组成，其中环形超声波马达是相机市购常用件，自适应调整单元安装于电脑中，相机采用CameraLink线缆供电，并与电脑相连，相机拍摄的图像实时传输并存储于电脑中，通过自适应调整单元对所拍摄图像的质量进行分析，调整环形超声波马达动作。

一种相机多维度微调节保护装置的自适应调整方法，从图像边界强度、图像亮度、图像均匀度三个方面来评价：

(1)图像边界强度，获取图像在X方向和Y方向的梯度图，并进行边界强度的计算，其步骤如下：

(a)获取水平方向和垂直方向的sobel算子，分别记为sX、sY，如下所示：

(b)计算图像G在不同方向的梯度图，记为GX、GY，图像的高度和宽度记为m,n；

(c)计算图像的边界强度，记为GE，其计算方法如下：

(d)设定边界强度阈值Ed，当GE>Ed时，判定图像为清晰可见，满足调整要求。

(2)图像亮度，计算图像的平均亮度，记为GL，设定亮度阈值为Ld，当GL>Ld时，图像亮度满足调整要求。

(3)图像均匀度，计算图像0°、45°、90°、135°方向灰度的均值与方差，当均值大于Ld，方差小于Lv，则判定图像调整满足要求。

(4)通过环形超声波马达遍历，并结合上述步骤，可实现相机焦距、光圈参数的快速自动调整。

本发明的有益效果是：

(1)本发明是一种相机多维度微调保护装置，通过构件化拼装，可实现相机绕X轴、Y轴、Z轴三轴绕动微调，并且三个维度的调节相互间不受干扰，可满足相机安装位置多维度精准调节；

(2)本发明技术方案通过自适应调整单元和环形超声波马达联动，可实现相机焦距、光圈参数的自动调整，节省人力，提高工作效率。

(3)本发明技术方案机构设计紧俏，易加工，易安装，防护等级可达IP67，适用范围广。

附图说明

图1是本发明相机多维度微调节保护装置整体示意图。

图2是本发明相机多维度微调节保护装置的侧视图。

图3是本发明相机多维度微调节保护装置的剖视图。

图4是本发明相机多维度微调节保护装置的下支架示意图。

图5是本发明相机多维度微调节保护装置的上支架示意图。

图6是本发明相机多维度微调节保护装置的连接块示意图。

图7是本发明相机多维度微调节保护装置的前盖示意图。

图8是本发明相机多维度微调节保护装置的前镜筒示意图。

图9是本发明相机多维度微调节保护装置的主镜筒示意图。

图10是本发明相机多维度微调节保护装置的相机托块示意图。

图11是本发明相机多维度微调节保护装置的镜头托块示意图。

图中：1-连杆，2-下支架，3-上支架，4-前盖，5-前镜筒，6-主镜筒，7-后盖，8-下支架上通孔，9-下支架下通孔，10-下支架底部通孔，11-上支架长腰孔，12-上支架上通孔，13-上支架顶部通孔，14-相机连接块，15-相机弧形托块，16-弧形托块长腰孔，17-相机连接底板前通孔，18-相机连接底板后通孔，19-无反光圆形玻璃片，20-前镜筒螺纹，21-硅胶垫圈，22-主镜筒螺纹，23-相机托块，24-相机托块通孔，25-镜头托块，26-防水塞，27-相机连接底板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，一种相机多维度微调保护装置，由三维度微调机构、相机参数自动调整系统和相机保护筒三部分组成；三维度微调机构由连杆1、下支架2、上支架3和相机连接14块组成；相机保护筒由前盖4、前镜筒5、主镜筒6和后盖7组成；三维度微调机构利用螺栓通过上支架顶部通孔13与相机主镜筒6相连。

所述连杆1采用M10长螺栓和螺帽组成，下支架2为一类U型构件，下支架2左右两侧各对称开两个圆形下支架上通孔8和下支架下通孔9，两个圆通孔采用居中布设，底部中间开一个圆形下支架底部通孔10，下支架底部通孔10与连杆1相连，实现相机绕连杆1进行绕动调节，下支架2底部平整，两侧顶部采用半圆弧设计；上支架3亦为一类U型构件，上支架3左右两侧各对称开两个上支架长腰孔11和上支架上通孔12，上支架长腰孔11的圆弧圆心为上支架上通孔12的中心点，上支架长腰孔11弧形夹角为60°，上支架长腰孔11和上支架上通孔12采用居中布设，上支架3顶面采用圆弧设计，圆弧的外半径与相机主镜筒6的外半径相同，上支架3顶面4个角点各开一个上支架顶部通孔13，通过上支架顶部通孔13与相机主镜筒6螺栓连接，上支架3两侧顶部采用半圆弧设计；下支架2侧端上部的下支架上通孔8与上支架3侧端上部上支架上通孔12螺栓相连，下支架2侧端下部的下支架下通孔9与上支架3侧端的上支架长腰孔11螺栓相连，三维度微调机构可绕上支架上通孔12进行绕动微调。

进一步，相机连接块14包括相机连接底板27、相机托块23、镜头托块25，相机连接底板27为一圆弧形托板，打有6个相机连接底板前通孔17和相机连接底板后通孔18(内攻丝)，其中四个相机连接底板后通孔18(内攻丝)通过螺丝与相机主镜筒6、上支架3相连，另外2个相机连接底板前通孔17用于固定镜头托块25，相机连接底板27中部设有相机弧形托块15，相机弧形托块15中部开一弧形托块长腰孔16，弧形托块长腰孔16的弧形夹角为60°；相机托块23为中间矩形的凹块，凹处用于放置相机，并通过相机压紧块固定，相机托块23下部打有两个相机托块通孔24(内攻丝)，利用2个螺丝通过相机托块通孔24与弧形托块长腰孔16相连；镜头托块25为中间半圆弧的凹块，凹处用于放置镜头，并通过镜头压紧块固定，镜头托块25底部钻有两个螺丝孔，通过2个螺丝与相机连接块14相连固定；螺丝非拧紧状态下，通过旋转相机托块23可实现相机和镜头的轴向微绕动，调整到位后，拧紧螺丝即可固定。

所述相机保护筒由前盖4、前镜筒5、主镜筒6、后盖7及防水塞26组成，前盖4内设置一环向凹槽，内填充硅胶垫圈，用于防水防尘，前盖4与前镜筒5间放置一个无反光圆形玻璃片19，前盖4通过三个螺丝与前镜筒5相连，并把橡胶圈和无反光圆形玻璃片19压紧；前镜筒5内侧设置前镜筒螺纹20，与主镜筒螺纹22通过旋拧与主镜筒6相连，前镜筒5与主镜筒6间设置一个硅胶垫圈21，通过旋拧压实，用于防水防尘；后盖7中间设置一圆孔，用于穿线，圆孔内攻粗丝，用于安装防水塞26，后盖7通过4个螺栓与主镜筒6相连；相机的数据线穿过防水塞26，防水塞26与后盖7中心圆孔相连，通过旋拧牢固，挤压防水塞26，实现装置防水防尘。

所述相机参数自动调整系统由环形超声波马达和自适应调整单元组成，其中环形超声波马达是相机市购常用件，自适应调整单元安装于电脑中，相机采用CameraLink线缆供电，并与电脑相连，相机拍摄的图像实时传输并存储于电脑中，并通过自适应调整单元对所拍摄图像的质量进行分析，调整环形超声波马达动作；

超声波马达(UltraSonic Motor)：基于利用超声波振动能量变换成转动能量的全新原理来工作的，用于相机参数调整的主要是环形超声波马达，环形超声波马达的定子和转子的直径和镜筒直径相当，可以和镜筒完美的结合，并具有低转速、高扭矩、高精准控制、超静音、温度适应广等优点。

一种相机多维度微调节保护装置的自适应调整方法，从图像边界强度、图像亮度、图像均匀度三个方面来评价：

(1)图像边界强度，获取图像在X方向和Y方向的梯度图，并进行边界强度的计算，其步骤如下：

(a)获取水平方向和垂直方向的sobel算子，分别记为sX、sY，如下所示：

(a)计算图像G在不同方向的梯度图，记为GX、GY，图像的高度和宽度记为m,n；梯度图的获取直接为图像G分别与sX、sY进行卷积操作，可直接调用Opencv类操作函数filter2D实现，分别对A进行两个方向上的卷积计算，filter2D函数如下：

void filter2D(InputArray src，OutputArray dst，int depth，InputArraykernel)；

(b)计算图像的边界强度，记为GE，其计算方法如下：

(c)设定边界强度阈值Ed，当GE>Ed时，判定图像为清晰可见，满足调整要求；通常情况下，Ed设为6.2。

(2)图像亮度，计算图像的平均亮度，记为GL，设定亮度阈值为Ld，当GL>Ld时，图像亮度满足调整要求，一般设定Ld＝60。

(3)图像均匀度，计算图像0°、45°、90°、135°方向灰度的均值与方差，当均值大于Ld，方差小于Lv，则判定图像调整满足要求，一般设定Lv＝4.8。

(4)通过环形超声波马达遍历，并结合上述步骤，可实现相机焦距、光圈参数的快速自动调整。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明的权利要求书所要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种相机多维度微调节保护装置，其特征是在于：由三维度微调机构、相机参数自动调整系统和相机保护筒三部分组成；三维度微调机构由连杆、下支架、上支架和相机连接块相互连接组成；相机保护筒由前盖、前镜筒、主镜筒和后盖相互连接组成；三维度微调机构通过螺栓与相机主镜筒相连。

2.根据权利要求1所述的一种相机多维度微调节保护装置，其特征是：所述三维度微调机构的连杆由长螺栓和螺帽组成，下支架为一类U型构件，下支架左右两侧各对称开两个圆通孔，两个圆通孔采用居中布设，下支架底部中间开一个圆通孔，底部中间的圆通孔与连杆相连，实现相机绕连杆进行绕动调节，下支架底部平整，上支架亦为一类U型构件，上支架左右两侧各对称开两个通孔，其中上部为圆通孔，下部为弧形长腰孔，弧形长腰孔的圆弧圆心为圆通孔的中心点，圆通孔和弧形长腰孔的采用居中布设，圆弧的外半径与相机主镜筒的外半径相同，上支架顶面4个角点各开一个圆通孔，通过圆通孔与相机主镜筒相连接，下支架侧端上部的圆通孔与上支架侧端上部圆通孔相连，下支架侧端下部的圆通孔与上支架侧端的下部长腰孔相连，三维度微调机构可绕上支架侧端上部圆通孔进行绕动微调；相机连接块包括相机连接底板、相机托块、镜头托块，相机连接底板为一圆弧形托板，打有6个内攻丝通孔，其中四个内攻丝通孔通过螺丝与相机主镜筒、上支架相连，另外2个内攻丝通孔用于固定镜头托块，相机连接底板中部设有相机弧形托块，相机弧形托块中部开一弧形托块长腰孔，相机托块为中间矩形的凹块，凹处用于放置相机，并通过相机压紧块固定，相机托块下部打有两个内攻丝相机托块通孔，利用2个螺丝通过通孔与弧形托块长腰孔相连；镜头托块为中间半圆弧的凹块，凹处用于放置镜头，并通过镜头压紧块固定，镜头托块底部钻有两个螺丝孔，通过2个螺丝与相机连接块相连固定。

3.根据权利要求2所述的一种相机多维度微调节保护装置，其特征是：所述长腰孔弧形夹角和弧形托块长腰孔的弧形夹角均为60°。

4.根据权利要求2所述的一种相机多维度微调节保护装置，其特征是：螺丝非拧紧状态下，通过旋转相机托块可实现相机和镜头的轴向微绕动，调整到位后，拧紧螺丝即可固定。

5.根据权利要求1所述的一种相机多维度微调节保护装置，其特征是：所述相机参数自动调整系统由环形超声波马达和自适应调整单元组成，自适应调整单元安装于电脑中，相机采用CameraLink线缆供电，并与电脑相连，相机拍摄的图像实时传输并存储于电脑中，通过自适应调整单元对所拍摄图像的质量进行分析，调整环形超声波马达动作。

6.根据权利要求1所述的一种相机多维度微调节保护装置，其特征是：所述相机保护筒由前盖、前镜筒、主镜筒、后盖及防水塞组成，前盖内设置一环向凹槽，内填充硅胶垫圈，前盖与前镜筒间放置一个无反光圆形玻璃片，前盖通过螺丝与前镜筒相连，并把橡胶圈和玻璃片压紧；前镜筒内侧设置螺纹，与主镜筒旋接，前镜筒与主镜筒间设置一个硅胶垫圈；后盖中间设置一圆孔，用于穿线，圆孔内攻粗丝安装防水塞，后盖通过螺栓与主镜筒相连；相机的数据线穿过防水塞，防水塞与后盖中心圆孔旋接。

7.权利要求1所述一种相机多维度微调节保护装置的自适应调整方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)图像边界强度，获取图像在X方向和Y方向的梯度图，并进行边界强度的计算，其步骤如下：

(a)获取水平方向和垂直方向的sobel算子，分别记为sX、sY，如下所示：

(b)计算图像G在不同方向的梯度图，记为GX、GY，图像的高度和宽度记为m,n；

(c)计算图像的边界强度，记为GE，其计算方法如下：

(d)设定边界强度阈值Ed，当GE>Ed时，判定图像为清晰可见，满足调整要求；

(2)图像亮度，计算图像的平均亮度，记为GL，设定亮度阈值为Ld，当GL>Ld时，图像亮度满足调整要求；

(3)图像均匀度，计算图像0°、45°、90°、135°方向灰度的均值与方差，当均值大于Ld，方差小于Lv，则判定图像调整满足要求；

(4)通过环形超声波马达遍历，并结合上述步骤，可实现相机焦距、光圈参数的快速自动调整。

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