CN114331977A - 多阵列三维测量系统的拼接标定系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其包括图像获取装置、标定参数获取装置和测量基准统一装置，其中，所述图像获取装置，用于扫描获取标定板的多幅三维点云图，并将多幅所述三维点云图传输给所述标定参数获取装置；所述标定参数获取装置，用于根据多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数，并将所述标定参数传输给所述测量基准统一装置；所述测量基准统一装置，用于根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置的测量基准统一。本发明还公开一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法和一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置。

Description

多阵列三维测量系统的拼接标定系统、方法及装置

技术领域

本申请涉及一种光学测量技术领域，尤其涉及一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统、一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法和一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置。

背景技术

随着工业发展的不断迭代，许多三维测量技术也日趋成熟。其中，常见的非接触三维测量技术有：共聚焦显微技术、白光相移干涉技术和线结构光测量技术等。其中，共聚焦显微技术与白光相移干涉技术的测量精度较高，但其测量成本昂贵、且测量幅面较小、检测速度较慢、测量效率不高，难以适用于各种微小型元件的实时测量需要。与前两种测量方法相比，线结构光测量技术具有检测效率高、实时性好、抗干扰强，且系统结构简单，可拓展性和集成性强等优点。

目前，线结构光测量技术在工业自动化和智能制造中发挥着越来越重要的作用，已被广泛应用于半导体行业、手机行业等领域。随着半导体行业和手机行业的迅猛发展，半导体、手机厂商对于大幅面高度精度三维测量设备的需求日益迫切。然而，对于多阵列三维测量系统，由于硬件加工和安装误差等因素存在，导致多阵列三维测量系统中各个三维相机的固定姿态存在差异，使得测量基准无法统一，这严重制约了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度等。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统，旨在解决现有检测方法中存在由于硬件加工和安装误差等因素存在，导致多阵列三维测量系统中各个三维相机的固定姿态存在差异，使得测量基准无法统一等问题。

一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其包括图像获取装置、标定参数获取装置和测量基准统一装置，所述测量基准统一装置与所述图像获取装置和所述标定参数获取装置电连接，其中，所述图像获取装置，用于扫描获取标定板的多幅三维点云图，并将多幅所述三维点云图传输给所述标定参数获取装置；所述标定参数获取装置，用于根据多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数，并将所述标定参数传输给所述测量基准统一装置；所述测量基准统一装置，用于根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置的测量基准统一。

可选地，所述图像获取装置包括多个相机单元，每个所述相机单元为三维相机。

可选地，所述标定参数获取装置包括第一标定参数获取芯片以及第二标定参数获取芯片，其中，所述第一标定参数获取芯片与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置均电连接，所述第一标定参数获取芯片用于根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数；所述第二标定参数获取芯片与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置均电连接，所述第二标定参数获取芯片用于根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数。

可选地，所述第一标定参数获取芯片包括第一角度计算电路、高度图像修正电路以及第一偏移量计算电路，其中，所述第一角度计算电路与所述图像获取装置电连接，所述第一角度计算电路用于根据所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的滚转角和俯仰角，并将每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角传输给所述高度图像修正电路；所述高度图像修正电路与所述第一角度计算电路电连接，所述高度图像修正电路用于根据接收到的所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图，并将所述第一修正高度图和所述滚转角和所述俯仰角传输给所述第一偏移量计算电路；所述第一偏移量计算电路与所述高度图像修正电路以及所述测量基准统一装置电连接，所述第一偏移量计算电路用于根据所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的第一方向的偏移量，其中，所述第一标定参数包括所述滚转角、所述俯仰角以及所述第一方向的偏移量。

可选地，所述第一偏移量计算电路还用于根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

可选地，所述第二标定参数获取芯片包括第二角度计算电路和第二偏移量计算电路，其中，所述第二角度计算电路与所述图像获取装置电连接，所述第二角度计算电路用于根据所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量；所述第二偏移量计算电路与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置电连接，用于根据所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，其中，所述第二标定参数包括所述偏航角以及所述第二方向的偏移量和所述第三方向的偏移量。

可选地，所述第二标定参数获取芯片还包括高度图像拼接电路，其中，所述高度图像拼接电路与所述第二角度计算电路和所述第二偏移量计算电路均电连接，所述高度图像拼接电路用于根据所述第二方向的偏移量、所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

可选地，所述第一方向为Z轴方向，所述第二方向可为X轴方向，所述第三方向可为Y轴方向。

综上所述，在本申请中所述多阵列三维测量系统的拼接标定系统通过获取标定板的多幅三维点云图，并通过计算所述标定板的相应标定参数，从而实现对多阵列三维测量系统进行现场拼接标定，从而有效的提高了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法，由所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统执行，所述多阵列三维测量系统的拼接标定方法，包括：获取标定板的多幅三维点云图；根据所述标定板的多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数；根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个图像获取装置的测量基准统一。

可选地，所述第二标定参数包括偏航角以及第二方向的偏移量和第三方向的偏移量，包括，根据所述三维点云图计算得到相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数；根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数。

可选地，所述根据所述三维点云图计算得到相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数，包括，根据所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的滚转角和俯仰角；根据所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图；根据所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的第一方向的偏移量，其中，所述第一标定参数包括所述滚转角、所述俯仰角以及所述第一方向的偏移量；根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

可选地，所述根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数，包括，根据所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量；根据所述三维点云图中的所述第二原始高度图和所述第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，其中，所述第二标定参数包括所述偏航角以及所述第二方向的偏移量和所述第三方向的偏移量；根据所述第二方向的偏移量和所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

综上所述，在本申请中所述多阵列三维测量系统的拼接标定方法通过获取标定板的多幅三维点云图，并通过计算所述标定板的相应标定参数，从而实现对多阵列三维测量系统进行现场拼接标定，从而有效的提高了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置，其包括：至少一个处理器和储存器，至少一个所述处理器执行所述储存器存储的计算机执行指令，至少一个所述处理器执行上述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法。

综上可知，本申请提供的多阵列三维测量系统的拼接标定装置可以实现对多阵列三维测量系统进行现场拼接标定，从而有效地提高了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度，并提高了产品的市场竞争率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统的结构示意图；

图2为多阵列三维测量系统标定模型的示意图；

图3为图1所示多阵列三维测量系统的拼接标定系统的第一标定参数获取芯片的结构示意图；

图4为图1所示多阵列三维测量系统的拼接标定系统的第二标定参数获取芯片的结构示意图；

图5为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法的流程示意图；

图6为图5所示多阵列三维测量系统的拼接标定方法中步骤S20的流程示意图；

图7为图6所示多阵列三维测量系统的拼接标定方法中步骤S21的流程示意图；

图8为图6所示多阵列三维测量系统的拼接标定方法中步骤S22的流程示意图；

图9为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。本申请中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附加图示的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请，而不是指示或暗指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。

在本申请的描述中，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，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；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。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，本申请中使用的术语“包括”、“可以包括”、“包含”、或“可以包含”表示公开的相应功能、操作、元件等的存在，并不限制其他的一个或多个更多功能、操作、元件等。此外，术语“包括”或“包含”表示存在说明书中公开的相应特征、数目、步骤、操作、元素、部件或其组合，而并不排除存在或添加一个或多个其他特征、数目、步骤、操作、元素、部件或其组合，意图在于覆盖不排他的包含。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

随着工业发展的不断迭代，许多三维测量技术也日趋成熟。其中，常见的非接触三维测量技术有：共聚焦显微技术、白光相移干涉技术和线结构光测量技术等。其中，共聚焦显微技术与白光相移干涉技术的测量精度较高，但其测量成本昂贵、且测量幅面较小、检测速度较慢、测量效率不高，难以适用于各种微小型元件的实时测量需要。与前两种测量方法相比，线结构光测量技术具有检测效率高、实时性好、抗干扰强，且系统结构简单，可拓展性和集成性强等优点。目前，线结构光测量技术在工业自动化和智能制造中发挥着越来越重要的作用，已被广泛应用于半导体行业、手机行业等领域。随着半导体行业和手机行业的迅猛发展，半导体、手机厂商对于大幅面高度精度三维测量设备的需求日益迫切。然而，对于多阵列三维测量系统，由于硬件加工和安装误差等因素存在，导致多阵列三维测量系统中各个三维相机的固定姿态存在差异，使得测量基准无法统一，这严重制约了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度等。

基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，可以实现对多阵列三维测量系统进行现场拼接标定，从而有效的提高了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

需要说明的是，结构光(Structured light)是一组由投影仪和摄像头组成的系统结构，用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集，并根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。线结构光三维(3-dimension，3D)测量技术已被广泛应用于PCB板检测、Mini LED检测、芯片晶圆检测等半导体行业以及手机玻璃盖板3D曲面检测、屏幕厚度检测等手机行业等应用场景中。现有的多阵列三维测量系统中，由于硬件加工和安装误差等因素存在，导致多阵列三维测量系统中每一台3D相机固定姿态存在差异，其自身坐标系发生了一定改变，此时如果不对多阵列三维测量系统进行标定修正，则将导致多阵列三维测量系统中各个3D相机分块的测量结果无法统一。

请参阅图1，其为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统100，其至少包括图像获取装置110、标定参数获取装置120以及测量基准统一装置130。其中，所述图像获取装置110与所述标定参数获取装置120电连接，所述标定参数获取装置120与所述测量基准统一装置130电连接，即所述图像获取装置110、所述标定参数获取装置120以及所述测量基准统一装置130依次电连接。

所述图像获取装置110用于扫描获取标定板的多幅三维点云图，并将得到的多幅所述三维点云图分别传输给所述标定参数获取装置120。

在本申请实施例中，所述图像获取装置110可以包括多个相机单元，每个所述相机单元可为三维(3D)相机。标定板(Calibration Target)在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板。在本申请实施例中，所述标定板可为钢板尺、棋盘格、PCB圆孔标定板。

请一并参阅图2，具体可为，通过借助一块钢板尺作为标定板，建立多阵列三维测量系统中每个所述相机单元的坐标系Oc-XcYcZc相对于标定板坐标系Ow-XwYwZw的坐标系转换模型，其公式如下所示：

其中，标定板坐标系Ow-XwYwZw：以板定板的长轴为Xw轴，以标定板的短轴为Yw轴，以垂直于XwYw平面为Zw轴；相机单元自身坐标系Oc-XcYcZc：以3D相机的线激光方向为Xc轴，以3D相机的扫描方向为Yc轴，以垂直于XcYc方向为Zc轴。上述公式(1)中，θ是绕Y轴旋转俯仰角、γ是绕X轴旋转滚转角、ψ是绕Z轴旋转滚偏航角；△X、△Y、△Z依次为XYZ方向的偏移量。

所述标定参数获取装置120用于根据所述图像获取装置110获取的所述标定板的多幅所述三维点云图进行计算得到所述标定板的相应标定参数，并将得到的所述标定参数传输给所述测量基准统一装置130。

所述测量基准统一装置130用于根据所述标定参数获取装置120得到的所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置110的测量基准统一。

在本申请实施例中，所述标定参数获取装置120包括第一标定参数获取芯片121以及第二标定参数获取芯片122。其中，所述第一标定参数获取芯片121与所述图像获取装置110以及所述测量基准统一装置130均电连接，所述第二标定参数获取芯片122与所述图像获取装置110以及所述测量基准统一装置130均电连接。

所述第一标定参数获取芯片121用于根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数。其中，所述第一标定参数包括滚转角、俯仰角以及第一方向的偏移量。

所述第二标定参数获取芯片122用于根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第二标定参数。其中，所述第二标定参数包括偏航角以及第二方向的偏移量和第三方向的偏移量。

具体为，在本申请实施例中，所述第一方向为Z轴方向，所述第二方向可为X轴方向，所述第三方向可为Y轴方向。

如图2所示，根据每个所述相机单元的坐标系相对于标定板坐标系的坐标系转换模型结合三维设备(在本实施例中，三维设备可为三维相机，其实现了三维数据与二维数据的采集以及同时输出)实际情况简化标定公式，其简化过程如下：考虑到光学原理限制，所述三维相机在Z方向测量范围很小，远远小于XY方向测量范围，且俯仰角和滚转角的安装偏差角度较小。则有：

将公式(2)和公式(3)带入坐标系转换公式(1)，简化后的标定公式如下所示：

根据上述标定简化公式(4)可知，可将标定过程分为两步求解。第一步，依次求解每台三维相机相对标定板坐标系Ow-XwYwZw的俯仰角θ、滚转角γ和第一方向的偏移量△Z，即可完成多阵列三维测量系统中各3D相机的Z坐标基准统一。第二步，依次求解每台三维相机相对标定板坐标系Ow-XwYwZw的偏航角ψ和第二方向的偏移量△X、第三方向的偏移量△Y，即可完成多阵列三维测量系统中各三维相机的XY坐标基准统一。

可选地，三维相机的数量受采集卡、电脑主机接口等限制，例如，单主机下可连接4个采集卡，每个采集卡共4路相机接口，最大可用16个相机。可以理解的是，根据实际最大扫描面积需求，15个相机就可以实现最大面积扫描，共使用了15个相机。

请参阅图3，其为图1中所示多阵列三维测量系统的拼接标定系统的第一标定参数获取芯片121的结构示意图。如图3所示，所述第一标定参数获取芯片121包括第一角度计算电路1211、高度图像修正电路1212以及第一偏移量计算电路1214。其中，所述第一角度计算电路1211与所述高度图像修正电路1212电连接，所述高度图像修正电路1212与所述第一偏移量计算电路1214电连接，所述第一偏移量计算电路1214还与所述测量基准统一装置130电连接，所述第一角度计算电路1211还与所述图像获取装置110电连接。

在本实施方式中，所述第一角度计算电路1211用于根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角，并将每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角传输给所述高度图像修正电路1212。

具体为，在本申请实施例中，所述第一角度计算电路1211依次求解所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第一原始高度图中每个相机单元(即三维相机)对应分块内的平面系数，获得每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角θ和俯仰角γ。

所述高度图像修正电路1212用于根据接收到的所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图，并将所述第一修正高度图和所述滚转角和所述俯仰角传输给所述第一偏移量计算电路1214。

所述第一偏移量计算电路1214用于根据所述高度图像修正电路1212传输来的所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的所述第一方向的偏移量，并将所述第一方向的偏移量和所述滚转角和所述俯仰角传输给所述测量基准统一装置130。在本申请实施例中，所述第一方向为Z轴方向。

所述第一偏移量计算电路1214还用于根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

请参阅图4，其为图1中所示多阵列三维测量系统的拼接标定系统的第二标定参数获取芯片122的结构示意图。如图4所示，所述第二标定参数获取芯片122包括第二角度计算电路1221以及第二偏移量计算电路1222。其中，所述第二角度计算电路1221与所述第二偏移量计算电路1222电连接，所述第二角度计算电路1221和所述第二偏移量计算电路1222均与所述图像获取装置110电连接，所述第二偏移量计算电路1222还与所述测量基准统一装置130电连接。

在本申请实施例中，所述第二角度计算电路1221用于根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量，并将所述偏航角和所述第三方向的偏移量传输给所述第二偏移量计算电路1222。在本申请实施例中，所述第三方向可为Y轴方向。

具体为，在本申请实施例中，所述第二角度计算电路1221用于依次根据特征提取算法求解所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图中每个相机单元对应分块内的标定板的上下边界的直线方程和四个预设的顶角坐标，并根据所述标定板的实际倾斜放置角度和所述四个预设的顶角坐标进行对应计算，依次获得第一个相机单元至最后一个相机单元的线激光相对标定板的偏航角ψ和所述第三方向的偏移量△Y。

所述第二偏移量计算电路1222用于根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，并将得到的所述第二方向的偏移量和所述第二角度计算电路1221传输的所述偏航角和所述第三方向的偏移量传输给所述测量基准统一装置130。在本申请实施例中，所述第二方向可为X轴方向。

具体为，在本申请实施例中，所述第二偏移量计算电路1222用于根据特征提取算法对比计算所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图之间的标定板在同一刻度的差值以及根据所述相机单元的实际预设次数(例如两次)在X起点位置的偏差值，依次计算获得多阵列三维测量系统中第一个相机单元至最后一个相机单元的线激光相对标定板的所述第二方向的偏移量△X。

所述第二标定参数获取芯片122还包括高度图像拼接电路1224，所述高度图像拼接电路1224与所述第二角度计算电路1221和所述第二偏移量计算电路1222均电连接，用于根据所述第二偏移量计算电路1222传输的所述第二方向的偏移量和所述第二角度计算电路1221传输的所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

请参阅图5，其为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法的流程示意图，上述图1-图4所示实施例中的多阵列三维测量系统的拼接标定系统用下述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法对多阵列三维测量系统进行现场拼接标定，以有效的提高了多阵列三维测量系统的测量效率、测量精度以及测量速度。如图5所示，所述多阵列三维测量系统的拼接标定方法至少包括以下步骤。

S10、获取标定板的多幅三维点云图。

在本实施例中，请结合图1，通过所述图像获取装置110扫描获取标定板的多幅三维点云图，并将得到的多幅所述三维点云图分别传输给所述标定参数获取装置120。

在本申请实施例中，所述图像获取装置110可以包括多个相机单元，每个相机单元可为三维相机。标定板在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板。在本申请实施例中，所述标定板可为钢板尺、棋盘格、PCB圆孔标定板。

请一并参阅图2，具体可为，通过借助一块钢板尺作为标定板，建立多阵列三维测量系统中每个所述相机单元的坐标系Oc-XcYcZc相对于标定板坐标系Ow-XwYwZw的坐标系转换模型，其公式如下所示：

其中，标定板坐标系Ow-XwYwZw：以板定板的长轴为Xw轴，以标定板的短轴为Yw轴，以垂直于XwYw平面为Zw轴；相机单元自身坐标系Oc-XcYcZc：以3D相机的线激光方向为Xc轴，以3D相机的扫描方向为Yc轴，以垂直于XcYc方向为Zc轴。上述公式(1)中，θ是绕Y轴旋转俯仰角、γ是绕X轴旋转滚转角、ψ是绕Z轴旋转滚偏航角；△X、△Y、△Z依次为XYZ方向的偏移量。

S20、根据所述标定板的多幅所述三维点云图进行计算获取所述标定板的相应标定参数。

在本实施例中，请结合图1和图2，所述标定参数获取装置120根据所述图像获取装置110获取的所述标定板的多幅所述三维点云图进行计算得到所述标定板的相应标定参数，并将得到的所述标定参数传输给所述测量基准统一装置130。

在本申请实施例中，请参阅图6并结合图1，所述步骤S20至少包括以下步骤。

S21、根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数。

具体为，所述第一标定参数获取芯片121根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数。其中，所述第一标定参数包括滚转角、俯仰角以及第一方向的偏移量。

在本申请实施例中，请参阅图7并结合图3，所述步骤S21至少包括以下步骤。

S211、根据所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角。

具体为，所述第一角度计算电路1211根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角，并将每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角传输给所述高度图像修正电路1212。

在本申请实施例中，所述第一角度计算电路1211依次求解所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第一原始高度图中每个相机单元(即三维相机)对应分块内的平面系数，获得每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角θ和俯仰角γ。

S212、根据所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图。

具体为，所述高度图像修正电路1212根据接收到的所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图，并将所述第一修正高度图和所述滚转角和所述俯仰角传输给所述第一偏移量计算电路1214。

S213、根据所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的所述第一方向的偏移量。

具体为，所述第一偏移量计算电路1214根据所述高度图像修正电路1212传输来的所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的所述第一方向的偏移量，并将所述第一方向的偏移量和所述滚转角和所述俯仰角传输给所述测量基准统一装置130。在本申请实施例中，所述第一方向为Z轴方向。

S214、根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

具体为，所述第一偏移量计算电路1214还用于根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

S22、根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第二标定参数。

具体为，所述第二标定参数获取芯片122根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第二标定参数。其中，所述第二标定参数包括偏航角以及第二方向的偏移量和第三方向的偏移量。

具体为，在本申请实施例中，所述第一方向为Z轴方向，所述第二方向可为X轴方向，所述第三方向可为Y轴方向。

如图2所示，根据每个所述相机单元的坐标系相对于标定板坐标系的坐标系转换模型结合三维设备(在本实施例中，三维设备可为三维相机，其实现了三维数据与二维数据的采集以及同时输出)实际情况简化标定公式，其简化过程如下：考虑到光学原理限制，所述三维相机在Z方向测量范围很小，远远小于XY方向测量范围，且俯仰角和滚转角的安装偏差角度较小。则有：

将公式(2)和公式(3)带入坐标系转换公式(1)，简化后的标定公式如下所示：

根据上述标定简化公式(4)可知，可将标定过程分为两步求解。第一步，依次求解每台三维相机相对标定板坐标系Ow-XwYwZw的俯仰角θ、滚转角γ和第一方向的偏移量△Z，即可完成多阵列三维测量系统中各3D相机的Z坐标基准统一。第二步，依次求解每台三维相机相对标定板坐标系Ow-XwYwZw的偏航角ψ和第二方向的偏移量△X、第三方向的偏移量△Y，即可完成多阵列三维测量系统中各三维相机的XY坐标基准统一。

在本申请实施例中，请参阅图8并结合图4，所述步骤S22至少包括以下步骤。

S221、根据所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量。

具体为，所述第二角度计算电路1221根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量，并将所述偏航角和所述第三方向的偏移量传输给所述第二偏移量计算电路1222。在本申请实施例中，所述第三方向可为Y轴方向。

具体为，在本申请实施例中，所述第二角度计算电路1221依次根据特征提取算法求解所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图中每个相机单元对应分块内的标定板的上下边界的直线方程和四个预设的顶角坐标，并根据所述标定板的实际倾斜放置角度和所述四个预设的顶角坐标进行对应计算，依次获得第一个相机单元至最后一个相机单元的线激光相对标定板的偏航角ψ和所述第三方向的偏移量△Y。

S222、根据所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量。

具体为，所述第二偏移量计算电路1222根据所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，并将得到的所述第二方向的偏移量和所述第二角度计算电路1221传输的所述偏航角和所述第三方向的偏移量传输给所述测量基准统一装置130。在本申请实施例中，所述第二方向可为X轴方向。

具体为，在本申请实施例中，所述第二偏移量计算电路1222根据特征提取算法对比计算所述图像获取装置110传输的所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图之间的标定板在同一刻度的差值以及根据所述相机单元的实际预设次数(例如两次)在X起点位置的偏差值，依次计算获得多阵列三维测量系统中第一个相机单元至最后一个相机单元的线激光相对标定板的所述第二方向的偏移量△X。

S223、根据所述第二方向的偏移量和所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

具体为，所述高度图像拼接电路1224根据所述第二偏移量计算电路1222传输的所述第二方向的偏移量和所述第二角度计算电路1221传输的所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

S30、根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置110的测量基准统一。

在本实施例中，请参阅图1，所述测量基准统一装置130根据所述标定参数获取装置120得到的所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置110的测量基准统一。

请参阅图9，其为本申请实施例公开的一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置的硬件结构示意图。如图9所示，本申请实施例提供的多阵列三维测量系统的拼接标定装置200包括至少一个处理器201和存储器202。所述多阵列三维测量系统的拼接标定装置200还包括至少一根总线203。其中，处理器201和存储器202通过总线203电性连接。所述多阵列三维测量系统的拼接标定装置200可以是计算机或服务器，本申请对此不作特别限定。

所述多阵列三维测量系统的拼接标定装置200还可以包括如上述图1到图4所示实施例中的多阵列三维测量系统的拼接标定系统。在具体实现过程中，至少一个处理器201执行所述存储器202存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器201通过所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统执行如图5-图8所述实施例的多阵列三维测量系统的拼接标定方法。

本申请实施例提供的处理器201的具体实现过程可参见上述图4-图6所述实施例的多阵列三维测量系统的拼接标定方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。

可以理解，处理器201可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等。通用处理器可以为微处理器或该处理器也可以为任何常规处理器等。结合本申请所提供的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

所述存储器202可以为高速随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以为非易失性存储(Non-Volatile Memory，NVM)。

所述总线203可以为工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线等。为了便于表示，本申请附图中的总线203并不限定为仅有一根总线或者一种类型的总线。

应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，包括图像获取装置、标定参数获取装置和测量基准统一装置，所述测量基准统一装置与所述图像获取装置和所述标定参数获取装置电连接，其中，

所述图像获取装置，用于扫描获取标定板的多幅三维点云图，并将多幅所述三维点云图传输给所述标定参数获取装置；

所述标定参数获取装置，用于根据多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数，并将所述标定参数传输给所述测量基准统一装置；

所述测量基准统一装置，用于根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个所述图像获取装置的测量基准统一。

2.如权利要求1所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述图像获取装置包括多个相机单元，每个所述相机单元为三维相机。

3.如权利要求2所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述标定参数获取装置包括第一标定参数获取芯片以及第二标定参数获取芯片，其中，

所述第一标定参数获取芯片与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置均电连接，所述第一标定参数获取芯片用于根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数；

所述第二标定参数获取芯片与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置均电连接，所述第二标定参数获取芯片用于根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数。

4.如权利要求3所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述第一标定参数获取芯片包括第一角度计算电路、高度图像修正电路以及第一偏移量计算电路，其中，

所述第一角度计算电路与所述图像获取装置电连接，所述第一角度计算电路用于根据所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的滚转角和俯仰角，并将每个所述相机单元相对标定板坐标系的滚转角和俯仰角传输给所述高度图像修正电路；

所述高度图像修正电路与所述第一角度计算电路电连接，所述高度图像修正电路用于根据接收到的所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图，并将所述第一修正高度图、所述滚转角和所述俯仰角传输给所述第一偏移量计算电路；

所述第一偏移量计算电路与所述高度图像修正电路以及所述测量基准统一装置电连接，所述第一偏移量计算电路用于根据所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的第一方向的偏移量，其中，所述第一标定参数包括所述滚转角、所述俯仰角以及所述第一方向的偏移量。

5.如权利要求3所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述第一偏移量计算电路还用于根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

6.如权利要求4所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述第二标定参数获取芯片包括第二角度计算电路和第二偏移量计算电路，其中，

所述第二角度计算电路与所述图像获取装置电连接，所述第二角度计算电路用于根据所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量；

所述第二偏移量计算电路与所述图像获取装置以及所述测量基准统一装置电连接，用于根据所述三维点云图中的第二原始高度图和第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，其中，所述第二标定参数包括所述偏航角以及所述第二方向的偏移量和所述第三方向的偏移量。

7.如权利要求6所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述第二标定参数获取芯片还包括高度图像拼接电路，其中，所述高度图像拼接电路与所述第二角度计算电路和所述第二偏移量计算电路均电连接，所述高度图像拼接电路用于根据所述第二方向的偏移量、所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

8.如权利要求6所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统，其特征在于，所述第一方向为Z轴方向，所述第二方向可为X轴方向，所述第三方向可为Y轴方向。

9.一种多阵列三维测量系统的拼接标定方法，由上述权利要求1-8任一项所述的多阵列三维测量系统的拼接标定系统执行，其特征在于，所述多阵列三维测量系统的拼接标定方法，包括：

获取标定板的多幅三维点云图；

根据所述标定板的多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数；

根据所述标定参数完成所述多阵列三维测量系统中每个图像获取装置的测量基准统一。

10.如权利要求9所述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法，其特征在于，所述根据所述标定板的多幅所述三维点云图获取所述标定板的相应标定参数，包括，

根据所述三维点云图计算得到相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数；

根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数。

11.如权利要求10所述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法，其特征在于，所述根据所述三维点云图计算得到相机单元相对标定板坐标系的第一标定参数，包括，

根据所述三维点云图中标定板的第一原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的滚转角和俯仰角；

根据所述滚转角和所述俯仰角对所述第一原始高度图进行修正得到第一修正高度图；

根据所述第一修正高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的第一方向的偏移量，其中，所述第一标定参数包括所述滚转角、所述俯仰角以及所述第一方向的偏移量；

根据所述第一方向的偏移量对所述第一修正高度图进行修正得到第二修正高度图。

12.如权利要求11所述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法，其特征在于，所述根据所述三维点云图计算得到所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二标定参数，包括，

根据所述三维点云图中标定板的第二原始高度图和第三原始高度图计算每个所述相机单元相对所述标定板坐标系的偏航角和第三方向的偏移量；

根据所述三维点云图中的所述第二原始高度图和所述第三原始高度图计算所述相机单元相对所述标定板坐标系的第二方向的偏移量，其中，所述第二标定参数包括所述偏航角以及所述第二方向的偏移量和所述第三方向的偏移量；

根据所述第二方向的偏移量和所述偏航角和所述第三方向的偏移量对所述第二原始高度图进行拼接修正得到相应的拼接修正图。

13.一种多阵列三维测量系统的拼接标定装置，其特征在于，包括：至少一个处理器和储存器，至少一个所述处理器执行所述储存器存储的计算机执行指令，至少一个所述处理器执行如权利要求9至12任一项所述的多阵列三维测量系统的拼接标定方法。

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