CN114565676A - 红外相机标定装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例适用于机器视觉技术领域，提供了一种红外相机标定装置，包括标定板、红外光源和红外相机；其中：所述标定板由底板和贴覆于所述底板正面上的膜片组成，所述底板为透明底板，所述膜片被划分为多个面积相等的棋盘格，所述棋盘格上间隔均匀地喷镀有喷镀材料，所述喷镀材料用于在对应的所述棋盘格区域阻止红外光透过所述底板；所述红外光源布设于所述底板背面一侧，用于从与所述标定板相距第一距离处照射所述标定板；所述红外相机布设于所述标定板正面一侧，用于从与所述标定板相距第二距离处对所述标定板进行拍摄，得到多张棋盘格图像，并根据多张所述棋盘格图像进行相机标定。采用上述装置，可以提高红外相机标定的精确度。

Description

红外相机标定装置

技术领域

本申请实施例属于机器视觉技术领域，特别是涉及一种红外相机标定装置。

背景技术

近年来，基于红外相机的机器视觉系统在工业、农业、交通和医疗健康等领域得到了越来越多的应用，如手术定位导航仪、移动机器人定位导航、红外图像分析测量、红外热像仪、红外夜视仪等。为了保证这一类系统的高效可靠运行，对相机进行标定是必不可少的环节。通过标定获得相机内、外参数和畸变系数，可以用于建立相机成像的几何模型。系统可以根据这一模型实现相关计算和各种功能。

以红外相机在医疗领域的一种应用为例。双目红外相机可以组成定位跟踪仪，用于骨科手术机器人的定位导航。该跟踪仪由红外光源和红外相机组成。其中，红外光源由圆环形红外发光二极管(light-emitting diode，LED)分布阵列组成，布置在红外相机圆周边；红外相机由相机前加匹配红外光源的红外滤光片实现。由红外光源发光照射手术器械上的圆形红外反光标识靶，红外相机再对这些标识靶进行拍摄，通过发现这些标识靶的中心坐标即可计算手术器械的位置和姿态参数，实现定位。由于手术过程中对于定位导航精度的要求较高，因此对红外相机的标定也提出了更高的要求。

相机标定装置一般由标定板、支架和相机组成，传统的双目相机标定装置采用黑白棋盘格、圆形斑、圆网格等作为标定板，相机方面使用光学相机拍摄标定板，通过采集多幅图像后进行相机相关内外参标定计算，确定相机成像的几何模型。普通可见光相机标定可以采用周边可见光源照射标定板，即可获得标定板的图案。但是，红外相机滤除了可见光，即不能采用普通环境光获取图像图案，必须采用红外光源照射标定板，才能获得合适的标定板图案。在实践中，申请人发现，采用红外相机周边的红外光源照射标定板时，会存在明显的镜面反射现象，造成相机拍摄的图像中图案的边界被干扰而不清晰，不能完成准确的标定。为此，有研究人员采用标定时将红外滤光片移除，采用可见光对相机进行标定，而在相机工作时再加上红外滤光片。但是，申请人发现，这种方法会造成一定的误差而降低系统的定位精度。另外，标定板的位置在双目相机的视野里不确定，使得标定板在相机上的图像大小并不固定，没有分布均匀，这也会使得标定结果不理想，造成在某些区域的定位出现较大误差。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种红外相机标定装置，用以准确地对红外相机进行标定，提高相机标定的精确度。

本申请实施例提供了一种红外相机标定装置，该装置包括标定板、红外光源和红外相机；其中：

所述标定板由底板和贴覆于所述底板正面上的膜片组成，所述底板为透明底板，所述膜片被划分为多个面积相等的棋盘格，所述棋盘格上间隔均匀地喷镀有喷镀材料，所述喷镀材料用于在对应的所述棋盘格区域阻止红外光透过所述底板；

所述红外光源布设于所述底板背面一侧，用于从与所述标定板相距第一距离处照射所述标定板；

所述红外相机布设于所述标定板正面一侧，用于从与所述标定板相距第二距离处对所述标定板进行拍摄，得到多张棋盘格图像，并根据多张所述棋盘格图像进行相机标定。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述底板可以为亚克力材料的透明底板，所述底板的四周边上可以固定有金属条，所述膜片可以平整地贴覆于所述底板正面。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述底板的形状可以为正方形。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述膜片的底色可以为红外透明色，未喷镀有所述喷镀材料的所述棋盘格区域的红外光透过率应当大于预设阈值。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述膜片上每一行的多个所述棋盘格的数量可以是相等的，所述膜片上每一列的多个所述棋盘格的数量也可以是相等的。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述膜片上每一行的多个所述棋盘格的数量可以介于12格到16格之间；所述膜片上每一列的多个所述棋盘格的数量也可以介于12格到16格之间。示例性地，每一行或每一列的多个所述棋盘格的数量均可以为14格。

在本申请实施例的一种实现方式中，布设于所述标定板背面一侧的所述红外光源的数量可以为两个，两个所述红外光源可以均为发光二极管红外光源。

在本申请实施例的一种实现方式中，两个所述红外光源可以分别固定于脚架上，两个所述红外光源的亮度、与所述标定板相距的所述第一距离，以及照射所述标定板的角度均可调节。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述标定板的左右边端也可以固定于脚架上，通过调节所述脚架可以实现对所述标定板的倾角的调节。

在本申请实施例的一种实现方式中，所述红外相机可以为双目红外相机，多张所述棋盘格图像可以为所述双目红外相机对处于不同角度的所述标定板进行拍摄得到的图像，所述双目红外相机可以用于根据多张所述棋盘格图像中的角点进行相机标定，所述角点可以是指喷镀有所述喷镀材料的棋盘格与未喷镀所述喷镀材料的棋盘格之间的交叉点。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供的红外相机的标定装置通过将红外相机和红外光源分别布设于标定板的正面和背面，使红外光源采用背投照射的方式照射标定板，避免了红外光源从标定板的正面一侧照射而出现的镜面反射现象；其次，本申请实施例通过在标定板膜片上间隔均匀地喷镀上喷镀材料，可以形成类似黑白棋盘格的标定板，背投式的红外光源照射该标定板后，可以在红外相机的图像上形成均匀的亮度分布图像，提高了黑白棋盘格边界与角点的对比度，有助于相机获得高精度的内外参数，进而保证了相机的标定精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅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是本申请实施例提供的一种红外相机标定装置的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种标定板棋盘格的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种红外相机标定方法的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

参照图1，示出了本申请实施例提供的一种红外相机标定装置的示意图，该装置具体可以包括标定板、红外光源和红外相机。

其中，标定板可以由底板和贴覆于该底板的正面上的膜片组成。本申请实施例中的底板可以为透明底板，膜片可以被划分为多个面积相等的棋盘格，该棋盘格上间隔均匀地喷镀有喷镀材料，这些喷镀材料可以用于在对应的棋盘格区域阻止红外光透过底板。

红外光源可以布设于标定板的背面一侧，用于从与标定板相距一定距离，例如第一距离处照射标定板。

红外相机可以布设于标定板的正面一侧，用于从与标定板相距一定距离，例如第二距离处对标定板进行拍摄，得到多张棋盘格图像。红外相机可以根据多张棋盘格图像进行相机标定。

本申请实施例提供的红外相机的标定装置通过将红外相机和红外光源分别布设于标定板的正面和背面，使红外光源采用背投照射的方式照射标定板，避免了红外光源从标定板的正面一侧照射而出现的镜面反射现象；其次，本申请实施例通过在标定板膜片上间隔均匀地喷镀上喷镀材料，可以形成类似黑白棋盘格的标定板，背投式的红外光源照射该标定板后，可以在红外相机的图像上形成均匀的亮度分布图像，提高了黑白棋盘格边界与角点的对比度，有助于相机获得高精度的内外参数，进而保证了相机的标定精度。

下面分别对本申请实施例提供的红外相机标定装置中的标定板、红外光源和红外相机进行介绍。

在本申请实施例中，标定板可以由底板和贴覆于底板的正面上的膜片组成。在一种示例中，该底板可以是采用亚克力材料制作的透明底板，即亚克力底板。该亚克力底板的四周边上可以固定有金属条，以保证亚克力底板的平整度。另一方面，贴覆于底板的正面上的膜片应当平整紧贴亚克力底板。这样，可以保证整个标定板的平整度。

用于贴覆于底板正面的膜片，其底色可以是红外透明色。在膜片上未喷镀有任何其他材料时，膜片具有较高的红外光透过率。

在本申请实施例中，膜片可以被划分为多个面积相等的棋盘格。这些棋盘格上可以间隔均匀地喷镀有喷镀材料。

如图2所示，是本申请实施例提供的一种标定板棋盘格的示意图。以图2中的标定板为例，该标定板的底板的形状可以是正方形的。因此，贴覆于底板上的膜片也可以是正方形的。对于正方形的膜片，可以按照图2中所示的每一行及每一列均包括14个棋盘格的形式来对膜片进行划分。

划分完成后的膜片可以被间隔均匀地喷镀上喷镀材料。该喷镀材料可以是黑色的涂料或其他类型的材料，从而形成如图2所示黑白相间的棋盘格。图2中所示的黑色棋盘格即是在膜片上喷镀有喷镀材料的棋盘格，这些黑色的棋盘格的红外光透过率应当尽可能地低，以阻止红外光从黑色棋盘格区域透过底板。图2中膜片的白色棋盘格则是未喷镀任何材料的棋盘格，白色棋盘格区域的红外光透过率与膜片底色的红外光透过率相等，应当尽可能地高。

需要说明的是，图2中所示的每一行及每一列均为14个棋盘格的标定板仅为一种示例。标定板上棋盘格的个数及尺寸可以根据待标定的红外相机的参数来确定，主要取决于待标定的红外相机的工作范围。本申请实施例对棋盘格的个数及尺寸均不作限定。

在本申请实施例中，膜片上每一行的棋盘格的数量应当是相等的，膜片上每一列的棋盘格的数量也应当是相等。在一个示例中，膜片上每一行的多个棋盘格的数量可以介于12格到16格之间；膜片上每一列的多个棋盘格的数量也可以介于12格到16格之间，从而形成适当数量的黑白方格交叉的角点。该角点可以是指喷镀有喷镀材料的棋盘格与未喷镀任何喷镀材料的棋盘格之间的交叉点。

标定板的尺寸大小可以根据红外相机视场范围以及工作距离(相机物距)来确定。在一个示例中，相机物距为2米(m)时，该红外相机的视场范围为0.84m×0.84m，若按照图2所示，在每一行或每一列布设各7格的黑白格，则每个棋盘格的边长为60毫米(mm)。

由于红外光源对标定板的正面进行照射会出现镜面反射现象，使得黑白格边界模糊而不能准确地用于相机标定。因此，在本申请实施例中，可以采用背投方法，将红外光源布设于标定板的背面一侧，使红外光源能够从背面照射标定板，红外相机拍摄到的即是透过标定板的图像图案。这样，明显地提高了标定板棋盘格图案的边界对比度和清晰度，从而可以采集到精度较高的角点位置信息，有助于提高相机标定的精度。

在本申请实施例中，布设于标定板背面一侧的红外光源的数量可以为两个。即在进行相机标定时，使用两个红外光源照射标定板。上述两个红外光源均可以是发光二极管红外光源。

两个红外光源可以分别固定于脚架上。这样，两个红外光源的亮度、其与标定板相距的第一距离，以及照射标定板的角度均可调节。其中，红外光源的亮度可由红外光源的可调电源输出来实现调节，红外光源与标定板之间的距离可以通过移动脚架来实现调节，红外光源照射标定板的角度则可以由脚架上的固定机构实现调节。通过调节两个红外光源的亮度、其与标定板相距的第一距离，以及照射标定板的角度，可以保证红外相机拍摄到的图像具有较为合适的亮度均匀性和对比度。

在本申请实施例中，标定板也可以采用脚架固定。具体地，可以将标定板的左右边端固定于脚架上。这样，标定板就可以正对红外相机，并保证标定板中间有效区域的红外光不被遮挡。同时，脚架上的标定板的倾角也是可调节的，标定板的倾角可以通过调节脚架实现。通过调整标定板的倾角，可以使得红外相机能够采集到不同区域和不同角度的角点，用于后续的标定。

通常，红外相机与标定板之间应当保持一定距离。例如，红外相机在距标定板第二距离处对标定板上的棋盘格进行拍摄。红外相机与标定板之间的距离可以依据红外相机的工作距离及范围决定。

在本申请实施例的一个示例中，待标定的红外相机可以是双目红外相机。一般地，双目红外相机的工作距离与其两个相机的照射汇聚角相关，由此可确定双目红外相机与标定板之间的距离。

在本申请实施例中，红外相机在根据拍摄得到的图像进行标定时，可以采用“张氏标定法”。张氏标定法相机标定普遍采用的方法，它是一种通过采集棋盘格角点来进行标定的方法。张氏标定法的标定过程仅需使用一个打印出来的棋盘格，并从不同方向拍摄几组图片即可，任何人都可以制作标定图案，不仅实用灵活方便，而且精度较高，鲁棒性较好。

在本申请实施例中，为了保证标定图像不同区域的标定精度，可以控制红外相机分别采集标定板在不同距离和不同角度下的棋盘格图像，并使标定板棋盘格尽量充满整个拍摄屏幕。示例性地，可以调节标定板的倾角。例如将标定板分别向左、向右、向前、向后倾斜，并在每个方向上倾斜多个角度，如±5度、±10度、±15度、±20度、±30度等等，然后控制相机在多个方向、多个倾斜角度下的棋盘格图像，并保证标定板棋盘格尽量充满红外相机的整个拍摄屏幕。

需要说明的是，为了保证红外相机对各个区域和角度都能进行有效的标定，一般需要采集足够多的棋盘格图像，用以标定。例如，采集20幅以上不同角度的棋盘格图像。另一方面，对红外相机进行标定时，应当尽量在室内进行，以避免阳光及周边其他光源对红外光源的干扰。

相较于传统的相机标定，本申请实施例可以采用红外光源背投光照射黑白棋盘格标定板的标定方式，实现了红外相机的直接标定，也解决了红外光源从标定板正面直射式地照射标定板存在镜面反射的问题，有助于红外相机拍摄到清晰的图像，具有较高的黑白角点的位置采集精度。

其次，本申请实施例中，背投式红外光源的布设位置和照射角度调节方便且有效，使得在标定板图像有效区域上有均匀的亮度分布，提高了黑白棋盘格边界与角点的对比度，从而保证了红外相机的标定精度。

第三，本申请实施例所设计的标定板棋盘格的数量和大小范围与相机采集图像的工作范围保持一致，从而保证了相机标定的内外参数对区域性精度和适应性的要求。

第四，本申请实施例提供的红外相机标定装置主要由标定板和红外光源组成，系统可靠、实现简单、成本较低；申请人经过大量实验，其结果均表明该标定装置能够为红外相机提供较高的标定精度。

第五，本申请实施例中的标定板采用亚克力材料的底板，使得标定板具有一定的厚度；并且，底板周边采用金属条固定，可以保证标定板的平整度，有助于取得较为理想的角点位置的提取精度。

参照图3，示出了本申请实施例提供的一种红外相机标定方法的流程示意图，该方法可以通过应用图1所示的红外相机标定装置来实现相机标定。图1所示的红外相机标定装置由两个红外光源、标定板、红外相机三部分组成。图中左侧为红外光源，形状为圆环形，其底端用三角支架固定，照射角度可任意调节，发出的红外光照射在标定板上。红外相机置于标定板右侧，经过红外光源照射的标定板会让相机得到亮度适中且分布均匀的棋盘格图像。

为实现图3所示的红外相机标定，首先需要设计制作标定板底板。该底板可以由透明的亚克力板组成，亚克力板的四周边上可以用金属条固定以保证底板的平整度。然后，选择标定板上棋盘格的个数和尺寸。通常，棋盘格的个数和尺寸主要取决于待标定的相机的工作距离与范围，棋盘格的上下或左右格数要适当(例如，可选12到16格)，从而形成适当数量的黑白角点数。标定时应当尽量让标定板图案充满相机拍摄的整个图像，这样根据相机视场范围和工作距离就可确定棋盘格的尺寸大小。最后，还需设计制作棋盘格膜片。膜片的底色可以为红外透明色，红外光透过率应当较高；在其面上喷镀上尺寸精确且间隔均匀的黑色方格，其黑色区域喷镀材料的红外光透过率应当尽可能地低。膜片应当平整地贴覆在标定板底板上，从而形成黑白相间的正方形棋盘格标定板。

如图3所示，应用上述形成的棋盘格标定板进行相机标定的具体流程可以包括：

S301、开启相机并摆放红外光源和标定板：采用背投方法，红外光源从背面照射标定板，红外相机拍摄的是透过标定板的图像。标定应在室内进行，应避免太阳光和其他周边光源对红外光源的干扰。

S302、标定板固定在可调角度的脚架上，调整红外相机与标定板之间的距离：红外相机与标定板之间的距离依据双目相机的工作距离与范围决定。一般地，双目相机的工作距离与两个相机的照射汇聚角相关，由此可确定相机与标定板间距离。

S303、使用两个LED红外光源照射标定板背面一侧：红外光源各自固定在三脚架上，并从标定板背面照射标定板。

S304、调整红外光源的角度，使红外光源的照射亮度、均匀度、对比度较为合适：投影光源照射标定板的亮度、距离及角度可任意调节，这样使标定板上的图像具有合适的亮度、均匀性和对比度，随后固定红外光源位置、方向和亮度。

S305、调节标定板角度，采集足够数量的不同角度下拍摄得到的图片：棋盘格标定板可以采用两边边端固定方式进行固定，中间有效区域应当保证红外光不被遮挡。同时，标定板的倾角可调(向左、向右、向前、向后倾斜，如±5度、±10度、±15度、±20度、±30度等)，保证相机各个区域和角度都能标定。为了对相机各个区域和角度都能有效标定，一般要采集足够多(20幅以上不同角度)的棋盘格图像，用以标定。标定过程中应去除误差较大的图片

S306、采用“张氏标定法”进行标定：利用采集棋盘格角点进行标定，在MATLAB中“张氏标定法”的软件工具箱下进行标定。

本申请实施例提供的红外相机标定装置主要用于红外相机的标定，从而确定红外相机内参和外参。相机标定是机器视觉的一个基础步骤。为了精确地进行图像处理和视觉计算，相机标定是必需的前提。本申请实施例提供的红外相机标定装置可应用于医疗、军事、航空、遥感、工业、农业等行业，例如手术机器人定位导航、移动机器人视觉导航、红外图像分析测量、红外热像仪、红外夜视仪等等。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外相机标定装置，其特征在于，包括标定板、红外光源和红外相机；其中：

所述标定板由底板和贴覆于所述底板正面上的膜片组成，所述底板为透明底板，所述膜片被划分为多个面积相等的棋盘格，所述棋盘格上间隔均匀地喷镀有喷镀材料，所述喷镀材料用于在对应的所述棋盘格区域阻止红外光透过所述底板；

所述红外光源布设于所述标定板背面一侧，用于从与所述标定板相距第一距离处照射所述标定板；

所述红外相机布设于所述标定板正面一侧，用于从与所述标定板相距第二距离处对所述标定板进行拍摄，得到多张棋盘格图像，并根据多张所述棋盘格图像进行相机标定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底板为亚克力材料的透明底板，所述底板的四周边上固定有金属条，所述膜片平整地贴覆于所述底板正面。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述底板的形状为正方形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述膜片的底色为红外透明色，未喷镀有所述喷镀材料的所述棋盘格区域的红外光透过率大于预设阈值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述膜片上每一行的多个所述棋盘格的数量相等，所述膜片上每一列的多个所述棋盘格的数量相等。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述膜片上每一行的多个所述棋盘格的数量介于12格到16格之间；所述膜片上每一列的多个所述棋盘格的数量介于12格到16格之间。

7.根据权利要求1-3或5-6任一项所述的装置，其特征在于，布设于所述标定板背面一侧的所述红外光源的数量为两个，两个所述红外光源均为发光二极管红外光源。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，两个所述红外光源分别固定于脚架上，两个所述红外光源的亮度、与所述标定板相距的所述第一距离，以及照射所述标定板的角度均可调节。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述标定板的左右边端固定于脚架上，通过调节所述脚架实现对所述标定板的倾角的调节。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述红外相机为双目红外相机，多张所述棋盘格图像为所述双目红外相机对处于不同角度的所述标定板进行拍摄得到的图像，所述双目红外相机用于根据多张所述棋盘格图像中的角点进行相机标定，所述角点为喷镀有所述喷镀材料的棋盘格与未喷镀所述喷镀材料的棋盘格之间的交叉点。

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