CN116539068A - 一种视觉测量系统柔性自检调节装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种视觉测量系统柔性自检调节装置及方法，属于视觉测量系统技术领域；解决了基于标定板或相机运动实现刚性校准成本高、难度大的问题；包括视觉测量系统、水平仪、重力传感器，视觉测量系统包括移动支架/载具和相机系统，移动支架/载具上固定有控制盒，控制盒内设置有控制器、存储器，存储器上存储有对视觉测量系统进行柔性自检调节方法的计算机程序，控制器用于执行上述计算机程序，上述计算机程序包括图像处理模块和比对自检模块，图像处理模块用于对相机采集的图像中的畸变和模糊进行处理，比对自检模块用于实现移动支架/载具偏移检测和图像检测比对；本发明应用于视觉测量系统自检调节。
Description
技术领域
本发明提供了一种视觉测量系统柔性自检调节装置及方法，属于视觉测量系统技术领域。
背景技术
视觉测量系统作为无接触测量的重要手段，需要依赖相机本身的参数才能实现较为准确的目标测量。视觉测量系统包括单目视觉测量系统、双目视觉测量系统和多目视觉测量系统，而单目视觉测量系统在测量时主要依赖单个相机本身的参数，即依赖前后帧图像进行深度和距离估计，不需要相机标定和调整。而双目视觉测量系统和多目视觉测量系统的测量效果除了依赖单个相机本身的参数，还受限于多相机之间的参数关系，对这种参数关系和获取的过程就是相机标定。
目前相机标定的处理手段较多，且一般是在视觉测量系统运行之前的静止情况下进行相机标定的，但是视觉测量系统运行之后，特别是户外使用的情况下，系统会存在轻微偏移和扭转，或者鉴于测量需要，系统需要进行移动和旋转等。这种情况下，单个相机本身的参数基本不变化，但是相机之间以及相机系统与世界坐标之间会发生较大变化，需要对标定结果进行自检和反馈，根据检定结果对视觉测量系统进行调整，保证视觉测量系统的准确度和可靠性。
基于标定板或相机运动进行标定或精度检测的手段属于刚性校准，需要经过复杂的标定或者高精度的运动控制系统，校准成本高，难度较大。
发明内容
本发明为了解决基于标定板或相机运动实现刚性校准成本高、难度大的问题，提出了一种视觉测量系统柔性自检调节装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种视觉测量系统柔性自检调节装置，包括视觉测量系统、水平仪、重力传感器，所述视觉测量系统包括移动支架/载具和相机系统，所述相机系统包括导轨，所述导轨固定在移动支架/载具上，所述导轨上设置有至少两个滑台，每个滑台上均安装有增稳云台，滑台与滑台之间能够相向运动，所述增稳云台上固定有相机，所述移动支架/载具上设置有水平仪和重力传感器，所述移动支架/载具上固定有控制盒，所述控制盒上设置有开关，所述控制盒内设置有控制器、存储器，所述控制器通过导线分别与双向导轨的电机控制端、增稳云台控制端、相机、水平仪、重力传感器相连；
所述存储器上存储有对视觉测量系统进行柔性自检调节方法的计算机程序，所述控制器用于执行上述计算机程序，上述计算机程序包括图像处理模块和比对自检模块，所述图像处理模块用于对相机采集的图像中的畸变和模糊进行处理，所述比对自检模块用于实现移动支架/载具偏移检测和图像检测比对，所述比对自检模块中存储有初始刚性标定后的参数作为下一次自检的输入。
所述比对自检模块根据水平仪和重力传感器两者方向的夹角确定移动支架/载具是否需要调节，根据多个相机拍摄的目标的融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，确定增稳云台的旋转状态。
所述移动支架/载具具体采用三脚支架；
所述增稳云台能够调节相机的水平旋转角度和俯仰角度。
一种视觉测量系统柔性自检调节方法，采用视觉测量系统柔性自检调节装置，包括如下步骤：
S1：视觉测量系统按照设定频率进行图像采集，首先通过水平仪和重力传感器两者方向的角度比对，确定移动支架/载具的偏移量，当水平仪与重力传感器的角度为直角时，进入步骤S2，当水平仪与重力传感器的角度不为直角时，通过调整移动支架/载具使水平仪与重力传感器的角度为直角，即调整移动支架/载具为水平的平面；
S2：基于图像进行导轨和增稳云台的调节：采集同一时刻下多个相机不同视图的图像中的目标，分别确定每个视图中目标的质心和中心线，根据每个视图中目标的中心线确定单个相机的增稳云台需要调节的角度，通过每两个视图中目标的质心之间的距离确定两个相机之间的偏移状态。
在进行所述步骤S1之前先对每个相机的视图进行初始刚性标定，得到初始的标定参数，所述标定参数包括两两相机之间的距离、单个相机视图中目标的质心和中心线。
所述步骤S2中采集同一时刻下多个相机不同视图的图像中的目标通过模板匹配的方式实现，找到典型目标，计算目标非遮挡部分的像素宽度和像素高度，在目标像素高度范围内不同高度处确定该高度下的质心，确定至少2个高度处的质心，将质心相连得到目标的中心线。
结合初始标定时得到的标定参数，计算并比对两个相机不同视图中质心位置和中心线的位置，同一目标不同视图的中心线为平行状态，不同视图下目标的质心位置应距离对应视图中心线的距离差不大于0.2倍图像宽度，根据阈值限制进行两个相机之间偏移和单个相机旋转状态的调整。
所述步骤S2中具体通过比对融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，判断视觉系统的旋转调节角度，其中融合视图是两个相机不同视图的匹配结果，融合视图中包含目标的空间信息，计算目标的中心线与重力传感器方向存在角度偏差，根据角度偏差应为0的限制条件，进行视觉系统旋转的调节。
在进行相机视图的初始标定时，还会获取图像的畸变参数，根据畸变参数对图像进行处理后再解算图像中目标的质心和中心线。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过机架偏移对比和图像检测比对，进行视觉测量系统的柔性自检，标定复杂度较低，同时降低了对高精度自标定运动控制平台的需求。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明装置的结构框图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明提供了一种视觉测量系统柔性自检调节装置，包括视觉测量系统、水平仪、重力传感器，所述视觉测量系统包括移动支架/载具和相机系统，所述相机系统包括导轨，所述导轨固定在移动支架/载具上，所述导轨上设置有至少两个滑台，每个滑台上均安装有增稳云台，滑台与滑台之间能够相向运动，所述增稳云台上固定有相机，所述移动支架/载具上设置有水平仪和重力传感器，所述移动支架/载具上固定有控制盒，所述控制盒上设置有开关，开关可以处于一直开的状态，视觉测量系统运行，设定时间间隔或者特定检测情况下视觉测量系统自检，或者也可以设置开关为关状态，视觉测量系统运行，需要校正测量系统时手动打开开关，进行自检调节。所述控制盒内设置有控制器、存储器，所述控制器通过导线分别与双向导轨的电机控制端、增稳云台控制端、相机、水平仪、重力传感器相连；
所述存储器上存储有对视觉测量系统进行柔性自检调节方法的计算机程序，所述控制器用于执行上述计算机程序，上述计算机程序包括图像处理模块和比对自检模块，所述图像处理模块用于对相机采集的图像中的畸变和模糊进行处理，所述比对自检模块用于实现移动支架/载具偏移检测和图像检测比对，所述比对自检模块中存储有初始刚性标定后的参数作为下一次自检的输入。
所述比对自检模块根据水平仪和重力传感器两者方向的夹角确定移动支架/载具是否需要调节，根据多个相机拍摄的目标的融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，确定增稳云台的旋转状态。
所述移动支架/载具具体采用三脚支架；
所述增稳云台能够调节相机的水平旋转角度和俯仰角度。
采用本发明的方法进行视觉测量系统柔性自检调节的原理如下：视觉测量系统运行中按照一定频率进行图像采集，以双目为例，同时采集左右视角两张图像。首先进行移动支架/载具的偏移比对，确定移动支架/载具的视角不偏移，通过加装的重力传感器方向与水平仪角度进行比对，当角度为直角时，进行图像检测比对。图像检测比对是检测和识别左右图像中的目标，确定目标的质心和中心线，该处的中心线就是目标所在区域两个高度质心的连线，为目标的中心线。将目标的中心线与重力传感器的垂直方向进行比对，确定视觉测量系统的偏移方向，并给出调整策略。图像检测和识别采用模板匹配的方式查找视野内目标；针对目标在图像的不同位置，加入畸变的影响。
本发明提出的视觉测量系统柔性自检调节方法包括两大步骤。一是对移动支架/载具偏移的检测，通过重力传感器方向和水平仪方向进行角度比对，垂直时进行图像检测比对，非垂直状态时调整水平仪至两者垂直。二是基于图像进行视觉测量系统的平移和旋转调整，其中平移是相机相对移动支架/载具的移动，主要是相机之间的距离，以确保相机之间有足够的视野重叠；旋转是移动支架/载具水平方向的旋转或者单个相机的旋转。通过检测同一时刻下不同视图采集的图像中的目标，确定目标的质心和中心线，得到相机之间的偏移状态和单个相机的旋转状态；通过比对融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，确定相机系统的旋转状态。
检测同一时刻下不同视图采集的图像中的目标通过模板匹配的方式，找到典型目标，比如支柱绝缘子。计算目标非遮挡部分的像素宽度和像素高度，在目标像素高度范围内不同高度处确定该高度下的质心，确定至少2个高度处的质心，将质心相连得到目标的中心线。不同视图中进行同样操作，得到不同视图中目标的质心和中心线。结合初始标定时得到的标定参数，计算并比对不同视图中质心位置和中心线的位置，同一目标不同视图的中心线应是平行状态，不同视图下目标的质心位置应距离对应视图中心线的距离差不大于0.2倍图像宽度，根据阈值限制进行相机之间偏移和单个相机旋转状态的调整。
比对融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，融合视图是两个相机采集的不同视图的匹配结果，融合视图中包含目标的空间信息，目标检测识别后得到目标的中心线，中心线与重力传感器方向存在角度偏差，根据角度偏差应为0的限制条件，进行相机系统旋转的调节。
典型目标在视图中的位置不一定位于图像中心，在图像边缘时，会有不同程度的形变，加入初始标定时获取的畸变参数，对图像进行处理，处理后再解算图像目标的质心和中心线。
本发明提出的视觉测量系统柔性自检调节装置，包括视觉测量系统、水平仪、重力传感器、图像处理模块、比对自检模块。图像处理模块主要是考虑边缘成像造成的畸变、雨雾天气因素造成的图像成像模糊等的处理。比对自检模块是进行移动支架/载具偏移检测和图像检测比对的，比对自检模块中保存初始刚性标定后的标定参数，通过解算和调节后，保存自检完成后的标定参数，作为下一次自检的输入。自检调节装置在系统运行中以及光照不充足时处于关闭状态，通过系统任务运行计算量和外界环境检测，当运行计算量低于40%，外界图像采集无雨雾时开启自检，也可通过手动模块开启自检。
本发明主要针对处于同一水平面上的双目视觉测量系统或多目视觉测量系统，当对双目视觉测量系统进行自检调节时，导轨可以直接采用双向导轨，例如精密CK120正反牙直线滑台，在需要调节两个相机之间的偏移距离时，可以通过双向导轨的电机调节两个相机之间的距离。而对于多目视觉测量系统，其采用的导轨可以根据情况定制或采用现有产品的组合，只要能够实现两两电机之间的距离可调即可。
本发明中采用的移动支架/载具可以为三脚架，或者其他能够调节的支架，主要作用是承载相机系统，并保持其平面为水平的，为了调节移动支架/载具为水平面，设置了水平仪和重力传感器，重力传感器的重力方向始终是垂直向下的，而通过水平仪与重力传感器两者之间的夹角即可确定水平仪偏移的角度，调整移动支架/载具使水平仪为水平状态即可保证移动支架/载具为水平的。
本发明中的增稳云台可以采用FY-SP1510型号的云台，最大承载10Kg；多种镜头预置位自适应功能；重复定位精度高，可达±0.1°；外壳采用高强度铝合金压铸材料；水平0～360°连续旋转；防护等级最高可达IP67；双外壳维护方便；能够满足正常的测量需求以及自检调节的使用。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种视觉测量系统柔性自检调节装置，其特征在于：包括视觉测量系统、水平仪、重力传感器，所述视觉测量系统包括移动支架/载具和相机系统，所述相机系统包括导轨，所述导轨固定在移动支架/载具上，所述导轨上设置有至少两个滑台，每个滑台上均安装有增稳云台，滑台与滑台之间能够相向运动，所述增稳云台上固定有相机，所述移动支架/载具上设置有水平仪和重力传感器，所述移动支架/载具上固定有控制盒，所述控制盒上设置有开关，所述控制盒内设置有控制器、存储器，所述控制器通过导线分别与双向导轨的电机控制端、增稳云台控制端、相机、水平仪、重力传感器相连；
所述存储器上存储有对视觉测量系统进行柔性自检调节方法的计算机程序，所述控制器用于执行上述计算机程序，上述计算机程序包括图像处理模块和比对自检模块，所述图像处理模块用于对相机采集的图像中的畸变和模糊进行处理，所述比对自检模块用于实现移动支架/载具偏移检测和图像检测比对，所述比对自检模块中存储有初始刚性标定后的参数作为下一次自检的输入。
2.根据权利要求1所述的一种视觉测量系统柔性自检调节装置，其特征在于：所述比对自检模块根据水平仪和重力传感器两者方向的夹角确定移动支架/载具是否需要调节，根据多个相机拍摄的目标的融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，确定增稳云台的旋转状态。
3.根据权利要求1所述的一种视觉测量系统柔性自检调节装置，其特征在于：所述移动支架/载具具体采用三脚支架；
所述增稳云台能够调节相机的水平旋转角度和俯仰角度。
4.一种视觉测量系统柔性自检调节方法，采用如权利要求1-3任一项所述的视觉测量系统柔性自检调节装置，其特征在于：包括如下步骤：
S1：视觉测量系统按照设定频率进行图像采集，首先通过水平仪和重力传感器两者方向的角度比对，确定移动支架/载具的偏移量，当水平仪与重力传感器的角度为直角时，进入步骤S2，当水平仪与重力传感器的角度不为直角时，通过调整移动支架/载具使水平仪与重力传感器的角度为直角，即调整移动支架/载具为水平的平面；
S2：基于图像进行导轨和增稳云台的调节：采集同一时刻下多个相机不同视图的图像中的目标，分别确定每个视图中目标的质心和中心线，根据每个视图中目标的中心线确定单个相机的增稳云台需要调节的角度，通过每两个视图中目标的质心之间的距离确定两个相机之间的偏移状态。
5.根据权利要求4所述的一种视觉测量系统柔性自检调节方法，其特征在于：在进行所述步骤S1之前先对每个相机的视图进行初始刚性标定，得到初始的标定参数，所述标定参数包括两两相机之间的距离、单个相机视图中目标的质心和中心线。
6.根据权利要求5所述的一种视觉测量系统柔性自检调节方法，其特征在于：所述步骤S2中采集同一时刻下多个相机不同视图的图像中的目标通过模板匹配的方式实现，找到典型目标，计算目标非遮挡部分的像素宽度和像素高度，在目标像素高度范围内不同高度处确定该高度下的质心，确定至少2个高度处的质心，将质心相连得到目标的中心线。
7.根据权利要求6所述的一种视觉测量系统柔性自检调节方法，其特征在于：结合初始标定时得到的标定参数，计算并比对两个相机不同视图中质心位置和中心线的位置，同一目标不同视图的中心线为平行状态，不同视图下目标的质心位置应距离对应视图中心线的距离差不大于0.2倍图像宽度，根据阈值限制进行两个相机之间偏移和单个相机旋转状态的调整。
8.根据权利要求7所述的一种视觉测量系统柔性自检调节方法，其特征在于：所述步骤S2中具体通过比对融合视图中目标中心线与重力传感器方向之间的角度，判断视觉系统的旋转调节角度，其中融合视图是两个相机不同视图的匹配结果，融合视图中包含目标的空间信息，计算目标的中心线与重力传感器方向存在角度偏差，根据角度偏差应为0的限制条件，进行视觉系统旋转的调节。
9.根据权利要求8所述的一种视觉测量系统柔性自检调节方法，其特征在于：在进行相机视图的初始标定时，还会获取图像的畸变参数，根据畸变参数对图像进行处理后再解算图像中目标的质心和中心线。
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