CN206441238U - 标定板和标定系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供的一种标定板，涉及相机标定技术领域。所述标定板包括至少三个相互异面的标定块，所述标定块均为板状结构，至少三个所述标定块形成多面体结构，每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识。为了使得相机根据所采集的图形进行标定，区分不同标定块内的图像，在每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识，以便根据每个标定块的标识去识别不同的标定块。所述标定板设置于支撑架的标定端，待标定的相机设置于拍摄端。拍摄端的相机拍摄标定端的多面体状的标定板，仅采集较少的图片即可实现相机参数的标定，方便了大规模的标定操作，减少了移动所产生的误差，提高了标定效率和准确率。

Description

标定板和标定系统
技术领域
本实用新型涉及相机标定技术领域，具体而言，涉及标定板和标定系统。
背景技术
相机标定是一种获取相机内参(焦距，投影中心，畸变参数等)以及相机外参(两相机或多相机之间的旋转平移关系)的方法，此方法通常使用制作精度较高的标定板，结合特定的标定板检测算法和标定算法进行相机参数计算。标定板通常使用棋盘格标定板、圆点标定板、marker标定版等。
现在比较成熟的标定算法为张正友标定算法，该方法的标定板简单，标定精度高。该方法需要采集不同方向的标定板图像，通常需要采集3张以上标定板图像，这就需要维持标定板不动，相机在至少3个不同方向上采集标定板图像(或者维持相机不动，标定板在至少3个不同方向上让相机采集标定板图像)，而且必须采集完整的标定板图像，如果只采集到部分标定板图像则该图像无效需要重新采集。
实用新型内容
本实用新型提供标定板和标定系统，旨在改善上述问题。
本实用新型的实施例提供的一种标定板，所述标定板包括至少三个相互异面的标定块，至少三个所述标定块形成多面体结构，每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识。
本实用新型的实施例提供的一种标定系统，包括支撑架、用于放置需要标定的相机摄像头的搁板和上述的标定板，所述支撑架包括相向设置的标定端和拍摄端，所述标定板设置于所述支撑架的标定端，所述搁板设置于所述支撑架的拍摄端。
上述本实用新型提供的标定板，应用于本实用新型实施例提供的标定系统。为了满足现有标定算法中多个标定面综合标定的要求，设置所述标定板包括至少三个相互异面的标定块，并且所包含的至少三个标定块形成多面体结构，以使待标定的相机能在同一角度采集到包括至少三个标定面内的图形。为了使得相机根据所采集的图形进行标定，区分不同标定块内的图像，在每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识，以便根据每个标定块的标识去识别不同的标定块。所述标定板设置于支撑架的标定端，待标定的相机设置于拍摄端。拍摄端的相机拍摄标定端的多面体状的标定板，仅采集较少的图片即可实现相机参数的标定，方便了大规模的标定操作，减少了移动所产生的误差，提高了标定效率和准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本实用新型第一实施例提供的标定板的第一结构示意图；
图2为本实用新型第一实施例提供的标定板的第二结构示意图；
图3为本实用新型第二实施例提供的标定系统结构示意图。
附图标记汇总：
标定板100；
中心标定块120；
侧标定块140，内连接边142，侧连接边144，外连接边146；
标定图案160；标识180；
标定系统200；
支撑架220，标定端222，拍摄端224；
搁板240，拍摄孔242。
具体实施方式
本领域技术人员长期以来一直在寻求一种改善该问题的工具或方法。
鉴于此，本实用新型的设计者通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，得出本方案所示的较佳标定板。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
相机标定是一种获取相机内参以及相机外参的方法。其中，相机内参包括：焦距，投影中心，畸变参数等。相机外参为两相机或多相机之间的旋转平移关系。相机标定获取相机参数的方法通常使用制作精度较高的标定板，结合特定的标定板检测算法和标定算法进行相机参数计算。相机标定过程中主要涉及的相机坐标系、世界坐标系、图像坐标系及单应性等。
相机坐标系：相机坐标系的原点为相机的光心，x轴、y轴与图像的X、Y轴平行，z轴为相机光轴，它与图形平面垂直。光轴与图像平面的交点，即为图像坐标系的原点，构成的直角坐标系为相机坐标系。
世界坐标系：在环境中选择一个参考坐标系来描述相机和物体的位置，相机坐标系和世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。
图像坐标系：以图像左上方为原点的坐标系(此坐标系以像素为单位)。
单应性：在计算机视觉中被定义为一个平面到另一个平面的投影映射。
图像平面与标定板平面的单应性满足：
其中m的齐次坐标表示图像平面的像素坐标(u,v,1)，M的齐次坐标表示世界坐标系的坐标点(X,Y,Z,1)。A[R t]为投影矩阵，R表示旋转矩阵、t表示平移矩阵、s表示尺度因子。A表示相机内参，具体表达式如下：
由于像素不是标准的正方形，γ代表像素点在x、y方向上尺度的偏差。
由于单张标定板是平面，所以可以把世界坐标系构造在Z＝0的平面上，然后进行单应性计算，令Z＝0可以将上式转换为如下形式：
单应性矩阵：H＝A[r1 r2 t]，即：其中，H是一个3*3的矩阵，且有一个元素是作为其次坐标，因此H有8个未知量待解。
由于(u,v)是像素坐标，(X,Y)为自定义世界坐标，通过上式我们可以获得两组方程，现在有8个未知量需要求解，所以至少需要八个方程，即4个对应点可算出图像平面到世界平面的单应性矩阵H。
将单应矩阵H写成三个列向量形式：H＝[h1 h2 h3]
即：[h1 h2 h3]＝λA[r1 r2 t]
约束：r1，r2正交得r1r2＝0。
旋转向量模为1，即|r1|＝|r2|＝1。
因此可以得到下面两个式子：
由于h1，h2可以通过单应性求解，未知量只有内参矩阵A，包括5个参数：α、β、γ、u0、v0。要求解5个未知量需要3个单应性矩阵，即6个方程，也就是三幅标定板图像，可以通过改变相机与标定板相对位置与方向来获得至少三张不同的照片。在一种实施方式中，单目标定需要1张图片，双目标定需要两张图片
第一实施例
请参见图1和图2，为本实用新型第一实施例提供的标定板100的结构示意图。所述标定板100包括至少三个相互异面的标定块，所述标定块均为板状结构，五个述标定块形成多面体结构。
在一种实施方式中，标定板包括至少三个相互异面的结构。异面结构越多，相机标定进度会越高。受限于相机进度要求，标定板的异面的标定块的数量不能无限增加。所述标定板100的五个相互异面的标定块可以包括一个中心标定块120和四个侧标定块140。所述中心标定块120作为所述标定板100的中心结构，四个所述侧标定块140分别设置于所述中心标定块120的周围。
所述中心标定块120可以为方形结构，所述方形结构的所述中心标定块120的边缘长度设为第一长度值。所述中心标定块120包括标定面和非标定面，所述标定面上设置有用于标定的标定图案160，所述标定图案160一般优选为易识别图案，例如方形圆形或者原形图案。所述标定面为所述标定块上除所述标定面之外的其它端面，所述非标定面不参与标定过程，其具体设置结构不作限定。
所述侧标定块140包括内连接边142、侧连接边144和外连接边146，所述内连接边142和所述外连接边146均为一条完整的边缘或者多段连续的边缘结构。所述侧连接边144一般为相对设置的两条，用于分别与其两侧的侧连接块的侧连接块连接。所述内连接边142和所述外连接边146分别设置于两条所述侧连接边144的两端。一般地，所述内连接边142与所述中心标定块120的边缘连接，所述外连接边146作为所述标定板100的外边缘。所述侧标定块140的内连接边142与所述中心标定块120的边缘异面连接，相邻所述侧标定块140的相邻侧连接边144之间异面连接。
在一种实施方式中，所述侧标定块140可以为梯形结构，四个所述侧标定块140均为梯形结构，所述梯形结构的侧标定块140优选为尺寸和形状均相同的标定块。所述梯形结构的侧标定块140的较短的边作为所述内连接边142，较长的边作为所述外连接边146。为了将所述侧标定块140与所述中心标定块120较好地贴合，优选所述中心标定块120的边缘长度与所述梯形结构的侧标定块140的长度均为所述第一连接边。所述侧标定块140为等腰梯形结构，相邻侧标定块140的相邻侧连接边144之间异面连接。
为了更准确得识别不同标定块上的像素点，将中心标定块120和四个所述侧标定块140的标定面上设置的用于定位坐标的标定图案160的图案内容均设置为不相同。为了保持统计的定位标准和校准及投影的一致性，将中心标定块120和四个所述侧标定块140上的标定图案160的大小均设置为相同。
在一种实施方式中，所述方形结构的中心标定块120上设置的所述标定图案160的排布为5*5，即为设置5行和5列的标定图案160。而在所述梯形结构的侧标定块140的标定面上设置的所述标定图案160的排布为7*14，即为设置7行14列的标定图案160，根据梯形结构的标定块的具体结构进行裁切。一般地，所述标定图案160的尺寸大小设置为4.5*4.5cm，相邻标定图案160的间隔设置为0.9cm。则在此设定下，所述方形结构的中心标定块120的大小为0.3m*0.3m，所述梯形结构的侧标定块140的大小为：内连接边142长0.3m，外连接边146长度为0.8m。
另外，为了识别不同的标定块，在所述标定块的标定面上均设置用于识别该标定块的标识180。为了达到在各个方位拍摄的图片均能识别出所拍摄的标定块，优选将所述标定块的所述标识180覆盖该标定块的标定面的整个区域。
四个所述梯形结构的侧标定块140均匀设置于所述中心标定块120的四周，所述侧标定块140的内连接边142与所述中心标定块120的边缘异面连接。设置所述侧标定块140所在的侧平面与所述中心标定块120所在的中心平面的夹角为锐角或者直角，实现异面连接的效果，达到标定板100在应用时的三维标定效果。
上述本实用新型实施例提供的标定板100，组装过程可以包括：
选取5个平面性良好的平面板，将所述平面板拼接成类四棱锥截去尖角剩下的多面体(即上述实施例所述的，一个中心标定块120为方形，其余四个侧标定块140为梯形)，将此多面体作为标定治具。如图2所示，侧面与中心面的角度为30°，该角度不固定，理论上侧面与中心面不在一个平面即可，即侧面与底面的角度可在0-90°之间。
将所选择的标定块(例如棋盘格标定板、marker标定板、圆点标定板)生成适应本实施例的标定治具的各个面大小的标识180。对打印好的标定板100进行裁剪并贴在治具上，以保持平面性良好。
在本实例中使用的标定板100是AprilTags。所述AprilTags，是一种新的视觉定位体系，具有较强的鲁棒性与稳定性。在本实例中长方形AprilTags为5*5，梯形AprilTags为14*7，每个AprilTags大小为4.5cm，间隔0.9cm，且每个面的AprilTags都不相同
为了保证产线标定的稳定性及图像采集的有效性，对上述的标定板100进行固定，并搭建相机图像采集平台，将相机对准所述治具中心，即为将放置相机摄像头的242拍摄孔放置在所述标定板100的中心所在的法线方向上。
上述本实用新型实施例提供的标定板100在具体标定应用时，其标定过程如下：
通过相机采集1张图像，对图像中AprilTags进行检测识别。根据每个AprilTags的ID不同将新型标定板图像分解成5个平面图像。本实施例所应用的相机可以优选为光流相机。
分别以5个平面图像中ID最小的AprilTags左下角点为圆点建立三维坐标系(由于每个平面图像都标有x、y方向，即第一个AprilTags的左下角点为圆点建立三维坐标系，Z＝0)，对5个平面图像提取角点特征及对应的三维点坐标，通过张正友标定算法完成标定。
在一种实施方式中，单目标定需要1张图片，双目标定需要两张图片
上述本实用新型实施例提供的标定板，针对现有的标定板，在结合常用的标定算法进行标定时，需要在不同角度采集多张标定板图像，不利于大规模的相机自动标定的技术问题。本实施例提供的标定板，为了满足现有标定算法中多个标定面综合标定的要求，设置所述标定板包括五个相互异面的标定块，并且所包含的五个标定块形成多面体结构，以使待标定的相机能在同一角度采集到包括至少三个标定面内的图形。为了使得相机根据所采集的图形进行标定，区分不同标定块内的图像，在每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识，以便根据每个标定块的标识去识别不同的标定块。所述标定板设置于支撑架的标定端，待标定的相机设置于拍摄端。拍摄端的相机拍摄标定端的多面体状的标定板，仅采集较少的图片即可实现相机参数的标定，方便了大规模的标定操作，减少了移动所产生的误差，提高了标定效率和准确率。
第二实施例
请参见图1和3，是本实用新型第二实施例提供的标定系统200的结构示意图。所述标定系统200包括：支撑架220、用于放置需要标定的相机摄像头的搁板240，以及上述实施例所述的标定板100。所述搁板240和所述标定板100分别设置于所述支撑架220的两端。
所述支撑架220包括相向设置的标定端222和拍摄端224，所述标定板100设置于所述支撑架220的标定端222，所述搁板240设置于所述支撑架220的拍摄端224。
在一种实施方式中，所述搁板240上设置有容纳所述相机摄像头的242拍摄孔，所述242拍摄孔设置于所述中心标定板100的几何中心所在的法线上。将所述相机的摄像头放置在所述242拍摄孔时，所述相机的摄像头可以拍摄到所述标定板100的中心标定块120和周围的侧标定块140，以达到采集多个异面标定块的标定要求。
上述本实用新型提供的标定系统200，其组装过程可以包括：
选取5个平面性良好的平面板，将所述平面板拼接成类四棱锥截去尖角剩下的多面体(即上述实施例所述的，一个中心标定块120为方形，其余四个侧标定块140为梯形)，将此多面体作为标定治具。
将所选择的标定块(例如棋盘格标定板100、marker标定板100、圆点标定板100)生成适应本实施例的标定治具的各个面大小的标识180。对打印好的标定板100进行裁剪并贴在治具上，以保持平面性良好。
为了保证产线标定的稳定性及飞机图像采集的有效性，对上述的标定板100进行固定，并搭建相机图像采集平台，将相机对准所述治具中心。
上述本实用新型提供的标定系统200，其标定过程如下：
通过相机采集1张图像，对图像中AprilTags进行检测识别。根据每个AprilTags的ID不同将新型标定板图像分解成5个平面图像。分别以5个平面图像中ID最小的AprilTags左下角点为圆点建立三维坐标系(由于每个平面图像都标有x、y方向，即第一个AprilTags的左下角点为圆点建立三维坐标系，Z＝0)，对5个平面图像提取角点特征及对应的三维点坐标，通过张正友标定算法完成标定。
上述本实用新型实施例提供的标定系统，针对现有的标定板进行标定时，在结合常用的标定算法进行标定时，需要在不同角度采集多张标定板图像，不利于大规模的相机自动标定的技术问题。本实施例提供的标定板，为了满足现有标定算法中多个标定面综合标定的要求，设置所述标定板包括五个相互异面的标定块，并且所包含的五个标定块形成多面体结构，以使待标定的相机能在同一角度采集到包括至少三个标定面内的图形。为了使得相机根据所采集的图形进行标定，区分不同标定块内的图像，在每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识，以便根据每个标定块的标识去识别不同的标定块。所述标定板设置于支撑架的标定端，待标定的相机设置于拍摄端。拍摄端的相机拍摄标定端的多面体状的标定板，仅采集较少的图片即可实现相机参数的标定，方便了大规模的标定操作，减少了移动所产生的误差，提高了标定效率和准确率。本实用新型实施例提供的标定系统的具体结构和实施过程可以参见上述实施例，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种标定板，其特征在于，所述标定板包括至少三个相互异面的标定块，所述标定块均为板状结构，至少四个所述标定块形成多面体结构，每个所述标定块的标定面上均设置有用于唯一识别该标定块的标识。
2.根据权利要求1所述的标定板，其特征在于，所述标定板包括一个中心标定块和四个侧标定块，每个所述侧标定块均包括内连接边、与所述内连接边的端部连接的两条侧连接边，以及与所述两条侧连接边的另一端均连接的外连接边，每个所述侧标定块的内连接边均与所述中心标定块的边缘连接，相邻的两个所述侧标定块的相邻侧连接边之间连接。
3.根据权利要求2所述的标定板，其特征在于，所述中心标定块为方形结构，四个所述侧标定块为梯形结构，所述梯形结构的所述内连接边的长度和所述方形结构的中心标定块的长度均为第一长度值。
4.根据权利要求3所述的标定板，其特征在于，五个所述标定块的标定面上设置的用于定位坐标的标定图案的大小均相同，五个所述标定图案的图案内容均不同。
5.根据权利要求4所述的标定板，其特征在于，所述方形结构的中心标定块上设置的所述标定图案的排布为5*5，所述梯形结构的所述侧标定块上设置的所述标定图案的排布为7*14，所述标定图案的尺寸为4.5cm*4.5cm。
6.根据权利要求2所述的标定板，其特征在于，所述侧标定块所在的侧平面与所述中心标定块所在的中心平面的夹角为锐角或者直角。
7.根据权利要求3所述的标定板，其特征在于，所述标定块的所述标识覆盖该标定块的标定面的整个区域。
8.根据权利要求7所述的标定板，其特征在于，所述第一长度值为0.3m，所述梯形结构的所述侧标定板的外连接边的长度为0.8m，所述侧标定块所在的侧平面与所述中心标定块所在的中心平面的夹角为30°。
9.一种标定系统，其特征在于，包括支撑架、用于放置需要标定的相机摄像头的搁板和如权利要求2至8任一项所述的标定板，所述支撑架包括相向设置的标定端和拍摄端，所述标定板设置于所述支撑架的标定端，所述搁板设置于所述支撑架的拍摄端。
10.根据权利要求9所述的标定系统，其特征在于，所述搁板上设置有容纳所述相机摄像头的拍摄孔，所述拍摄孔设置于所述中心标定板的几何中心所在的法线上。
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