TWI395052B - 用於校準相機放大率的校準元件及校準方法 - Google Patents

Description

用於校準相機放大率的校準元件及校準方法

本發明關於一種用於校準相機放大率的校準元件，以及一種校準方法。

從DE 101 18 886 B4案中已得知一種校準尺規，其包含一可被相機偵測到的印刷標記。此標記會編碼個別位置，俾使其亦可決定該相機之偵測範圍的確實長度。不過，此校準尺規假設要被偵測之物體為平面的及位於一已定義且不會改變的位置中。在紡織品、紙張、及塑膠之領域中的產品網狀組織的情況中，因為產品網狀組織的厚度可以忽略的關係，所以，能夠符合此條件而沒有任何問題；但是，於橡膠網狀組織的情況中，此限制條件卻會造成無法容忍的問題。所以，此處必須考量網狀組織厚度對相機校準的影響。

本發明的目的便係提供一種具有一開始所提之類型的校準元件，其在搭配簡單的設計時還會考量待測物體與厚度的相依性。本發明還希望提供一種對應的校準方法。

根據本發明，會利用一種用於校準相機放大率的校準元件來達成此目的。較佳的係，該相機係使用CCD或CMOS相機，其亦可使用其它成像方法作為替代方法。同樣地，該相機究竟係矩陣式相機或線性相機並不重要。明確地說，倘若應用目的係利用該相機來掃描具有變動產品網狀組織之形式的物體的話，那麼，使用橫向對齊該變動方向的線性相機便完全足夠。於此情況中，在該線方向中進行校準便已足夠。於矩陣式相機的情況中，則可能會相依於應用而在列及/或行方向中實施校準。為決定確實測得的變數，相機的放大率非常重要。不過，其會相依於相機的位置且相依於相機的對齊程度。再者，放大率還會隨著受檢物體的厚度而改變，因為相較於比較薄的物體，相機所看見的表面在較厚的物體中會比較靠近相機。該些差別相當重要，尤其是在使用測量技術來確實偵測物體時。使用具有至少一校準區域的校準元件便可解決此問題。在此校準區域中會有可被該相機偵測到的至少一穿孔或凹陷。本例中該穿孔與凹陷的尺寸或彼此的分隔距離係已知的，且因此由該相機所偵測到的變數能夠與該校準元件的已知幾何維度大小作比較。依此方式，可以決定出該相機的放大率，其會相依於安置方式與對齊程度。倘若提供數個穿孔與凹陷的話，便可以該相機之視場中的位置為函數來算出此放大率，以便亦可依此方式來修正物鏡的成像誤差，舉例來說，相機影像的梯形失真。

除此之外，為決定放大率和待測物體厚度的相依性，倘若有兩個不同物體平面的位置係已知的話，那麼基本上在該些平面中校準該相機便已足夠。於此情況中，並不利於使用具有厚校準區域的校準元件，因為這會導致該校準元件之上緣與下緣的不可靠偵測的問題。為達成此目的，該校準元件會具有至少一支撐底部，其長度會被選為藉由旋轉該校準元件且將其設置在該至少一支撐底部上便會在該相機影像的放大率中產生可被估算的變異。該至少一支撐底部的長度為該校準元件在該校準區域中之厚度的至少兩倍。因此，假定在該校準元件的某一旋轉定位處，該校準區域會以可測量的方式被設置在該相機中，並且使得放大率會相應地改變。此放大率的可測量變異接著便會產生該物體所希的厚度相依性，依此方式便可以個別物體厚度為函數來校準相機影像的放大率。基本上，本發明還希望以相機之視場中的位置為函數來決定該放大率，以便能夠使用該相機以盡可能精確的方式來執行幾何測量。

當偵測該相機的校準元件時，根本的問題係相機一方面會偵測該校準元件的上緣，另一方面會偵測該校準元件的下緣，下緣有時候會被上緣覆蓋並且會相依於該相機的位置。為避免因該些未知因素所導致的校準誤差，在校準區域中，該校準元件的壁部厚度很小，其會使得該等穿孔及/或凹陷的上緣與下緣會在該相機影像中產生對該校準程序來說為可忽略的差異。因為該校準元件在該校準區域中此薄壁部厚度的關係，該相機實質上僅會看見該穿孔之區域中的其中一邊緣，因而可避免在穿孔及/或凹陷的偵測中會出現錯誤。

當該校準元件在校準區域中的厚度最多為2mm時會相當有利。於實際發生的相機維度大小與對齊程度的情況中，可能無法區分本例中該校準元件的上緣與下緣，所以，與其相關聯的測量誤差會落在該相機的像素解析度的範圍中，且因而可被忽略。

經證實，至少10mm的長度可成功當作該支撐底部。尤其是在相機距離落在最多一公尺範圍中的工業應用情況中，依此方式已經可達到非常精確的可測量放大率變異，且因而可依此方式非常精確地校準放大率與物體厚度的相依性。

倘若僅使用單一支撐底部的話，其較佳的係被設置在該校準元件的中間，以便在該校準元件佇立在該支撐底部上時保持該校準元件平衡。或者，亦可提供數個支撐底部，及/或將該至少一支撐底部設計成從該校準元件處突出的網狀體。於此情況中，當該至少一支撐底部被設置在該校準元件的邊緣處時會相當有利。依此方式，該至少一支撐底部會保護該校準元件的校準區域，使其不會受到作用力的影響，且因而不會遭到破壞。在惡劣的工業區域中，這會特別重要。

該支撐底部的U形或框架形狀設計對該校準區域的保護會特別有效。再者，於此情況中，該支撐底部會提高該校準元件的機械強度，且明確地說，其會強化敏感的校準區域。因此，這還會提高該校準區域的大小維度穩定性。

為避免一方面偵測該校準元件的上緣且另一方面偵測該校準元件的下緣時出現不確定性，當該校準元件具有至少一指標構件時會相當有利。舉例來說，此指標構件可被設計成一孔洞、凹部、接針、或是類似物，並且對應於相機之偵測區域中的一合宜指標構件。依此方式必定可確保以相同可再生的方式來排列該校準元件。因此，便可以明白該校準元件中哪些結構係在相機的上緣處被偵測到，而哪些係在相機的下緣處被偵測到。於此情況中便不會要求該校準元件在該校準區域中要有特別薄的設計。

根據本發明的校準方法經證實可成功地校準相機。於此情況中，具有上述類型的至少一校準元件會被放置在該相機的視場中且會產生第一影像。接著，此影像包含該校準元件的幾何資料連同基本上仍然未知的該相機的成像功能。明確地說，該些成像功能會相依於相機的位置和對齊程度，並且相依於相機物鏡的焦距與設定值。一旦知悉該校準元件的幾何特性，便可藉由比較該相機影像與該校準元件的幾何變數來算出該相機的放大率。此外，為考量放大率與物體厚度的相依性，該校準元件會被旋轉並且使用該相機產生另一影像。此處，該校準元件本身的幾何特性並沒有任何改變。僅有的改變係該校準區域會因該至少一支撐底部的長度而移動至更接近該相機。而後，便會從與其相關聯的放大率變異中算出該放大率的物體厚度線性函數。此處，於所產生的第一影像的情況中，該放大率對應於物體厚度零，而於所產生的第二影像的情況中，該放大率對應於與該支撐底部之長度相對應的物體厚度。因此，應用此線性函數便可算出每一個所希物體厚度的放大率。

當以位置為函數來算出該放大率時會相當有利。明確地說，這可藉由具有數個穿孔或凹陷的校準元件俾使依此方式會有複數個幾何特性圖案出現在該相機的視場中來達成。於此情況中，該些各式各樣的幾何特性圖案能夠達到失真影像之確實校準的目的。於此情況中，基本上足以決定以位置的函數的放大率的厚度相依性，因為該等放大率函數基本上一方面和厚度無關，另一方面也和位置無關。

為讓藉由該相機所進行的校準元件的光學偵測盡可能的準確，要在該相機之影像中被估算的邊緣僅會係該校準元件之末端面中該相機看不見的末端面。該校準元件之該等末端面的可見度僅會相依於該個別末端面以及該相機之間的相對位置。從該校準元件的垂直面看去，舉例來說，倘若該穿孔或凹陷係位於相機的左邊的話，那麼該相機便僅能看見該穿孔或凹陷的左手邊末端面。於此情況中，僅會估算該相機影像中的右手邊末端面。相反地，倘若該穿孔或凹陷係位於相機的右邊的話，那麼便僅會估算該穿孔或凹陷的左手邊邊緣。相反地，倘若該穿孔係位於相機的左右兩邊的話，那麼便無法正確估算該等兩個末端面中的任一者。於此情況中，使用的係該等個別鄰近穿孔及/或凹陷的最靠近邊緣。依此方式，可以確保不會因該相機造成該校準元件之下緣的錯誤估算。

根據圖1，校準元件1(其較佳的係由鐵質材料所組成)係被設置在相機3的視場2之中。本例中，相機3係被設計成一線性相機，俾使視場2會構成一冗長且狹窄的矩形。

校準元件1具有一中央校準區域4，其中會提供數個穿孔5。相機3能夠利用明顯的對比來偵測該些穿孔5。該等穿孔5的限制邊緣具有已知的校準長度。借助於相機3所記錄的影像，可以從該等已知的校準長度6與距離7中算出相機3在視場2中的放大率。當借助於相機3來記錄一真實物體時，便可以此計算為基礎來計算該物體在相機3的視場2之中的確實大小維度。

校準元件1還具有一支撐底部8，其會以框架的形狀延伸在校準區域4的周圍。此支撐底部8會為校準元件1帶來有利的維度剛性，俾使校準區域4可被設計成具有非常薄的壁部厚度。於該示範性實施例中，該校準區域4與該支撐底部8係分開提供的部件，它們會於隨後被互連。或者，亦可以一體成形的方式來製造該校準元件。

在支撐底部8的區域中，該校準元件1具有兩個指標構件22，舉例來說，在根據圖1的示範性實施例中，它們會完全被設計成具有鑽孔的形式。或者，亦可使用任何所希的其它指標構件，舉例來說，接針。指標構件22會確保該校準元件1相對於相機3的可再生、確實的定位效果，且此有助於該等穿孔5的偵測。

圖2所示的係根據圖1的排列，校準元件1已經被旋轉。因此，該校準元件1會坐落在支撐底部8之上。於此排列中，校準元件1的校準區域4會往相機3移近支撐底部8的高度9。這會影響相機3的放大率，俾使依此方式可決定放大率與物體厚度的相依性。

圖3所示的係根據圖1與2之排列的細部放大、切面圖，其具有一削切射束路徑。明確地說，從此圖式中可以看見，校準元件1在校準區域4中具有非常小的壁部厚度10。穿孔5的上緣11會藉由相機3的物鏡12在光偵測器13上提供第一影像14。本例中相同穿孔5的下緣15非常靠近上緣11，而使得其會在目前的放大率中提供和上緣11相同的第一影像14。因此，因一方面偵測穿孔5的上緣11且另一方面偵測穿孔5的下緣15所造成的差異僅會導致最多一個像素的誤差，也就是光偵測器13的精確性。倘若個別應用不需要完全利用到光偵測器13的解析度的話，其亦可耐受上緣11與下緣15上略為不同的影像14。在右手邊的上緣16與下緣17的情況中會出現對應的幾何條件結果。

利用經旋轉的校準元件1，校準區域4會更接近相機3，且圖3中以虛線來圖解此情形。於此情況中，上緣11與下緣15會在光偵測器13上提供第二影像14’，其會與第一影像14分隔非常寬的距離。此處重要的並非係光偵測器13上第一影像14與第二影像14’的實際位置，而係相機影像中穿孔5的寬度。為達高精確性，較佳的係，測量盡可能遠離的穿孔5的距離。再者，較佳的係，估算其對應下緣15、17並非位於相機3之視場中的上緣11、16。

在已知校準元件1的大小維度的前提下，第一影像14與第二影像14’會被用來決定以受檢物體之物體厚度19為函數的放大率18。於本例中，第一影像14係對應於厚度零；而第二影像14’係對應於高度9。依此方式會取得根據圖4之關係圖中用以定義線性函數21的兩個點20。此線性函數21會產生每一個物體厚度19的對應放大率18，俾使可針對任何所希的物體厚度來校準相機3。

圖5所示的係根據圖1的校準元件1的一替代實施例。於此實施例中，支撐底部8係被設計成一中央方塊，校準區域4會延伸在該方塊周圍。

因為本發明的某些示範性實施例並未被顯示或說明，所以必須瞭解的係，仍可對本文所述之示範性實施例進行許多變更與修正，其並不會脫離申請專利範圍所界定之本發明的基本概念與保護範疇。

1．．．校準元件

2．．．視場

3．．．相機

4．．．校準區域

5．．．穿孔

6．．．校準長度

7．．．距離

8．．．支撐底部

9．．．支撐底部高度

10．．．壁部厚度

11．．．穿孔上緣

12．．．物鏡

13．．．光偵測器

14．．．第一影像

14’．．．第二影像

15．．．穿孔下緣

16．．．穿孔上緣

17．．．穿孔下緣

18．．．放大率

19．．．物體厚度

20．．．點

21．．．線性函數

22．．．指標構件

為達出現在前面及其它目的，本發明係關於配合隨附圖式在前面說明書中詳細說明且在隨附申請專利範圍中提及的一種加熱設備，隨附圖式中顯示出：

圖1所示的係一校準元件與一相機的二維示意圖，

圖2所示的係校準元件已被旋轉之根據圖1的示意圖，

圖3所示的係根據圖1之排列的細部放大示意圖，

圖4所示的係一關係圖，以及

圖5所示的係該校準元件的一替代實施例。

1．．．校準元件

2．．．視場

3．．．相機

4．．．校準區域

5．．．穿孔

6．．．校準長度

7．．．距離

8．．．支撐底部

9．．．支撐底部高度

22．．．指標構件

Claims (11)

1. 一種用於和一朝向具有厚度之物體的相機的校準元件，該相機會產生至少一影像且具有多個放大率，其會相依於該物體厚度，該校準元件會校準該相機的該放大率，該校準元件具有至少一校準區域，於該校準區域中具有一壁部厚度，該校準元件在該校準區域中具備能夠被該相機偵測到的穿孔與凹陷中至少其中一者，其中，為決定該等放大率與該物體厚度的相依性，該校準元件具有具某一長度的至少一支撐底部，該支撐底部的該長度會被選為藉由旋轉該校準元件且將其設置在該至少一支撐底部上便可從該相機影像中估算出該放大率的變異，該至少一支撐底部的該長度為該校準元件在該校準區域中之該壁部厚度的至少兩倍。
2. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該校準元件在該校準區域中具有上緣與下緣，且該校準元件具有很小的壁部厚度，使得該等上緣與下緣會在該相機影像中產生對校準而言為可忽略的差異。
3. 如申請專利範圍第2項之校準元件，其中，該壁部厚度在該校準區域中至多為2mm。
4. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該至少一支撐底部的長度為至少10mm。
5. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該校準元件具有一邊緣且該至少一支撐底部係被設置在該校準元件的該邊緣處。
6. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該至少一支撐底部會以U型的形狀延伸在該校準元件周圍。
7. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該至少一支撐底部會以一框架的形狀延伸在該校準元件周圍。
8. 如申請專利範圍第1項之校準元件，其中，該校準元件具有至少一指標構件，用以固定該校準元件的位置。
9. 一種用於相機的校準方法，該相機具有一視場，該相機會在校準過程期間朝向具有已知大小維度的至少一校準元件且該相機會在測量過程期間朝向一具有厚度的物體，該相機會在該測量過程期間產生該物體的至少一物體影像，且其具有一放大率，其會相依於該物體厚度，該校準元件具有至少一校準區域，於該校準區域中具有一壁部厚度，該校準元件在該校準區域中具備能夠被該相機偵測到的穿孔與凹陷中至少其中一者，其中，於該校準過程期間，該校準元件會被放置在該相機的該視場之中且該相機會利用第一放大率來產生一第一影像，其中，該校準元件接著會被旋轉且該相機會利用第二放大率來產生一第二影像，從該等第一影像與第二影像中，配合該校準元件的該等已知大小維度便可算出該等第一放大率與第二放大率，其會定義該放大率之物體厚度的線性函數中的兩個點，從用以計算該物體厚度的該線性函數中便可算出至少一個別放大率。
10. 如申請專利範圍第9項之校準方法，其中，會以位置為函數來計算該放大率。
11. 如申請專利範圍第9項之校準方法，其中，該校準元件具有多個末端面，該相機的該等第一影像與第二影像要被估算的邊緣會對應於該校準元件之末端面中該相機看不見的末端面。