CN108362309A - 一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板 - Google Patents

一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，由金属板身与非金属填充物构成；金属板身挖取规则排列的用于视觉识别的凹槽，并在凹槽中填充非金属填充物；相机对视觉标定板进行图像采集，利用金属板身与非金属填充物对可见光与红外光谱段光子吸收程度不同，保证标定板在可见光与红外相机中的成像具有一致性，实现可见光与红外相机的同步标定。本发明标定板仅由两种不同反射特性的材质制成，结构简单，制作方便，同时不包含任何加热、制冷或发光设备，成本远低于已有的标定方案。使用过程中不需要对标定板进行任何额外操作，与印刷制标定板的使用操作一致，具有方便，安全可靠等优点。

Description

一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板
技术领域
本发明属于视觉标定领域，尤其涉及一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板。
背景技术
近年来，随着红外相机技术的日益成熟，红外相机被广泛使用在航拍、监控、追踪、探索、导航等智能化应用领域。目前红外相机与现有的可见光视觉***信息融合作为前沿研究领域，着眼于利用不同类型相机的成像特点完成信息互补，提升传统可见光视觉***整体的可靠性，拓宽视觉***的使用场景。在包含红外相机与可见光相机的视觉***中，标定相机的内部参数与相机之间的空间位置关系是视觉***运行的必要步骤，同时标定结果影响视觉***运行时的计算精度与鲁棒性。
红外相机的模型仍可抽象成经典相机模型。标定过程需要视觉***中的所有相机共同采集同一标定板上的栅格图像，通过算法分析来自不同相机的成像结果获得图像间的关联，以此计算相机的内部固有参数与相机间的空间信息。
由于红外相机与可见光相机的感应光谱不同，红外相机无法获取传统可见光相机标定板上的栅格图像。因此传统印刷质地的标定板无法同时适用于红外相机的标定工作。而目前已有可同时适用于可见光与红外标定设备的方案，皆采用加热与制冷等制造温差的设计方案，存在安全隐患、结构复杂，操作繁琐，精度低，制造成本高昂、维护困难等问题无法满足标定需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有标定板方案的不足，提供一种结构简单，操作方便，成本低廉，高精度，安全可靠的可见光与红外相机的视觉标定板。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，该视觉标定板由金属板身与非金属填充物构成；金属板身挖取用于视觉识别的凹槽，并在凹槽中填充非金属填充物；相机对视觉标定板进行图像采集，利用金属板身与非金属填充物对可见光与红外光谱段光子吸收程度不同，保证非金属填充物图像在可见光与红外相机中的成像具有一致性，实现可见光与红外相机的同步标定。
进一步地，所述金属板身的材料选自铝、铝合金、钛合金、不锈钢等，其中含金属铝成分的材料为优选方案。
进一步地，所述非金属填充物为纸。
进一步地，所述非金属填充物为瓦楞纸。
进一步地，所述凹槽在金属板身上按栅格图案排布，包括棋盘格形式、二维码形式、The Kalibr calibration toolbox中的Aprilgrid形式。
进一步地，所述凹槽为矩形，所述非金属填充物为与凹槽尺寸相同的瓦楞纸；在倒角处，瓦楞纸的顶层矩形纸片微高于金属板身表面，通过延展的方式保证矩形形状不会受到圆弧的挤压而变形，最终保证凹槽嵌入瓦楞纸后的图案为预期的规则排列的矩形图案。
进一步地，该视觉标定板能够标定固定连接在一起的任意数量的可见光相机、红外相机与惯性器件。
进一步地，所述视觉标定板可采用张正有标定法、Kalibr标定工具。
本发明的有益效果是：
(1)标定板仅由两种不同反射特性的材质制成，结构简单，制作方便，同时不包含任何加热、制冷或发光设备，成本远低于已有的标定方案。
(2)使用过程中不需要对标定板进行任何额外操作，与印刷制标定板的使用操作一致，具有方便，安全可靠等优点。
(3)本发明标定板上的栅格图案可根据标定算法所需定制，适用于已有的任意视觉标定算法，视觉与惯性***联合标定算法等，具有广泛适用性。
附图说明
图1是利用棋盘格栅格图像的标定板双视图；
图2为原定图纸中待挖取的凹槽与实际通过机床铣出的凹槽的示意图；
图3为图2的aa剖视图；
图4为印刷纸标定板与本发明视觉标定板的采样图像；
图5为本发明另一种栅格图像的视觉标定板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，通过该视觉标定板可标定视觉***，该视觉标定板由金属板身与非金属填充物构成；金属板身挖取规则排列的用于视觉识别的凹槽，并在凹槽中填充非金属填充物；相机对视觉标定板进行图像采集，利用金属板身与非金属填充物对可见光与红外光谱段光子吸收程度不同，保证非金属填充物图像在可见光与红外相机中的成像具有一致性，多个相机对视觉标定板的采集结果配合相应的标定算法即可实现红外与可见光相机的同步标定。以下为具体案例：
由于金属中自由电子的电磁响应原理产生电场屏蔽而强烈反射其金属等离子体频率以下的光子。金属的等离子频率远大于可见光波段，所以保证了金属不吸收大部分可见光与红外光谱段的光子。进一步，金属铝可在可见光与红外光光谱段下提供不低于85％的反射率，所以我们选取金属材料铝作为棋盘格板身材质。而常见的三层瓦楞纸表面植物纤维错综复杂，保证了在可见光与红外光的反射率远低于金属铝。两者搭配的好处是保证了可见光与红外相机中都能捕捉到一致清晰的栅格图案。
如图1所示为利用棋盘格栅格图像的标定板双视图，正视图上斜线阴影处为待通过金属加工铣出的凹槽。制作标定板的过程如下，通过在金属铝板铣出5cm*5cm*2mm大小的正方形凹槽，即获得标定板板身。随后，通过对三层纸质瓦楞纸进行切割获得若干5cm*5cm*2mm切片作为金属板身凹槽填充物。由于工艺原理限制，传统金属加工工艺无法在金属中铣出直角凹槽。如图2所示，虚线为原定图纸中待挖取的凹槽边缘，而实线则为实际通过机床铣出的凹槽。原栅格图像中每个正方形的四个直角实际结果加工为圆角，其半径与刀头的半径近似，不符合标定的精度要求。同时由于实际凹槽面积与填充物面积不同导致传统的纸质填充物无法在嵌入凹槽内的同时保证填充物整体不受挤压形变。将图2中的方格沿aa虚线剖视得图3斜对角剖视图，由于三层瓦楞纸有一层波浪形芯纸夹层，在嵌入的空间留有了富裕，不会导致嵌入后填充物受到四个圆角挤压变形。同时在倒角处，三层瓦楞纸的顶层正方形纸片微高于金属板身表面，通过延展的方式保证形状不会受到圆弧的挤压而变形，最终保证在嵌入后的图案仍为正方形形成预期栅格图像。本实施例以三层瓦楞纸为列，但不限于此，常用的各种多层瓦楞纸均在本发明的保护范围内。
如图4所示，上方从左到右依次为可见光相机与红外相机对印刷纸标定板的采样结果，下方从左到右依次为可见光相机与红外相机对本发明视觉标定板的采样图像。从实际效果可见，本发明视觉标定板采样图像清晰可靠。
该棋盘格栅格图像可标定视觉相机***，将所述标定板静止安放在固定位置，摆放待标定的视觉***，保证标定板上呈现的栅格图像出现在相机中。依次改变标定板与视觉***的相对位置，保存相应的采样数据。
若将标定板平面设在世界坐标系Z＝0平面上，M＝[XY]T表示在标定板上的一个特征点，则齐次坐标表示为对应的，该点M在图像平面上的坐标为
其中，s是一个未知的尺度标量，H＝AT＝[h1 h2 h3]表示单应矩阵，表示相机内参矩阵，T＝[RT]表示旋转平移矩阵。
通过检测采集图像上的特征点，计算不同图像上的特征点之间的关联，最后利用最大似然估计将标定问题转化为求解优化问题：
其中是点Mj在图像i上的投影结果，而mij是Mj特征点在图像i上检测到的位置。
计算过程中，若
b＝[B11,B12,B22,B13,B23,B33]T，
第i个矩阵H的列向量表示为
hi＝[hi1 hi2 hi3]T，
则利用对极几何如下
其中
vij＝[hi1hj1,hi1hj2+hi2hj1,hi2hi2,hi3hj1+hi1hj3,hi3hi2+hi2hj3,hi3hj3]
可求解获得对极几何约束的结果：
γ＝-B12α2β/λ
u0＝γv0/α-B13α2/λ
利用该约束通过优化最终求得参数结果。
如图5所示，为了进一步提升标定***的适用性与提高标定结果的精确性，可将原棋盘格图像置换成更加复杂的栅格图像。通过本发明提供的制作方法，获得最终的标定板设备。拥有该图像的标定板可以标定通过固定连接任意数量的可见光相机，红外相机与惯性器件，同时提供更加精确鲁棒的结果。
以上所述仅为本发明的简单实施案例，并不限制本发明标定板上的栅格图像、具体标定算法的设计与两种材质的具体选择，凡是利用不同反射特性保证不同类型相机获得相同的成像，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：该视觉标定板由金属板身与非金属填充物构成；金属板身挖取用于视觉识别的凹槽，并在凹槽中填充非金属填充物；相机对视觉标定板进行图像采集，利用金属板身与非金属填充物对可见光与红外光谱段光子吸收程度不同，保证标定板在可见光与红外相机中的成像具有一致性，实现可见光与红外相机的同步标定。
2.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述金属板身的材料选自铝、铝合金、钛合金、不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述非金属填充物为纸。
4.根据权利要求3所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述非金属填充物为瓦楞纸。
5.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述凹槽在金属板身上按栅格图案排布，包括棋盘格形式、二维码形式、The Kalibrcalibration toolbox中的Aprilgrid形式。
6.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述凹槽为矩形时，所述非金属填充物为与凹槽尺寸相同的瓦楞纸；在倒角处，瓦楞纸的顶层矩形纸片微高于金属板身表面，通过延展的方式保证矩形形状不会受到圆弧的挤压而变形，最终保证凹槽嵌入瓦楞纸后的图案为预期的规则排列的矩形图案。
7.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：该视觉标定板能够标定固定连接在一起的任意数量的可见光相机、红外相机与惯性器件。
8.根据权利要求1所述的一种适用于可见光与红外相机的视觉标定板，其特征在于：所述视觉标定板可采用张正友标定法、Kalibr标定工具。
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