CN109040741A - 一种用于机器视觉***的标定及测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器视觉***的标定及测试装置，包括导轨底座，与所述导轨底座可拆卸连接的可伸缩相机杆，滑动连接在所述导轨底座上的光源支架底座和标定台底座；所述可伸缩相机杆上端通过万向接头设有可旋转控制松紧的可调节相机爪，相机卡在所述可调节相机爪的卡槽内；所述光源支架底座上设有间距可调的光源支架，支撑滑杆滑动连接在所述光源支架上；所述标定台底座上设有能伸缩和转动的可伸缩标定杆，所述可伸缩标定杆上端安装有刻度圆盘和固定标定物的标定物放置台，所述刻度圆盘和所述标定物放置台能相对转动，可以满足前光或背光的检测要求，通用性能好，适用范围广，加工制造和维护成本低，性能稳定可靠，操作简单灵活。

Description

一种用于机器视觉***的标定及测试装置和方法

技术领域

本发明涉及机器视觉和自动化生产安全技术领域，具体是一种用于机器视觉***的标定及测试装置和方法。

背景技术

摄像机标定是机器视觉***成功应用到自动化生产安全领域的关键环节。如果没有准确的摄像机标定，反映到有机器视觉***参与的工业自动化生产中，就会直接导致***定位不准，轨迹规划错误，机器运动干涉等生产安全隐患。早在20世纪60年代，国内外学者就陆续提出很多的摄像机标定方法，这些方法都是从软件算法方面来提高标定精度和可靠性。但是影响机器视觉***稳定性的因素，除了标定算法，还有光源，相机，镜头，通讯模块等标定测试装置。而且从标定装置上开展的研究也是热点，例如从标定杆的高度，人工标志点的尺寸，标定板的涂覆等方面考虑，来设计靶场静爆实验现场的标定设备。

现在的市面上尽管有各式各样的非标设备，但是针对实际的实验室和使用现场的机器视觉项目方案标定测试设备很少，而且都不具有通用性，制造和使用成本高，适应性差、可靠性和可控性低，导致整个机器视觉***的稳定性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全性能好、可靠、稳定性高，且通用性能好，加工制造维护成本低的用于机器视觉***的标定及测试装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，包括导轨底座，与所述导轨底座可拆卸连接的可伸缩相机杆，滑动连接在所述导轨底座上的光源支架底座和标定台底座；所述可伸缩相机杆上端通过万向接头设有可旋转控制松紧的可调节相机爪，相机卡在所述可调节相机爪的卡槽内；所述光源支架底座上设有间距可调的光源支架，支撑滑杆滑动连接在所述光源支架上；所述标定台底座上设有能伸缩和转动的可伸缩标定杆，所述可伸缩标定杆上端安装有刻度圆盘和固定标定物的标定物放置台，所述刻度圆盘和所述标定物放置台能相对转动。

优选地，所述导轨底座侧面设有对称的导轨底座滑槽，所述光源支架底座和所述标定台底座卡在所述导轨底座滑槽内水平移动和固定。

优选地，所述导轨底座上可拆卸连接有磁铁开关，所述磁铁开关与所述可伸缩相机杆固定相连。

优选地，所述可调节相机爪的卡槽两侧分别粘附连接有水平液体尺。

优选地，所述可调节相机爪的卡槽为“U”型塑胶卡槽，所述可调节相机爪的卡槽内还装有用于夹紧相机的弹簧。

优选地，所述光源支架底座上设有用于调节所述光源支架间距的支架导轨，所述光源支架上设有支架滑槽，所述支撑滑杆沿所述支架滑槽上下滑动，并通过固紧螺钉固定在所述光源支架上。

优选地，所述光源支架底座两端设置有固定块。

优选地，所述导轨底座的一端设有侧板，所述导轨底座两侧的所述导轨底座滑槽内安装有固定所述光源支架底座和所述标定台底座的固紧螺钉，沿所述导轨底座的正中央还设有中心滑槽。

优选地，所述可伸缩标定杆包括相互套接并能转动的上标定杆和下标定杆，所述上标定杆和所述下标定杆分别与所述刻度圆盘、所述标定台底座螺纹连接；标定物插接在所述标定物放置台上的卡槽内，并通过固紧螺钉与所述标定物放置台固定连接；所述刻度圆盘上的刻度呈间隔10°均匀排列，并配合指针控制所述标定物放置台的旋转角度。

使用所述用于机器视觉***的标定及测试装置的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)根据标定物特性，选用相应方向和位置的光源，调节所述光源支架与所述支撑滑杆的相对位置来夹紧光源并调节到与标定物相当的高度；将磁铁开关置于导轨底座的一端，并按需调节所述可调节相机爪、所述标定物放置台、所述光源支架的水平距离和竖直高度，使得标定物，光源，相机三者的中轴线位于一条水平线上，以保证成像位于视野中央；

(2)装置搭建固定后，选择标定模型和相机模型，开始采集和处理图像，通过旋转带刻度的所述标定物放置台来保证拍摄角度；

(3)通过选用合适的标定流程，提取特征点由于畸变引起的实际成像坐标(x_d，y_d)，并指定特征点的物理坐标，综合考虑径向畸变和离心畸变，按照如下摄像机非线性畸变的标定模型公式，计算标定点的坐标(x_u，y_u)，完成标定：

其中：

k₁，k₂为径向畸变系数；

p₁，p₂为切向畸变系数；

r²＝x_d ²+y_d ²。

本发明提供的用于机器视觉***的标定及测试装置和方法，具有如下有益效果：

1.本发明提高了在实际场合的适应性、可靠性和可控性，进而改善了整个机器视觉***的稳定性和安全性能，通过灵活改变所述标定物放置台、所述光源支架、所述可调节相机爪三者的相对位置，可以满足不同材质标定物对前光或者背光的检测要求，以及标定和测试中对工作距离、视野、安装位置等检测要求，通用性能好，适用范围广，加工制造和维护成本低，性能稳定可靠，操作简单灵活。

2.通过所述支架滑槽、所述导轨底座滑槽、所述支架导轨可以实现带有光源的所述支撑滑杆分别沿上下、左右、前后共六个方向，三个维度的平移变化，以满足测试中对光源尺寸、光源高低位置、光源水平位置的要求。

3.可以保护相机不被损伤，通过所述可调节相机爪两侧粘附连接的水平液体尺以及所述可调节相机爪内卡槽和弹簧的约束，并调节所述万向接头，可以最大程度的保证相机处于水平位置，使用简单方便。

4.采用精确的所述刻度圆盘，可以将标定物旋转角度数据直观的显示出来，适用于需要对标定物位置进行严格控制的场合，使得标定及测试的精确度高。

5.整个装置还可以竖直放置，也可以满足标定和测试的需要，方便对中，避免重心不稳，安全性能和稳定性高。

附图说明

图1为本发明所述用于机器视觉***的标定及测试装置的整体结构示意图；

图2为所述标定物放置台和所述刻度圆盘的结构示意图；

图3为使用本发明所述用于机器视觉***的标定及测试装置的方法流程图；

图中：

1.导轨底座 2.磁铁开关 3.可伸缩相机杆 4.万向接头5.水平液体尺 6.可调节相机爪 7.相机 8.光源支架9.支架滑槽 10.支撑滑杆 11.支架导轨 12.标定物 13.标定物放置台 14.刻度圆盘 15.可伸缩标定杆 16.标定台底座 17.导轨底座滑槽 18.光源支架底座 19.刻度尺 20.指针21.固紧螺钉 22.卡槽。

具体实施方式

实施例一

一种用于机器视觉***的标定及测试装置，如图1所示，包括导轨底座1，与所述导轨底座1可拆卸连接的可伸缩相机杆3，滑动连接在所述导轨底座1上的光源支架底座18和标定台底座16；所述可伸缩相机杆3上端通过万向接头4设有可旋转控制松紧的可调节相机爪6，相机7卡在所述可调节相机爪6的卡槽内；所述光源支架底座18上设有间距可调的两个光源支架8，支撑滑杆10滑动连接在所述光源支架8上；所述标定台底座16上设有能伸缩和转动的可伸缩标定杆15，所述可伸缩标定杆15上端安装有刻度圆盘14和固定标定物12的标定物放置台13，所述刻度圆盘14和所述标定物放置台13能相对转动。

如图1所示，所述导轨底座1为上方和一端开口的长方形，所述导轨底座1侧面设有对称的长条形导轨底座滑槽17，也可以开成通槽，方便拆装，所述光源支架底座18和所述标定台底座16卡在所述导轨底座滑槽17内能沿其水平移动和固定；所述导轨底座1右端可拆卸连接有磁铁开关2，所述磁铁开关2与所述可伸缩相机杆3通过螺纹连接固定相连，打开所述磁铁开关2并移动其在所述导轨底座1上的位置，即可方便调节相机7的位置，闭合所述磁铁开关2即可将所述可伸缩相机杆3固定在所述导轨底座1上，通过所述光源支架底座18、所述标定台底座16和所述可伸缩相机杆3三者在所述导轨底座1上沿水平位置的相对移动以及各自沿竖直位置的上下移动，来调节各自的位置，从而满足标定和测试中对工作距离、视野、安装位置等检测要求；所述光源支架底座18上设有用于调节所述光源支架8间距的方槽形支架导轨11，所述光源支架8上设有支架滑槽9，所述支撑滑杆10能沿所述支架滑槽9上下滑动，并通过固紧螺钉固定在所述光源支架8上，通过所述支架滑槽9、所述导轨底座滑槽17、所述支架导轨11可以实现带有光源的所述支撑滑杆10分别沿上下、左右、前后共六个方向，三个维度的平移变化，以满足测试中对光源尺寸、光源高低位置、光源水平位置的要求；所述光源支架底座18两端设置有固定块，以保证所述光源支架底座18在水平滑动的过程中不发生其他方向的偏移。

如图1所示，所述可调节相机爪6的卡槽两侧分别粘附连接有水平液体尺5，所述可调节相机爪6的卡槽为“U”型塑胶卡槽，可以保护相机不被损伤，所述可调节相机爪6的卡槽内还装有用于夹紧相机7的弹簧，通过所述可调节相机爪6两侧粘附连接的水平液体尺5以及所述可调节相机爪6内卡槽和弹簧的约束，并调节所述万向接头4，可以最大程度的保证相机处于水平位置，使用简单方便。

所述导轨底座1的左端设有侧板(图中未画出)，所述导轨底座1两侧的所述导轨底座滑槽17内安装有固定所述光源支架底座18和所述标定台底座16的固紧螺钉，可以使得整个装置竖直放置，也可以满足标定和测试的需要，沿所述导轨底座1的正中央还设有中心滑槽，方便对中，可以确保所述磁铁开关2和所述可伸缩标定杆15位于所述导轨底座1的正中央，避免重心不稳，安全性能和稳定性高。

如图1和2所示，所述可伸缩标定杆15包括相互套接并能转动的上标定杆和下标定杆，所述上标定杆和所述下标定杆分别与所述刻度圆盘14、所述标定台底座16螺纹连接，标定物12插接在所述标定物放置台13上的卡槽22内，并通过所述标定物放置台13侧面设置的固紧螺钉21与所述标定物放置台13固定连接，所述刻度圆盘14与所述标定物放置台13可以相对转动，所述卡槽22的长度、宽度、深度尺寸可根据实际需要设定，所述刻度圆盘14上的刻度呈间隔10°均匀排列，并配合指针20控制所述标定物放置台13的旋转角度，采用精确的所述刻度圆盘14，可以将标定物12旋转角度数据直观的显示出来，适用于需要对标定物位置进行严格控制的场合，使得标定及测试的精确度高。

使用所述用于机器视觉***的标定及测试装置的方法，步骤如下：

(1)根据标定物特性，选用相应方向和位置的光源，调节所述光源支架8与所述支撑滑杆10的相对位置来夹紧光源并调节到与标定物相当的高度；将所述磁铁开关2置于所述导轨底座1的一端，并按需调节所述可调节相机爪6、所述标定物放置台13、所述光源支架8的水平距离和竖直高度，使得标定物12，光源，相机7三者的中轴线位于一条水平线上，以保证成像位于视野中央；

(2)装置搭建固定后，选择标定模型和相机模型，开始采集和处理图像，通过旋转带刻度的所述标定物放置台13来保证拍摄角度；

(3)通过选用合适的标定流程，提取特征点由于畸变引起的实际成像坐标(x_d，y_d)，并指定特征点的物理坐标，综合考虑径向畸变和离心畸变，按照如下摄像机非线性畸变的标定模型公式，计算标定点的坐标(x_u，y_u)，完成标定：

其中：

k₁，k₂为径向畸变系数；

p₁，p₂为切向畸变系数；

r²＝x_d ²+y_d ²

对于不透光性标定物的标定：

考虑到标定物的不透光性，打光方向采用前光，即按照图1所示将所述光源支架8设在所述相机7和标定物12中间，将所述标定台底座16装入所述导轨底座1，并经所述可伸缩标定杆15的所述上标定杆和所述下标定杆进行伸缩、旋转，调节合适的位置；如图2所示，将不透光性标定物12***所述卡槽22，并旋紧所述固紧螺钉21进行固定；适当旋转所述标定物放置台13以及所述可伸缩标定杆15，使得目标物12尽量与所述导轨底座1正中央的中心滑槽垂直；将所述光源支架底座18装入所述导轨底座1，根据标定物12的特性，选用尺寸相当的白色环形光源，调节所述光源支架8与所述支撑滑杆10的相对位置来夹紧光源并调节到与标定物12一致的高度；将所述磁铁开关2置于所述导轨底座1的右端，将相机7卡进所述可调节相机爪6里面，并配合所述万向接头4、所述水平液体尺5来调节相机7的水平位置度，最大程度的保证相机与标定物12垂直，通过调节所述可伸缩相机杆3的高度，使得标定物12，光源，相机7三者的中轴线位于一条水平线上，以保证成像位于视野中央，减小畸变，提高精度。

装置搭建固定后，选择标定模型和相机模型，开始采集和处理图像，通过旋转带刻度的所述标定物放置台13来保证拍摄角度；通过选用合适的标定流程，提取特征点由于畸变引起的实际成像坐标(x_d，y_d)，并指定特征点的物理坐标，综合考虑径向畸变和离心畸变，按照上述摄像机非线性畸变的标定模型公式，计算标定点的坐标(x_u，y_u)，完成标定。

实施例二

对于透光性标定物的标定：

考虑到标定物的透光性，打光方向采用背光，将所述光源支架8设在所述标定物12后方，即置换图1中标定物12和光源的位置，其他部件的具体安装方式和标定及测试方法参见实施例一。

本发明中所述标定物放置台13、所述光源支架8、所述可调节相机爪6三者的相对位置可以改变，可以满足直射光或者背光的检测要求，通用性能好，适用范围广，加工制造和维护成本低，性能稳定可靠，操作简单灵活。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，包括导轨底座，与所述导轨底座可拆卸连接的可伸缩相机杆，滑动连接在所述导轨底座上的光源支架底座和标定台底座；所述可伸缩相机杆上端通过万向接头设有可旋转控制松紧的可调节相机爪，相机卡在所述可调节相机爪的卡槽内；所述光源支架底座上设有间距可调的光源支架，支撑滑杆滑动连接在所述光源支架上；所述标定台底座上设有能伸缩和转动的可伸缩标定杆，所述可伸缩标定杆上端安装有刻度圆盘和固定标定物的标定物放置台，所述刻度圆盘和所述标定物放置台能相对转动。

2.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述导轨底座侧面设有对称的导轨底座滑槽，所述光源支架底座和所述标定台底座卡在所述导轨底座滑槽内水平移动和固定。

3.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述导轨底座上可拆卸连接有磁铁开关，所述磁铁开关与所述可伸缩相机杆固定相连。

4.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述可调节相机爪的卡槽两侧分别粘附连接有水平液体尺。

5.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述可调节相机爪的卡槽为“U”型塑胶卡槽，所述可调节相机爪的卡槽内还装有用于夹紧相机的弹簧。

6.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述光源支架底座上设有用于调节所述光源支架间距的支架导轨，所述光源支架上设有支架滑槽，所述支撑滑杆沿所述支架滑槽上下滑动，并通过固紧螺钉固定在所述光源支架上。

7.根据权利要求6所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述光源支架底座两端设置有固定块。

8.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述导轨底座的一端设有侧板，所述导轨底座两侧的所述导轨底座滑槽内安装有固定所述光源支架底座和所述标定台底座的固紧螺钉，沿所述导轨底座的正中央还设有中心滑槽。

9.根据权利要求1所述的用于机器视觉***的标定及测试装置，其特征在于，所述可伸缩标定杆包括相互套接并能转动的上标定杆和下标定杆，所述上标定杆和所述下标定杆分别与所述刻度圆盘、所述标定台底座螺纹连接；标定物插接在所述标定物放置台上的卡槽内，并通过固紧螺钉与所述标定物放置台固定连接；所述刻度圆盘上的刻度呈间隔10°均匀排列，并配合指针控制所述标定物放置台的旋转角度。

10.使用权利要求1-9所述的用于机器视觉***的标定及测试装置的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)根据标定物特性，选用相应方向和位置的光源，调节所述光源支架与所述支撑滑杆的相对位置来夹紧光源并调节到与标定物相当的高度；将磁铁开关置于导轨底座的一端，并按需调节所述可调节相机爪、所述标定物放置台、所述光源支架的水平距离和竖直高度，使得标定物，光源，相机三者的中轴线位于一条水平线上，以保证成像位于视野中央；

(2)装置搭建固定后，选择标定模型和相机模型，开始采集和处理图像，通过旋转带刻度的所述标定物放置台来保证拍摄角度；

(3)通过选用合适的标定流程，提取特征点由于畸变引起的实际成像坐标(x_d，y_d)，并指定特征点的物理坐标，综合考虑径向畸变和离心畸变，按照如下摄像机非线性畸变的标定模型公式，计算标定点的坐标(x_u，y_u)，完成标定：

其中：

k₁，k₂为径向畸变系数；

p₁，p₂为切向畸变系数；

r²＝x_d ²+y_d ²。