CN111207685A - 一种用于结构光深度测量的全自动标定*** - Google Patents

一种用于结构光深度测量的全自动标定*** Download PDF

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郭彦彬
刘迎宾
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Ezhou Institute of Industrial Technology Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

本发明涉及结构光技术领域，具体涉及一种用于结构光深度测量的全自动标定***。该***包括：标定架、标定板、激光器、摄像机、第一驱动机构和控制装置；标定板设置在标定架上；第一驱动机构固定于标定架内，激光器和摄像机由第一驱动机构驱动、沿设定方向移动，设定方向与标定板所在平面相交；控制装置分别与第一驱动机构、激光器和摄像机电性连接。通过第一驱动机构自动调整激光器和摄像机到标定板的距离，激光器向标定板发射激光，摄像头对标定板进行拍摄，获得标定图像，将标定图像传输至控制装置，以使控制装置进行空间运算，获得标定参数，能够在短时间内对多个距离进行标定，耗时短、精度高，提高了标定效率。

Description

一种用于结构光深度测量的全自动标定***
技术领域
本发明涉及结构光技术领域，具体涉及一种用于结构光深度测量的全自动标定***。
背景技术
线结构光成像起源于20世纪80年代，开始仅仅作为深度检测的一项光学检测仪器。结构光是一组由投影仪和相机组成的***结构，用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由相机采集标定图像，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。随着近些年，3D点云获取和重建技术的应用，结构光成像重建一种成像方式开始逐渐被认可、使用和开发。为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定，为了保证测量精度，在使用结构光***测量物体深度之前，需对相机进行标定。
当物体离相机远的时候，在图像上就很小，那么一个像素代表的实际尺寸就大，当物体离相机近的时候，那么成像效果就大，一个像素代表的实际物体尺寸就小。因此，对于每一个位置都需要去标定。在现有技术中，通常需要手动调整物体和相机之间的距离，因此，现有技术中存在标定操作效率较低的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于结构光深度测量的全自动标定***，以解决现有技术中相机标定操作效率较低的技术问题。
本发明实施例提供了以下方案：
依据本发明的第一个方面，本发明实施例提供一种用于结构光深度测量的全自动标定***，所述***包括：标定架、标定板、激光器、摄像机、第一驱动机构和控制装置；
所述标定板设置在所述标定架上；
所述第一驱动机构固定于所述标定架内，所述激光器和所述摄像机由所述第一驱动机构驱动、沿设定方向移动，所述设定方向与所述标定板所在平面相交；
所述控制装置分别与所述第一驱动机构、所述激光器和所述摄像机电性连接。
优选的，所述第一驱动机构包括：第一电机、滚珠丝杠副和安装座；
所述第一电机与所述控制装置电性连接；
所述滚珠丝杠副沿所述设定方向安装于所述标定架中，且所述滚珠丝杠副的丝杠与所述第一电机的输出轴连接；
所述滚珠丝杠副的螺母与所述安装座固定连接；
所述激光器和所述摄像机安装于所述安装座上。
优选的，第一驱动机构还包括：电机支架；
所述第一电机固定于所述电机支架内，所述电机支座安装于所述标定架上。
优选的，所述标定架上设置有：导向板和滑轨；
所述导向板上沿所述设定方向设有导向槽；
所述安装座伸入所述导向槽中、且可沿所述导向槽滑动，所述安装座的底部与所述螺母固定连接；
所述滑轨沿所述设定方向安装于所述标定架中，所述安装座与所述滑轨可滑动地连接。
优选的，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：编码器；
所述编码器与所述激光器和所述摄像机连接。
优选的，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：第二驱动机构；
所述第二驱动机构与所述控制装置电性连接。
优选的，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，所述第二驱动机构包括：第二电机、主轴、副轴、第一万向节和两个第二万向节；
所述第二电机安装于所述标定架上，所述第二电机的输出轴与所述主轴的第一端连接；
所述副轴的第一端与所述第一万向节连接，所述第一万向节安装于所述主轴上；
所述主轴的第二端和所述副轴的第二端通过两个所述第二万向节分别与所述标定板连接。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明本实施例中的用于结构光深度测量的全自动标定***包括：标定架、标定板、激光器、摄像机、第一驱动机构和控制装置；所述标定板设置在所述标定架上；所述第一驱动机构固定于所述标定架内，所述激光器和所述摄像机由所述第一驱动机构驱动、沿设定方向移动，所述设定方向与所述标定板所在平面相交；所述控制装置分别与所述第一驱动机构、所述激光器和所述摄像机电性连接。本实施例通过第一驱动机构自动调整所述激光器和所述摄像机到标定板的距离，激光器向标定板发射激光，摄像头对所述标定板进行拍摄，获得标定图像，将所述标定图像传输至所述控制装置，以使所述控制装置进行空间运算，获得标定参数，能够在短时间内对多个距离进行标定，耗时短、精度高，提高了标定效率。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，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的附图。
图1为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的控制部分的结构框图；
图2为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的整体结构示意图；
图3为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的俯视图；
图4为本发明所述标定板和第二驱动机构的连接结构示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0002365446340000041
Figure BDA0002365446340000051
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
参照图1～图4，图1为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的控制部分的结构框图；图2为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的整体结构示意图；图3为本发明用于结构光深度测量的全自动标定***的俯视图；图4为本发明所述标定板和第二驱动机构的连接结构示意图。在本实施例中，所述用于结构光深度测量的全自动标定***包括：标定架40、标定板10、激光器20、摄像机30、第一驱动机构50、控制装置70；
所述标定板10设置在所述标定架40上；
所述第一驱动机构50固定于所述标定架40内，所述激光器20和所述摄像机30由所述第一驱动机构50驱动、沿设定方向移动，所述设定方向与所述标定板10所在平面相交；
所述控制装置70分别与所述第一驱动机构50、所述激光器20和所述摄像机30电性连接。
用于结构光深度测量的标定原理是通过主动***控制摄像机30做特定运动，利用控制平台控制摄像机30发生特定的移动拍摄多组图像，依据图像信息和已知位移变化来求解标定参数。
所述标定架40为若干连接杆搭建而成，用于架设标定板10、激光器20、摄像机30、第一驱动机构50和控制装置70。
所述标定板10为带有固定间距图案阵列的平板，该固定间距图案包括：实心圆阵列图案或者国际象棋盘图案，所述标定板10可设置在所述标定架40一侧，基于所述标定板10中的固定间距将所述标定板10作为标定参照物，标定精度高。
所述第一驱动机构50固定于所述标定架40内，所述激光器20和所述摄像机30由所述第一驱动机构50驱动、沿设定方向移动，所述设定方向与所述标定板10所在平面相交。由于所述第一驱动机构50固定于所述标定架40内，并驱动所述激光器20和所述摄像机30沿所述设定方向移动，所述设定方向与所述标定板10所在平面垂直时，所述第一驱动机构50将带动所述激光器20和所述摄像机30垂直于所述标定板10运动。在具体实现中，在所述预设方向上，以所述标定板10为零点，在10厘米～1米的范围内每隔预设距离设置一个标定点，一般设置20～30个，本实施例对此不加以限制。所述第一驱动机构50将带动所述激光器20和所述摄像机30垂直于所述标定板10运动至每一个标定点位置，便于确定标定点的位置，对每一个标定点进行标定，提高标定效率。
所述控制装置70分别与所述第一驱动机构50、所述激光器20和所述摄像机30电性连接。
所述控制装置70包括控制器和处理器，其中，控制器是发布命令的决策机构，用于协调和指挥整个标定***的操作，处理器用于数据处理。所述控制装置70与所述第一驱动机构50连接，用于控制所述第一驱动机构50的运动时间和运动速度，从而控制所述激光器20和所述摄像机30的运动；所述控制装置70与所述激光器20连接，用于控制所述激光器20发射激光的时刻和次数；所述控制装置70还与所述摄像机30连接，用于控制摄像机30拍摄所述标定板10的时刻和次数。
所述控制装置70控制所述激光器20和所述摄像机30移动至所述标定点所处的位置，通过所述激光器20向所述标定板10发射激光，所述激光在所述标定板10成像，所述摄像机30对所述标定板10进行拍摄，获得多个标定点位置对应的标定图像。
所述摄像机30的输出端与所述控制装置70连接，在所述摄像机30对所述标定板10进行拍摄，获得标定图像之后，所述摄像机30将所述标定图像传输至所述控制装置70，以使所述控制装置70进行空间运算，获得标定参数，从而实现对用于结构光深度测量的***标定。
进一步地，所述第一驱动机构50包括：第一电机52、滚珠丝杠副53和安装座51；
所述第一电机52与所述控制装置70电性连接；
所述滚珠丝杠副53沿所述设定方向安装于所述标定架40中，且所述滚珠丝杠副53的丝杠531与所述第一电机的输出轴连接；
所述滚珠丝杠副53的螺母532与所述安装座51固定连接；
所述激光器20和所述摄像机30安装于所述安装座51上。
所述控制装置70与所述第一电机52电性连接，用于控制所述第一电机52的发动时间和转速。第一驱动机构50还包括：电机支架54；所述第一电机52固定于电机支架54内，所述电机支架54安装于所述标定架40上。
所述滚珠丝杠副53是将旋转运动转化为直线运动的传动元件，所述第一电机52用于驱动所述滚珠丝杠副53转动，可以为伺服电机，伺服电机是指在伺服***中控制机械元件运转的发动机，所述滚珠丝杠副53沿所述设定方向安装于所述标定架40中，且所述滚珠丝杠副53的丝杠531与所述第一电机52的输出轴连接，所述滚珠丝杠副53的螺母532与所述安装座51固定连接；所述激光器20和所述摄像机30安装于所述安装座51上。从而通过所述第一电机52驱动所述滚珠丝杠副53旋转，并通过所述滚珠丝杠副53的旋转将扭矩转换成轴向反复作用力，带动所述安装座51直线运动，进而带动所述激光器20和所述摄像机30直线运动，由于所述滚珠丝杠副53固定于所述标定架40内，并沿所述设定方向延伸，因此，所述第一电机52和所述滚珠丝杠副53将带动所述激光器20和所述摄像机30垂直于所述标定板10运动至每一个标定点位置，便于确定标定点的位置，对每一个标定点进行标定，提高标定效率。
进一步地，所述标定架40上设置有：导向板41和滑轨42；
所述导向板41上沿所述设定方向设有导向槽411；
所述安装座51伸入所述导向槽411中、且可沿所述导向槽411滑动，所述安装座51的底部与所述螺母532固定连接；
所述滑轨42沿所述设定方向安装于所述标定架40中，所述安装座51与所述滑轨42可滑动地连接。
所述导向板41是一种平面的导向器，所述导向板41上沿所述设定方向设有导向槽411；所述安装座51伸入所述导向槽411中、且可沿所述导向槽411滑动，所述安装座51的底部与所述滚珠丝杠副53螺母532固定连接。从而在所述第一电机52驱动所述滚珠丝杠副53转动时，所述滚珠丝杠副53的螺母532将产生沿所述设定方向的直线运动，所述螺母532将带动所述安装座51沿所述设定方向移动，所述安装座51则可带动所述激光器20和所述摄像机30在所述导向槽411内滑动。所述滑轨42沿所述设定方向安装于所述标定架40中，所述安装座51与所述滑轨42可滑动地连接，从而提高所述安装座51的滑动顺畅度和精准度。
进一步地，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：编码器；
所述编码器与所述激光器20和所述摄像机30连接。
所述编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，用于检测所述激光器20和所述摄像机30的移动距离，并将所述移动距离反馈至所述控制装置70，以校验所述激光器20和所述摄像机30的移动距离，保证标定过程的精确性。
进一步地，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：第二驱动机构60；所述第二驱动机构60与所述控制装置70电性连接。
所述第二驱动机构60包括：第二电机61、主轴62、副轴63、第一万向节64和两个第二万向节65；
所述第二电机61安装于所述标定架40上，所述第二电机61的输出轴与所述主轴62的第一端连接；
所述副轴63的第一端与所述第一万向节64连接，所述第一万向节64安装于所述主轴62上；
所述主轴62的第二端和所述副轴63的第二端通过两个所述第二万向节65分别与所述标定板10连接。
第二电机61是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，可以为伺服电机，所述第二电机61用于驱动所述标定板10调整倾斜角度，控制所述标定板10的位姿。所述主轴62与所述副轴63通过所述第一万向节64连接，从而所述主轴62与所述副轴63之间能够自由转动，所述主轴62的第二端和所述副轴63的第二端通过两个所述第二万向节65分别与所述标定板10连接，从而所述标定板10与所述两个万向节之间能够自由转动，在所述第二电机61驱动所述主轴62转动时，所述标定板10能够自由转动，从而获得随机方向的标定图像，能够提高标定的准确性。所述第一万向节64和所述第二万向节65优选为球头万向节，所述球头万向节能够任意方向转动。
在所述标定板10处于不同位姿时，所述摄像机30对所述标定板10进行拍摄，获得标定图像，所述摄像机30将所述标定图像传输至所述控制装置70，以使所述控制装置70根据预设算法进行空间运算，获得所述摄像机30的标定参数，从而实现对所述摄像机30的标定，所述预设算法为：
Figure BDA0002365446340000101
其中，qi为第i个标定点离所述标定板10的实际距离，s为所述摄像机30的镜头与激光器20之间的间距，f为镜头到所述摄像机30的图像传感器之间的距离，PixelSize为图像像素的物理尺寸，pxi为第i个标定点对应的像素距离，offset为图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离。
在标定过程中，已知实际距离和图像像素的物理尺寸，对于每个实际距离，调整所述标定板10的位姿，拍摄多张标定图像，获得多个像素距离，将实际距离和像素距离代入所述预设算法中，获得镜头与激光器20之间的间距、镜头到所述摄像机30的图像传感器之间的距离和偏置距离等标定参数，从而实现精准地标定所述摄像机30。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本实施例中的用于结构光深度测量的全自动标定***包括：标定架40、标定板10、激光器20、摄像机30、第一驱动机构50和控制装置70；所述标定板10沿所述标定架40的第一方向竖直设置在所述标定架40边缘；所述第一驱动机构50固定于所述标定架40内，并沿所述设定方向设置，所述预设方向与所述第一方向垂直；所述第一驱动机构50分别与所述激光器20和所述摄像机30螺纹连接；所述控制装置70分别与所述第一驱动机构50、所述激光器20和所述摄像机30的输入端连接；所述摄像机30的输出端与所述控制装置70连接。本实施例通过第一驱动机构50自动调整所述激光器20和所述摄像机30到标定板10的距离，激光器20向标定板10发射激光，摄像头对所述标定板10进行拍摄，获得标定图像，将所述标定图像传输至所述控制装置70，以使所述控制装置70进行空间运算，获得标定参数，能够在短时间内对多个距离进行标定，耗时短、精度高，提高了标定效率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(模块、***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述用于结构光深度测量的全自动标定***包括：标定架、标定板、激光器、摄像机、第一驱动机构和控制装置；
所述标定板设置在所述标定架上；
所述第一驱动机构固定于所述标定架内，所述激光器和所述摄像机由所述第一驱动机构驱动、沿设定方向移动，所述设定方向与所述标定板所在平面相交；
所述控制装置分别与所述第一驱动机构、所述激光器和所述摄像机电性连接。
2.根据权利要求1所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述第一驱动机构包括：第一电机、滚珠丝杠副和安装座；
所述第一电机与所述控制装置电性连接；
所述滚珠丝杠副沿所述设定方向安装于所述标定架中，且所述滚珠丝杠副的丝杠与所述第一电机的输出轴连接；
所述滚珠丝杠副的螺母与所述安装座固定连接；
所述激光器和所述摄像机安装于所述安装座上。
3.根据权利要求2所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，第一驱动机构还包括：电机支架；
所述第一电机固定于所述电机支架内，所述电机支座安装于所述标定架上。
4.根据权利要求3所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述标定架上设置有：导向板和滑轨；
所述导向板上沿所述设定方向设有导向槽；
所述安装座伸入所述导向槽中、且可沿所述导向槽滑动，所述安装座的底部与所述螺母固定连接；
所述滑轨沿所述设定方向安装于所述标定架中，所述安装座与所述滑轨可滑动地连接。
5.根据权利要求4所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：编码器；
所述编码器与所述激光器和所述摄像机连接。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述用于结构光深度测量的全自动标定***，还包括：第二驱动机构；
所述第二驱动机构与所述控制装置电性连接。
7.根据权利要求6所述的用于结构光深度测量的全自动标定***，其特征在于，所述第二驱动机构包括：第二电机、主轴、副轴、第一万向节和两个第二万向节；
所述第二电机安装于所述标定架上，所述第二电机的输出轴与所述主轴的第一端连接；
所述副轴的第一端与所述第一万向节连接，所述第一万向节安装于所述主轴上；
所述主轴的第二端和所述副轴的第二端通过两个所述第二万向节分别与所述标定板连接。
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