CN114046889B - 一种红外相机的自动化标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外相机的自动标定方法，包括步骤：(1)在机械臂末端固定安装标定工具；(2)调整机械臂末端位姿，计算得到当前标定工具位置处的相机视野平面；(3)规划机械臂的运动轨迹；(4)控制机械臂运动并在各轨迹点通过相机采集标定工具的视野图像，并记录对应的机械臂末端位姿；(5)计算各轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标；(6)通过圆心提取算法提取各轨迹点对应的视野图像内各圆形的圆心坐标；(7)根据步骤(5)和(6)及相机标定函数计算得到相机参数。本发明的标定物相对于相机的位置可以通过提前规划保持一致，使得标定实验具有可复现，保证了标定物位置的一致性，不仅消除了人为因素，而且提取特征更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及相机标定领域，尤其涉及一种红外相机的自动化标定方法。
背景技术
在图像测量过程以及机器视觉应用中，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，这个求解相机参数的过程就称之为相机标定(或摄像机标定)。无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。
传统相机标定法使用尺寸已知的平板标定物并采用人工手持标定物，先将标定物上的物理坐标点与其图像点建立对应关系，接着利用一定的算法获得相机模型的内外参数，这一方法虽应用广泛但也存在较多弊端。具体如下：
首先，相机拍摄过程中人为因素过重，环境变量不方便控制，通过人工手持标定板使得相机调整位置和角度的效率低下。对于红外相机，每次拍摄标定板图片之前同时还需要额外的人力布置补光灯以改善成像效果，导致无论是标定板相对相机的位姿还是补光灯的位置，都无法在前后保持位姿一致。
其次，平面标定板的特征点提取误差较大，相机的拍摄对象即标定板的制作工艺参差不齐，实际标定板的角点或圆点物理坐标不便标定，一旦实际坐标因制造误差等因素与设计的物理坐标不一致，就会影响标定精度。特别地，当标定板相对于相机平面倾角较大时，拍摄的图片也会因投影压缩导致实际特征不标准、特征坐标提取不稳定。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中存在的标定过程中人为因素过重、标定板存在加工误差及拍摄时存在投影压缩的问题，提出了一种基于机械臂运动平台的相机快速自动化标定方法，不仅消除了人为因素，而且提取特征更加稳定和精确。
技术方案：
一种红外相机的自动标定方法，包括步骤：
(1)在机械臂末端固定安装标定工具，所述标定工具具有至少三个共面不共线的标记球；
(2)调整机械臂末端位姿，并计算得到当前标定工具位置处的相机视野平面的尺寸；
(3)根据当前相机视野平面尺寸规划机械臂的运动轨迹，并在轨迹上形成若干个轨迹点；
(4)控制机械臂按照运动轨迹运动并依次在各个轨迹点停下，相机采集机械臂运动至各轨迹点时标定工具的视野图像，同时获取并记录对应的机械臂末端位姿；
(5)根据标定工具与机械臂末端的相对位置关系和各轨迹点处机械臂末端位姿计算得到各轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标；
(6)通过圆心提取算法提取各轨迹点对应的视野图像内各圆形的圆心坐标；
(7)将步骤(5)得到的标定工具中心点的三维坐标和步骤(6)得到的视野图像内各圆形的圆心坐标代入相机标定函数计算得到相机参数。
在所述步骤(5)之前，还包括：改变机械臂末端相对相机的初始位姿，重复步骤(2)～(4)若干次，得到若干组运动轨迹中各轨迹点的视野图像集群及各轨迹点对应的机械臂末端位姿的集群。
所述标记球为反光球。
所述反光球表面涂有对特定频谱的红外光进行反射的反光涂层。
所述步骤(2)具体为：
上位机控制机械臂运动调整其末端位姿，使得标定工具位于相机的视野中心，通过测量得到相机中心到标定工具中心点之间的直线距离，利用相机视野模型计算得到所述标定工具处的相机视野平面的长度与宽度。
所述步骤(3)中，根据当前相机视野平面规划机械臂的运动轨迹具体为：
根据步骤(2)得到的当前相机视野平面的长度与宽度作为机械臂末端规划运动的规划轨迹平面的长度与宽度，按照方波型轨迹在该规划轨迹平面进行等间距插值。
所述步骤(5)具体为：
(51)利用机械臂末端运动至第i个轨迹点时机械臂末端中心点在机械臂坐标系下的三维坐标OFi与在第1个轨迹点时机械臂末端中心点的三维坐标OF1作差，得到机械臂末端中心点的相对平动变换，将其作为：
pFi1＝OFi-OF1
则标定工具中心点的相对平动变换：
pTi1＝OTi-OT1＝OFi-OF1＝pFi1
其中，OTi表示机械臂末端运动至第i个轨迹点时标定工具中心点的三维坐标，OT1表示机械臂末端位于第1个轨迹点时标定工具中心点三维的坐标；
(52)根据步骤(51)遍历所有轨迹点计算得到所有轨迹点相对于第1个轨迹点的标定工具中心点的相对平动变换集合；
(53)根据机械臂末端位于第1个轨迹点时法兰中心点在机械臂坐标系下的三维坐标计算得到对应的标定工具中心点的三维坐标，并根据步骤(52)得到的相对平动变换集合计算得到所有轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标集合。
针对若干反光球构成的标定物所在平面的大小，在所述步骤(3)中通过机械臂运动规划使得所述标定工具的轨迹布满对应的相机视野平面。
本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：
1、本发明利用机械臂代替人把持标定物，在相机视野内进行自动化摆位并拍摄，最终利用拍摄的图片对红外相机进行参数标定，不仅消除了人为因素，而且提取特征更加稳定；
2、本发明的标定物相对于相机的位置可以通过提前规划保持一致，使得标定实验具有可复现，保证了标定物位置的一致性；
3、本发明以球体作为标定物，标定物的投影在任意投影角度总为圆形，算法上通过提取图像的圆心即可获得该位置的亚像素坐标，精度上相较于标定板提取角点更精确；
4、本发明的球体为反光球，其表面设有反光涂层，无需使用额外补光即可通过红外相机获得可运用特征提取的算法的有效图片；
5、本发明的标定物的物理坐标是根据标定板的安装与设计参数结合机械臂末端位置计算得到，具有较高的定位精度，且该精度不易被破坏；
6、本发明可以根据若干反光球构成的标定物所在平面的大小，在机械臂运动规划阶段设置相应的移动路径，使得标定物的轨迹布满相机的视野范围，从而使得适用的相机标定场合更加广泛。
附图说明
图1为本发明的红外相机标定方法的流程图；
图2为标定工具的示意图；
图3为标定工具上反光球的红外成像图；
图4为标定工具上反光球的圆心亚像素提取图；
图5为机械臂末端运动轨迹规划图；
图6为标定工具上反光球的圆心集群图；
图7为双目标定立体矫正图。
其中，1为安装体，2为紧固件，3为标定物。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细阐明本发明。
图1为本发明的红外相机标定方法的流程图，如图1所示，本发明的红外相机的自动化标定方法包括如下步骤：
(1)将标定工具固定安装至机械臂末端；
标定工具结构如图2所示，标定工具上固定有至少三个共面不共线的标定物3；
进一步地，标定工具还包括安装体1及紧固件2，安装体1通过螺栓等常见的紧固件固定安装至法兰，标定物3通过紧固件2安装至安装体1。
更进一步地，标定物3为反光球，反光球的表面涂有反光涂层，该反光涂层可以对特定频谱的红外光进行反射，因此可以在红外相机下清晰成像而不需要在拍成像时进行额外的补光，如图3所示。
本发明中，标定工具通过螺栓固定安装至机械臂末端的法兰上，因此标定工具与机械臂末端的相对位置关系是固定的，上位机能够根据机械臂的位姿获取并记录机械臂末端在机械臂坐标系下的位姿，通过机械臂末端与标定工具之间的相对位置关系，能够换算出标定工具的中心点在机械臂坐标系下的三维坐标。
(2)调整机械臂末端位姿，并计算得到当前标定工具位置处对应的相机视野平面的尺寸；
上位机控制机械臂运动调整其末端位姿，使得标定工具大致位于相机的视野中心；利用卷尺等长度测量工具测量出相机中心到标定工具中心点之间的直线距离，利用已知的相机视野模型换算出该直线距离处的相机视野平面的长度与宽度；
(3)根据当前相机视野平面尺寸规划机械臂的运动轨迹；
根据步骤(2)得到的标定工具与相机之间的相对位置关系计算得到的相机视野平面的长度与宽度作为机械臂末端运动的规划轨迹平面的长度与宽度，按照方波型轨迹在该规划轨迹平面进行等间距插值形成若干个轨迹点，并根据该轨迹点规划机械臂末端沿方波型轨迹在该规划轨迹平面内做等间距的、周期性的直线运动，如图5所示；
(4)上位机控制机械臂按照步骤(3)规划的运动轨迹进行运动，同时通过相机采集机械臂运动到每个轨迹点的视野图像，同时上位机记录相应的机械臂末端位姿；
从图5所示的第1个轨迹点开始，上位机控制机械臂沿着方波型轨迹顺序执行并依次到达每个轨迹点，并在到达每一个轨迹点后停止，同时控制相机采集此时标定物的视野图像，同时记录此时在机械臂坐标系下的机械臂末端的位姿，即机械臂末端中心点的三维坐标；
针对第i个轨迹点，相机采集得到的标定工具的图像为Si，同时上位机获取得到此时机械臂末端中心点在机械臂坐标系下的三维坐标OFi；
进而得到共计n个轨迹点对应的n幅视野图像组成的一组视野图像集群及具有n个机械臂末端中心点的在机械臂坐标系下的三维坐标组成的一组中心点坐标集群；
(5)改变机械臂末端相对于相机的初始姿态，重复步骤(2)～(4)8～20次，即改变机械臂末端相对于相机的初始姿态，然后重新进行相机视野平面尺寸计算、方波型轨迹规划、执行、图像采集及位姿记录的步骤，得到8～20组视野图像集群和机械臂末端中心点坐标集群；
(6)计算机械臂末端处于各轨迹点时标定工具中心点的三维坐标，并集群；
(61)在机械臂坐标系下，将标定工具的中心点坐标记作OT，此时机械臂末端中心点的坐标记作OF；那么当机械臂末端中心点在空间中平动至OFi时，标定工具也会随之平动，其中心点也会平动至OTi；由于标定工具固定安装在机械臂末端的法兰上，那么标定工具中心点和机械臂末端中心点之间的位姿变换关系固定，所以在机械臂坐标系下，OTi-OT＝OFi-OF，平动时标定工具中心点的坐标差值等于机械臂末端中心点的坐标差值，而机械臂末端中心点的坐标OF可以通过机械臂位姿由上位机实时获取；
利用机械臂末端运动至第i个轨迹点时机械臂末端中心点在机械臂坐标系下的三维坐标OFi与在第1个轨迹点时机械臂末端中心点的三维坐标OF1作差，得到机械臂末端中心点的相对平动变换，将其作为：
pFi1＝OFi-OF1
则标定工具中心点的相对平动变换：
pTi1＝OTi-OT1＝OFi-OF1＝pFi1
其中，OTi表示机械臂末端运动至第i个轨迹点时标定工具中心点的三维坐标，OT1表示机械臂末端在第1个轨迹点时标定工具中心点三维坐标；
(62)遍历计算所有轨迹点对应的标定工具的中心点相较于第1个轨迹点对应的标定工具的中心点的平动变换，得到所有轨迹点相对于第1个轨迹点的标定工具中心点的相对平动变换集合，得到该方波型形轨迹下标定工具的中心点的平动变换集合{pTi1}，i＝1～n；
(63)机械臂末端位于第1个轨迹点时，结合机械臂末端中心点在机械臂坐标系下的三维坐标和机械臂末端中心点与标定工具的中心点之间的相对位置关系，计算得到机械臂末端位于第1个轨迹点时标定工具中心点的三维坐标，并结合步骤(62)得到的所有轨迹点相对于第1个轨迹点的标定工具中心点的相对平动变换，计算得到所有轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标；并将得到的同一组轨迹点群对应的标定工具中心点的三维坐标写入同一组三维数组中得到一组对应的标定工具中心点的三维坐标集群，进而得到8～20组的标定工具中心点的三维坐标集群，用于之后与图像中的亚像素坐标的二维数组相对应；
(7)通过圆心提取算法提取相机采集的视野图像中的反光球成像形成的圆形的圆心坐标，并集群；
反光球在红外相机下的成像总为圆形，可以利用圆心提取算法提取出图像中圆心的亚像素坐标，如图4所示。对每幅视野图像中的反光球成像形成的圆形进行检测，获得等同于反光球个数的圆特征，并对每个圆特征提取相应的亚像素中心坐标sTi，并将同一组轨迹点对应的视野图像上的圆心坐标写入同一组二维数组中，从而得到同一组轨迹的每个轨迹点对应的视野图像上的圆心坐标集合{sTi}；进而得到8～20组二维圆心坐标集群，用于之后与标定工具中心点的物理坐标的三维数组相对应；
(8)将步骤(6)和(7)得到的标定工具中心点的三维坐标集合和对应视野图像中圆形的圆心坐标集合作为输入代入opencv的相机标定函数中，计算出相机的内参；具体为：
单目相机标定：
即利用openCV的单目标定函数作标定，输出单目相机的标定内参；
单目相机的内参标定函数的输入物理坐标即为步骤(6)得到的所有轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标集合，标定函数的输入像素坐标即为步骤(7)得到的对应视野图像上的圆心坐标集合{sTi}，标定函数的输入图片宽高大小即实际的拍摄图片Si的宽高大小；
双目相机标定：
即利用openCV的双目标定函数作标定，输出双目相机的标定内参和外参；
双目相机中各相机的内参标定函数的输入物理坐标即为步骤(6)得到的所有轨迹点标定工具中心点的三维坐标集合，标定函数的输入像素坐标即为步骤(7)得到的对应视野图像上的圆心坐标集合{sTi}，标定函数的输入图片宽高大小即实际的拍摄图片Si的宽高大小；
双目相机的外参标定函数的输入为各相机的初始内参，也即通过前述单目相机标定得到的各相机标定内参，通过外参标定函数得到两相机坐标系之间的旋转变换矩阵和平移变换矩阵。
在本发明中，可以针对反光球构成的标定物所在平面的大小，本发明在机械臂运动规划阶段，使得标定物的轨迹布满相机的视野范围，从而使得适用的相机标定场合更加广泛。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种红外相机的自动标定方法，其特征在于：包括步骤：
（1）在机械臂末端固定安装标定工具，所述标定工具具有至少三个共面不共线的标记球；
（2）调整机械臂末端位姿，使得标定工具位于相机的视野中心，通过测量得到相机中心到标定工具中心点之间的直线距离，利用相机视野模型计算得到当前标定工具位置处的相机视野平面的长度与宽度；
（3）根据当前相机视野平面的长度与宽度作为机械臂末端规划运动的规划轨迹平面的长度与宽度，规划机械臂的运动轨迹，并在轨迹上形成若干个轨迹点；
（4）控制机械臂按照运动轨迹运动并依次在各个轨迹点停下，相机采集机械臂运动至各轨迹点时标定工具的视野图像，同时获取并记录对应的机械臂末端位姿；
（5）根据标定工具与机械臂末端的相对位置关系和各轨迹点处机械臂末端位姿计算得到各轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标；
（51）利用机械臂末端运动至第i个轨迹点时机械臂末端中心点在机械臂坐标系下的三维坐标O Fi 与在第1个轨迹点时机械臂末端中心点的三维坐标O F1作差，得到机械臂末端中心点的相对平动变换，将其作为：
P Fi1=O Fi -O F1
则标定工具中心点的相对平动变换：
P Ti1=O Ti -O T1=O Fi -O F1=P Fi1
其中，O Ti 表示机械臂末端运动至第i个轨迹点时标定工具中心点的三维坐标，O T1表示机械臂末端位于第1个轨迹点时标定工具中心点三维的坐标；
（52）根据步骤（51）遍历所有轨迹点计算得到所有轨迹点相对于第1个轨迹点的标定工具中心点的相对平动变换集合；
（53）根据机械臂末端位于第1个轨迹点时法兰中心点在机械臂坐标系下的三维坐标计算得到对应的标定工具中心点的三维坐标，并根据步骤（52）得到的相对平动变换集合计算得到所有轨迹点对应的标定工具中心点的三维坐标集合；
（6）通过圆心提取算法提取各轨迹点对应的视野图像内标记球成像形成的各圆形的圆心坐标；
（7）将步骤（5）得到的标定工具中心点的三维坐标和步骤（6）得到的视野图像内各圆形的圆心坐标代入相机标定函数计算得到相机参数。
2.根据权利要求1所述的红外相机的自动标定方法，其特征在于：在所述步骤（5）之前，还包括：改变机械臂末端相对相机的初始位姿，重复步骤（2）~（4）若干次，得到若干组运动轨迹中各轨迹点的视野图像集群及各轨迹点对应的机械臂末端位姿的集群。
3.根据权利要求1所述的红外相机的自动标定方法，其特征在于：所述标记球为反光球。
4.根据权利要求3所述的红外相机的自动标定方法，其特征在于：所述反光球表面涂有对特定频谱的红外光进行反射的反光涂层。
5.根据权利要求1所述的红外相机的自动标定方法，其特征在于：所述步骤（3）中，规划机械臂的运动轨迹，并在轨迹上形成若干个轨迹点，具体为：
根据所述得到的机械臂末端规划运动的规划轨迹平面的长度与宽度，按照方波型轨迹在该规划轨迹平面进行等间距插值。
6.根据权利要求1所述的红外相机的自动标定方法，其特征在于：针对标定工具上若干标记球所在平面的大小，在所述步骤（3）中通过机械臂运动规划使得所述标定工具的轨迹布满对应的相机视野平面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 210000 building 3, No. 34, Dazhou Road, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu Province Applicant after: Tuodao Medical Technology Co.,Ltd. Address before: Room 102-86, building 6, 57 Andemen street, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu 210000 Applicant before: Nanjing Tuodao Medical Technology Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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