专利名称：基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于精密平移和转台的摄像机内参数校准装置，能够实现对像机每个像素点处畸变量的精确求解。
背景技术：
目前常用的摄像机内参数校准多采用统一的内参数校准模型，即将摄像机传感器畸变信息用一组畸变系数来表示，通过建立空间三维点坐标和像机图像坐标之间的关系，最终解算出当前传感器下的各项畸变系数。在实际成像系统中摄像机内参数包含有效焦距(C)、摄像机原点坐标(x0，y0)、径向畸变(kl，k2，k3)、切向畸变(pl，p2，p3)以及仿射和非·正交变形项(bl，b2)等变化或非线性项。然而通过分析畸变曲线发现，摄像机实际畸变量分布却非均匀，其畸变特性主要表现为径向畸变和切向畸变，但又并不局限于此两种形式。径向畸变网格模型说明，径向畸变为对称畸变，它由光学中心开始，沿着径向产生并逐渐增大。切向畸变网格模型说明，切向畸变同样镜头中心部位的畸变量较小，而随着距离中心半径的增大其畸变量逐渐增大，在边角处达到最大值，且切向畸变为不对称畸变。根据上述像机畸变的物理分布可知，传统摄像机内参数校准方法由于采用综合优化方法，不具备实际对应的物理意义。同时对于由摄像机镜头非球面误差等因素造成的畸变非均匀性等因素没有考虑，因此不能满足精密测量的要求。因此本设计采用平移台和转台对像机畸变等参数进行精确校准，最终实现高精度视觉三维坐标测量的目的。
发明内容为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种精确性高的基于精密平移及转台的像机内参数校准装置。为了达到上述目的，本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置包括精密平移台、精密旋转台、光学实验平台、电移台控制器和主控计算机；其中光学实验平台为一长方形平台，设置在地面上；精密平移台和精密旋转台分别固定在光学实验平台表面两端；电移台控制器与精密平移台相连接，用于控制精密平移台的位置，同时通过串行数据线与主控计算机相连接；主控计算机为整个装置的操控核心，其与待校准摄像机相连接，用于完成对精密平移台上部件的控制。所述的精密平移台包括X轴方向运动电机、X轴方向导轨、LED灯托盘、LED灯、Y轴方向导轨和Y轴方向运动电机；其中x轴方向导轨沿光学实验平台的横向水平设置在光学实验平台的表面一端；Y轴方向导轨垂直设置，其下端以滑动的方式连接在X轴方向导轨上，并且能在X轴方向运动电机的推动下沿X轴方向导轨左右移动；LED灯托盘以滑动的方式连接在Y轴方向导轨上面向精密旋转台的侧面，并且能在Y轴方向运动电机的推动下沿Y轴方向导轨上下移动；LED灯为红外LED发光器件，固定在LED灯托盘的正面，并通过控制线与电移台控制器相连接；X轴方向运动电机安装在X轴方向导轨的一侧端，并通过控制线与电移台控制器相连接，用于控制Y轴方向导轨的位置；γ轴方向运动电机安装在Y轴方向导轨的顶端，并通过控制线与电移台控制器相连接，用于控制LED灯托盘的位置。如图3所示，所述的精密旋转台包括像机托架、角度微调平台、两个角度微调旋钮、两个支撑球、Z轴方向微调平移台、Z轴方向微调旋钮、X轴方向微调平移台、X轴方向微调旋钮、Y轴方向微调平移台、Y轴方向微调旋钮、旋转角度调节支撑台和转台支撑立柱；其中转台支撑立柱垂直设置，下端固定在光学实验平台的表面另一端中部；旋转角度调节支撑台为板状，水平设置在转台支撑立柱的上端；Y轴方向微调平移台为板状，水平设置在旋转角度调节支撑台的上表面，通过调整安装在其一侧的Y轴方向微调旋钮能够在Y轴方向上改变Y轴方向微调平移台与旋转角度调节支撑台之间的相对位置；Χ轴方向微调平移台为板状，水平设置在Y轴方向微调平移台的上表面，通过调整安装在其一侧的X轴方向微调旋钮能够在X轴方向上改变X轴方向微调平移台与Y轴方向微调平移台之间的相对位置；Z轴方向微调平移台为板状，水平设置在X轴方向微调平移台的上表面，通过调整安装在其一侧的Z轴方向微调旋钮能够在Z轴方向上改变Z轴方向微调平移台与X轴方向微调平移台之间的相对位置；角度微调平台由平行设置的两层方形平板构成，其中下层平板水 平设置在Z轴方向微调平移台的上表面，上下两板之间的对角处分别设有一个支撑球；两个角度微调旋钮分别设置在角度微调平台的两侧，通过调整角度微调旋钮能够改变上层平板与下层平板之间的角度；像机托架的下端安装在角度微调平台的上表面上，上端用于固定待校准摄像机。本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置具有如下有益效果(I)本装置可保证摄像机成像过程中的精确性，使系统误差减小到最低；(2)以摄像机实际物理畸变分布为依据，对于摄像机传感器中畸变量大的区域进行密集成像，对于中心处畸变相对小的区域进行稀疏成像，既保证了校准速度，又可保证校准精度；(3)通过计算摄像机成像关键点处的畸变量，可求解出摄像机传感器上每个像素点的畸变量值，并通过误差补偿可极大提高摄像机测量精度，满足当前视觉测量的精度要求。
图I为本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置组成示意图。图2为本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置中精密平移台结构示意图。图3为本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置中精密旋转台结构示意图。图4为LED成像点在像面上的分布示意图。图5为畸变量插值示意图。
具体实施方式
[0017]
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置进行详细说明。如图I所示，本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置包括精密平移台I、精密旋转台2、光学实验平台3、电移台控制器4和主控计算机5 ;其中光学实验平台3为一长方形平台，设置在地面上；精密平移台I和精密旋转台2分别固定在光学实验平台3表面两端；电移台控制器4与精密平移台I相连接，用于控制精密平移台I的位置，同时通过串行数据线与主控计算机5相连接；主控计算机5为整个装置的操控核心，其与待校准摄像机201相连接，用于完成对精密平移台I上部件的控制。如图2所示，所述的精密平移台I包括X轴方向运动电机101、X轴方向导轨102、LED灯托盘103、LED灯104、Y轴方向导轨105和Y轴方向运动电机106 ;其中X轴方向导 轨102沿光学实验平台3的横向水平设置在光学实验平台3的表面一端；Y轴方向导轨105垂直设置，其下端以滑动的方式连接在X轴方向导轨102上，并且能在X轴方向运动电机101的推动下沿X轴方向导轨102左右移动；LED灯托盘103以滑动的方式连接在Y轴方向导轨105上面向精密旋转台2的侧面，并且能在Y轴方向运动电机106的推动下沿Y轴方向导轨105上下移动；LED灯104为红外LED发光器件，固定在LED灯托盘103的正面，并通过控制线与电移台控制器4相连接；X轴方向运动电机101安装在X轴方向导轨102的一侧端，并通过控制线与电移台控制器4相连接，用于控制Y轴方向导轨105的位置；Y轴方向运动电机106安装在Y轴方向导轨105的顶端,并通过控制线与电移台控制器4相连接，用于控制LED灯托盘103的位置。如图3所示，所述的精密旋转台2包括像机托架202、角度微调平台203、两个角度微调旋钮204、两个支撑球205、Ζ轴方向微调平移台206、Ζ轴方向微调旋钮207、Χ轴方向微调平移台208、X轴方向微调旋钮209、Y轴方向微调平移台210、Y轴方向微调旋钮211、旋转角度调节支撑台212和转台支撑立柱213 ;其中转台支撑立柱213垂直设置，下端固定在光学实验平台3的表面另一端中部；旋转角度调节支撑台212为板状，水平设置在转台支撑立柱213的上端；Υ轴方向微调平移台210为板状，水平设置在旋转角度调节支撑台212的上表面，通过调整安装在其一侧的Y轴方向微调旋钮211能够在Y轴方向上改变Y轴方向微调平移台210与旋转角度调节支撑台212之间的相对位置；Χ轴方向微调平移台208为板状，水平设置在Y轴方向微调平移台210的上表面，通过调整安装在其一侧的X轴方向微调旋钮209能够在X轴方向上改变X轴方向微调平移台208与Y轴方向微调平移台210之间的相对位置；Ζ轴方向微调平移台206为板状，水平设置在X轴方向微调平移台208的上表面，通过调整安装在其一侧的Z轴方向微调旋钮207能够在Z轴方向上改变Z轴方向微调平移台206与X轴方向微调平移台208之间的相对位置；角度微调平台203由平行设置的两层方形平板构成，其中下层平板水平设置在Z轴方向微调平移台206的上表面，上下两板之间的对角处分别设有一个支撑球205 ;两个角度微调旋钮204分别设置在角度微调平台203的两侧，通过调整角度微调旋钮204能够改变上层平板与下层平板之间的角度；像机托架202的下端安装在角度微调平台203的上表面上，上端用于固定待校准摄像机201。本实用新型提供的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置使用方法如下(I)首先是设备的调整部分。将X轴方向导轨102固定于已调平的光学实验平台3上，并保证其水平安置，同时将Y轴方向导轨105固定在X轴方向导轨102之上并保证与之垂直，从而确定出XOY平面坐标系，并以Y轴方向导轨105移至X轴方向导轨102的某一端处Y轴方向导轨105和X轴方向导轨102的交点作为零点。(2 )制作可调亮度的LED灯104，采用直径约为4_的LED红外发光管，并将其固定在Y轴方向导轨105上的LED灯托盘103上，如图2所示。(3)如图3所示，将待校准摄像机201固定于精密旋转台2的像机托架202上，将精密平移台I上的X轴方向运动电机101和Y轴方向运动电机106与电移台控制器4相连接，并设置好各个运行参数。(4)连接待校准摄像机201到主控计算机5，并将主控计算机机5通过串口线连接至IJ电移台控制器4上。(5)利用电移台控制器4控制Y轴方向导轨105移动，首先使LED灯104沿像面中心轴线横向(即X轴方向)按一定步长移动并成像，其次同理使LED灯104沿像面中心轴线纵向(即Y轴方向)按一定步长移动并成像。(6)根据上述成像的效果，调节精密旋转台2上各相关调节部件，使待校准摄像机201的像面和XOY平面平行，且使待校准摄像机201的中轴线和XOY面垂直并过中心处。(7)其次是实时图像采集部分。调节待校准摄像机201方位和Y轴方向导轨105归零后，设定Y轴方向导轨105的运动步长，主控计算机5开始不断向电移台控制器4中写入控制命令，同时完成LED灯104发光点在待校准摄像机201内的成像并保存。(8)根据待校准摄像机201传感器畸变量大小的分布情况，可在成像过程中动态调节导轨移动步长，只在设置的关键点处成像，以此加快校准速度，实际关键点分布依据待校准像面大小而定，具体分布示意图如图4所示，即从像面中心处向外逐渐变密。(9)最后为畸变量计算部分。采集图像完毕后，主控计算机5对采集的图像进行质心定位处理，得出LED灯104每次成像后的中心坐标，再比较关键点处的理论坐标以及通过质心定位后的质心坐标，得出关键点处的畸变量，并存储关键点处的畸变量到数据库中，方便日后摄像机在测量过程中像面坐标的误差补偿。对于其他像素点处的畸变量可通过分别在X和Y轴方向畸变量插值的方法得出，具体示意图如图5所示。
权利要求1.一种基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置，其特征在于所述的摄像机内参数校准装置包括精密平移台(I)、精密旋转台(2)、光学实验平台(3)、电移台控制器(4)和主控计算机(5);其中光学实验平台(3)为一长方形平台，设置在地面上；精密平移台(I)和精密旋转台⑵分别固定在光学实验平台⑶表面两端；电移台控制器⑷与精密平移台(I)相连接，用于控制精密平移台(I)的位置，同时通过串行数据线与主控计算机(5)相连接；主控计算机(5)为整个装置的操控核心，其与待校准摄像机(201)相连接，用于完成对精密平移台(I)上部件的控制。
2.根据权利要求I所述的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置，其特征在于所述的精密平移台(I)包括X轴方向运动电机(101)、X轴方向导轨(102)、LED灯托盘(103)、LED灯(104)、Y轴方向导轨(105)和Y轴方向运动电机(106);其中Χ轴方向导轨(102)沿光学实验平台(3)的横向水平设置在光学实验平台(3)的表面一端；Υ轴方向导轨(105)垂直设置，其下端以滑动的方式连接在X轴方向导轨(102)上，并且能在X轴方向运动电机(101)的推动下沿X轴方向导轨(102)左右移动；LED灯托盘(103)以滑动的方式连接在Y轴方向导轨(105)上面向精密旋转台(2)的侧面，并且能在Y轴方向运动电机(106)的推动下沿Y轴方向导轨(105)上下移动；LED灯(104)为红外LED发光器件，固定在LED灯托盘(103)的正面，并通过控制线与电移台控制器(4)相连接；X轴方向运动电机(101)安装在X轴方向导轨(102)的一侧端，并通过控制线与电移台控制器(4)相连接，用于控制Y轴方向导轨(105)的位置；￥轴方向运动电机(106)安装在Y轴方向导轨(105)的顶端，并通过控制线与电移台控制器⑷相连接，用于控制LED灯托盘(103)的位置。 . 2、根据权利要求I所述的基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置，其特征在于所述的精密旋转台(2)包括像机托架(202)、角度微调平台(203)、两个角度微调旋钮(204)、两个支撑球(205)、Z轴方向微调平移台(206)、Z轴方向微调旋钮(207)、X轴方向微调平移台(208)、X轴方向微调旋钮(209)、Y轴方向微调平移台(210)、Y轴方向微调旋钮(211)、旋转角度调节支撑台(212)和转台支撑立柱(213);其中转台支撑立柱(213)垂直设置，下端固定在光学实验平台(3)的表面另一端中部；旋转角度调节支撑台(212)为板状，水平设置在转台支撑立柱(213)的上端；Y轴方向微调平移台(210)为板状，水平设置在旋转角度调节支撑台(212)的上表面，通过调整安装在其一侧的Y轴方向微调旋钮(211)能够在Y轴方向上改变Y轴方向微调平移台(210)与旋转角度调节支撑台(212)之间的相对位置；X轴方向微调平移台(208)为板状，水平设置在Y轴方向微调平移台(210)的上表面，通过调整安装在其一侧的X轴方向微调旋钮(209)能够在X轴方向上改变X轴方向微调平移台(208)与Y轴方向微调平移台(210)之间的相对位置；Z轴方向微调平移台(206)为板状，水平设置在X轴方向微调平移台(208)的上表面，通过调整安装在其一侧的Z轴方向微调旋钮(207)能够在Z轴方向上改变Z轴方向微调平移台(206)与X轴方向微调平移台(208)之间的相对位置；角度微调平台(203)由平行设置的两层方形平板构成，其中下层平板水平设置在Z轴方向微调平移台(206)的上表面，上下两板之间的对角处分别设有一个支撑球(205);两个角度微调旋钮(204)分别设置在角度微调平台(203)的两侧，通过调整角度微调旋钮(204)能够改变上层平板与下层平板之间的角度；像机托架(202)的下端安装在角度微调平台(203)的上表面上，上端用于固定待校准摄像机(201)。
专利摘要一种基于精密平移及转台的摄像机内参数校准装置。其包括精密平移台、精密旋转台、光学实验平台、电移台控制器和主控计算机；精密平移台和精密旋转台固定在光学实验平台表面两端；电移台控制器与精密平移台及主控计算机相连；主控计算机与待校准摄像机相接。本实用新型的摄像机内参数校准装置具有如下有益效果可保证摄像机成像过程中的精确性；以摄像机实际物理畸变分布为依据，对于摄像机传感器中畸变量大的区域进行密集成像，对于中心处畸变相对小的区域进行稀疏成像，既保证了校准速度，又可保证校准精度；通过计算摄像机成像关键点处的畸变量，可求解出摄像机传感器上每个像素点的畸变量值，并通过误差补偿可极大提高摄像机测量精度。
文档编号F16M11/18GK202652427SQ20122025794
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者于之靖, 潘晓 申请人:中国民航大学