多目相机标定装置的制作方法

本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及一种多目相机标定装置。

背景技术：

目前，在复杂环境下进行物体的对准装配工作时，由于空间狭窄局促等问题，现有机械手不易操作，需要依靠人工目测来完成，但人工目测效率低，精度差，严重时甚至对于操作人员的人身财产安全造成危害，在工作效率和生产经济性上都不能满足现今对于生产和安全的需求。因此为了提高作业效率和提高操作人员的作业安全水平，通常在机械手末端安装固定工业相机进行辅助操作。

在实际使用多目相机，例如双目或四目相机，辅助装配操作前，需要对相机进行标定，保证相机间视场存在重叠区域，并且该区域能够覆盖整个标定物。而对于无重叠区域的多目相机标定，现有的标定装置并不适用，市场上也没有相关的相机标定装置。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出一种多目相机标定装置，以实现相机高精度的标定。

本发明中的多目相机标定装置，包括托架、相机调节固定装置、标定框和至少一个立体标定块，所述相机调节固定装置以在水平方向上和在竖直方向上能够自由调节的方式支撑在所述托架上，所述相机调节固定装置用于安装相机，并且使其能够置于所述标定框形成的空间区域中，以进行相机的标定，所述至少一个立体标定块放置在所述标定框形成的空间区域上部或者下部平面上，以建立物体坐标系与视觉检测坐标系之间的转换关系。

进一步地，所述立体标定块包括底座、围框和多个标定点，所述底座为三层的台阶结构，所述多个标定点分布在所述底座的各个阶层的上表面，所述底座具有与所述围框和标定点不同的颜色。

进一步地，所述底座为纯白色，所述围框和标定点为纯黑色。

进一步地，所述底座为正方形，所述标定点为圆形并且以等间距的阵列形式布置在所述底座各个阶层的上表面。

进一步地，所述标定点由镶嵌在所述底座中的圆柱段形成。

进一步地，所述托架包括底座、垂直圆棒、水平圆棒和两通支承块，所述垂直圆棒沿竖直方向固定在所述底座上，所述两通支承块具有相互垂直的第一圆孔和第二圆孔，所述两通支承块通过第一圆孔以能松开、夹紧的方式固定在所述垂直圆棒上，所述水平圆棒沿水平方向以能松开、夹紧的方式固定在所述两通支承块的第二圆孔中。

进一步地，所述相机调节固定装置包括托台、第一圆棒、第二圆棒和相机安装固定夹，在所述托台中设有彼此垂直延伸的第一圆孔和第二圆孔，所述第一圆棒和第二圆棒分别穿过所述第一圆孔和第二圆孔，所述相机安装固定夹以能松开、夹紧的方式固定在所述第一圆棒和第二圆棒上。

进一步地，所述标定框呈U形，包括上盖板、下底板、支承固定上盖板与下底板的连接板，在所述上盖板和下底板中心分别加工有用于安装立体标定块的正方孔。

进一步地，所述上盖板、下底板和连接板之间通过圆头精密定位销进行定位。

进一步地，在所述标定框的内表面粘贴深色哑光贴膜。

本发明中，采用立体标定块，极大地提高了多目相机的深度标定精度。本发明的装置不仅适用于四目相机的标定，且适用于双目相机的标定，适应性广，可广泛应用于自动装配生产线的视觉标定。

附图说明

图1是本发明实施例的用于背对背四目相机的标定装置整体结构示意图；

图2是本发明实施例的托架结构示意图；

图3是本发明实施例的相机调节固定装置整体结构示意图；

图4是本发明实施例的分体式托台结构示意图；

图5是本发明实施例的相机安装固定夹的结构示意图；

图6是本发明实施例的U形标定框结构示意图；

图7是本发明实施例的立体标定块结构示意图；

图8为本发明实施例的标定装置工作流程图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

图1是本发明实施例的用于背对背四目相机的标定装置整体结构示意图。如图1所示，该标定装置包括托架1、相机调节固定装置2、标定框3和至少一个立体标定块4，所述相机调节固定装置2以在水平方向上和在竖直方向上能自由调节的方式支撑在所述托架1上，所述相机调节固定装置2用于安装相机5，并且能够置于所述标定框3中，以进行相机的标定，所述至少一个立体标定块4放置在所述标定框3形成的空间区域上部或者下部平面上，以建立物体坐标系与视觉检测坐标系之间的转换关系。

托架1用于支撑相机调节固定装置2以及安装在相机调节固定装置2上的相机5，并实现相机调节固定装置2在水平方向上的旋转、移动以及在竖直方向上的升降等调节活动。

图2是本发明优选实施例的托架1结构示意图。如图2所示，托架1包括H形底座1.6、底座套1.5、垂直圆棒1.1、防松定位套1.4、两通支承块1.3、水平圆棒1.2。在进行相机标定时，H形底座1.6水平放置于工作台面上，用作托架1的支撑基座。H形底座1.6可采用外表面镀镍的45#钢材料，从而确保了底座1.6具有足够的配重，同时，H形结构又有效减轻了底座1.6的整体重量。垂直圆棒1.1沿竖直方向固定在H形底座1.6中，例如采用紧固螺钉将垂直圆棒1.1紧固在H形底座1.6中。底座套1.5套在垂直圆棒1.1上并固定在H形底座1.6上。防松定位套1.4套入垂直圆棒1.1中部适当位置并固定，例如采用梅花螺母紧固，梅花螺母便于手动地松、紧防松定位套1.4，以此调节防松定位套1.4的高度。两通支承块1.3通过第一圆孔套装在垂直圆棒1.1上并且水平放置于防松定位套1.4上，两通支承块1.3能够通过紧固零件，例如梅花螺母相对于垂直圆棒1.1松、紧，使得两通支承块1.3沿垂直圆棒1.1绕着垂直圆棒1.1移动或转动调节。水平圆棒1.2水平地套入两通支承块1.3的第二圆孔中并能够相对于两通支承块1.3固定或松开，例如采用梅花螺母将水平圆棒1.2拧紧在两通支承块1.3第二圆孔中，梅花螺母便于手动地松紧水平圆棒1.2，可使水平圆棒1.2相对于两通支承块沿着水平方向移动或者绕着水平轴线转动。优选地，垂直圆棒1.1和水平圆棒1.2上均刻有长度尺，可方便地控制水平圆棒1.2和垂直圆棒1.1的位置，两通支承块1.3下方表面的圆孔刻有180°角度尺，便于控制相机调节固定装置2的旋转角度。

相机调节固定装置2安装在水平圆棒1.2上，操作人员通过手动地松开分别用于固定防松定位套1.4、两通支承块1.3、水平圆棒1.2的梅花螺母中，便可调节水平圆棒1.2相对于底座1.6的角度和/或位置，从而实现对相机调节固定装置2的调节。

本实施例中，通过防松定位套1.4作为两通支承块1.3的水平调节支撑平面，实现了两通支承块1.3以垂直圆棒1.1作为中心轴的自由旋转。两通支承块1.3还可以作为对于水平于底平面的水平圆棒1.2的有效支承，且实现了空间上各活动部件间的角度垂直转换。套装在两通支承块1.3第二圆孔中的水平圆棒1.2实现了相机调节固定装置2在水平方向上沿水平圆棒1.2的中心轴线的水平位置移动和固定。

图3是本发明优选实施例的相机调节固定装置2的结构示意图。相机调节固定装置2包括托台2.1、相机套件2.2、中部带椭圆缺口的第一圆棒2.3、第二圆棒2.4、相机安装固定夹2.5。如图4所示，托台2.1可以为上下分体式，分体式托台2.1包括托台下部2.1.1和托台上部2.1.2，托台上部2.1.2中轴线上加工通孔，托台下部2.1.1轴线上加工内螺纹，整体采用螺栓连接。在需要旋转角度时通过松开连接螺栓实现其夹角变化。在托台下部2.1.1和托台上部2.1.2中分别设有彼此垂直的延伸的用于第一圆棒2.3、第二圆棒2.4的第一圆孔2.1.3和第二圆孔2.1.4。如图3所示，第二圆棒2.4从图5中托台下部2.1.1的第二圆孔2.1.4穿过，中部带椭圆缺口的第一圆棒2.3水平插入图5中托台上部2.1.2的第一圆孔2.1.3，采用紧固件例如盘头螺钉将托台上部2.1.2以及第一圆棒2.3整体贯穿拧紧在托台下部2.1.1上。相机套件2.2连接于相机安装与固定夹2.5，相机5容纳在相机套件2.2中。如图2所示，本实施例中有四个相机套件2.2和四个相机安装与固定夹2.5，它们两个为一组，分别安装在第一圆棒2.3、第二圆棒2.4上。第一圆棒2.3上的椭圆缺口能实现位于其上的一组多目相机沿第一圆棒2.3的轴线的水平往复移动，以调节该组相机与另一组相机的空间距离、位置关系。此外，通过托台2.1的分体式结构，能够调节两对多目相机之间形成的空间夹角，通过调节两对多目相机之间的角度，寻找能够符合视场要求的最小夹角，从而压缩多目相机的空间体积。在托台下部2.1.1还设有与第一圆孔2.1.3平行延伸的第三圆孔2.1.5，相机调节固定装置2整体上通过圆孔2.1.5套装在水平圆棒1.2上，如图1所示。

图5是本发明优选实施例的相机安装固定夹2.5的结构示意图。如图5所示，相机安装固定夹2.5包括相机安装座2.5.1和相机固定夹2.5.2。相机安装座2.5.1为配合相机底座形状的长方形，在其一侧上固定有相机套件2.2，在与该侧垂直的另一侧上固定相机固定夹2.5.2。具体地，可通过沉头螺钉穿过相机固定夹2.5.2的朝向相机安装座2.5.1的固定面，固定在相机安装座2.5.1上。在相机安装座2.5.1的用于固定相机固定夹2.5.2的轴线方向侧边面上刻有圆形刻度盘，以便于调整相机安装座2.5.1与相机固定夹2.5.2之间的角度。将相机固定夹2.5.2套装到第一圆棒2.3或第二圆棒2.4上，然后通过螺纹收紧相机固定夹2.5.2的翻边2.5.3，相机固定夹2.5.2连同相机安装座2.5.1即固定在第一圆棒2.3或第二圆棒2.4上。通过松开翻边2.5.3，可调节相机安装与固定夹2.5在第一圆棒2.3或第二圆棒2.4上的位置和相对角度。为此，可在第一圆棒2.3、第二圆棒2.4上刻有长度刻度和角度刻度。通过第一圆棒2.3、第二圆棒2.4的连接作用，实现了各组的分别的两个相机5可以在同一水平面X、Y相对垂直的位置上距离的调节和固定，且实现了相机5平行于圆棒中心轴线的角度调节。

图6是本发明优选实施例的标定框3结构示意图。如图6所示，标定框3呈U形，包括上盖板3.1、下底板3.2、支承固定上盖板3.1与下底板3.2的连接板3.3。标定框3可采用三块等厚度的板材例如铝板拼装而成。参照立体标定块4的外轮廓尺寸，在上盖板3.1和下底板3.2中心点位置分别加工出相应的方孔，用于镶嵌安装立体标定块4，其中方孔加工有台阶，可以固定标定块，防止因为重力作用坠落。以连接板3.3作为支撑板，上盖板3.1、下底板3.2、连接板3.3之间采用内六角螺钉3.4连接紧固，并通过圆头精密定位销进行定位，以确保上下方孔之间的同轴度和平行度。

在一个实施方式中，标定框3的内表面均粘贴哑光贴膜，尤其是深灰色哑光贴膜，以避免大量不规则光斑的形成，对标定实验中相机取景起到积极的辅助作用。

图7是本发明优选实施例的立体标定块4结构示意图。如图7所示，立体标定块4包括底座4.1.1、围框4.1.3和标定点4.1.2，底座4.1.1为三层台阶结构。底座4.1.1具有与围框4.1.3、标定点4.1.2不同的颜色，以满足分色识别的需要。优选的底座4.1.1为纯白色、围框4.1.3和标定点4.1.2为纯黑色，黑白配色可以达到底座4.1.1与标定点4.1.2之间最大的灰度值差。如图7所示的实施例中，底座4.1.1为方形，在方形的底座4.1.1的一个角上加工有一方向标记点、例如一个三角形，用于指示方向。围框4.1.3四边等距镶嵌安装在底座4.1.1的最下层的外缘上，各标定点4.1.2彼此等间距镶嵌安装在底座4.1.1的上表面。标定点4.1.2可为圆形轮廓，也可为正方形等其他规则形状。规则的轮廓形状能够更好地使相机识别到其中心点，而圆形规则形状更加便于加工、装配以及规则的等间距排布。具体地，如图7所示，围框4.1.3为正方形，在围框4.1.3内部立体标定块4的三个台阶上分别设有等间距呈矩阵形式的、等大小的共计49个标定点，其中最底层采用一圈7×7的等间距标定点，中间层采用一圈5×5的等间距标定点，最上层采用3×3的等间距标定点。正方形的围框4.1.3，有利于实现标定点之间的规则点状排列。本发明中，底座4.1.1的每级台阶高度应选择为，使得对于双目相机或者多目相机，不能有标定点4.1.2被遮挡。图7的实施例中每级台阶高度为10mm。标定点4.1.2可由镶嵌在底座4.1.1中的圆孔中的圆柱段形成。底座4.1.1、围框4.1.3、圆柱段可采用过盈配合的方式组装在一起。最后再将其整体以上平面磨削加工的方式进行二次加工，确保立体标定块的上表面的表面粗糙度符合标定时满足对于精度的要求，实现对相机的精密标定。

为满足分色识别需要，立体标定块4的底座4.1.1可采用纯白色亚克力材料，围框4.1.3和形成标定点4.1.2的圆柱段可采用纯黑色亚克力材料。多个圆柱段阵列排布形成的圆柱点状结构，能更好达到对相机进行识别标定的目的。立体标定块4的尺寸由相机5的视场确定，一般需要占有视场的1/3。相对于平面靶标，立体标定块4可以提高相机深度方向的标定精度。如图1所示，在标定工作中，标定框3水平放置于工作台面上，立体标定块4分别成组镜像地嵌入标定框3的上下方孔中。

在多个多目立体视觉测量子系统进行协同测量时，各个子系统测得的三维空间点坐标分别位于各自的测量坐标系下。为了能够将这些数据进行统一处理，需要将其统一到同一个坐标系下。具体而言，就是以其中一个多目立体视觉测量子系统所在的坐标系为基准，将其他各个测量子系统测得的数据变换到该基准坐标系下，求解对应的变换关系的过程就是子系统之间的相对位姿的标定。本发明的相机标定装置的标定过程包括下列步骤：建立立体标定块的空间坐标系；从不同角度拍摄立体标定块；提取标定点，获取标定点的图像坐标集；求解各多目视觉子系统的内外参数；根据算法标定各多目视觉子系统间的相对位姿关系。

本发明的相机标定装置可以根据初始化的角度、位置等空间坐标参数进行相机的标定，并能根据需要再次进行相机角度、距离等参数调节，以及根据需要成对地更换所需的不同规格的标定块，以此达到对多目相机尤其是四目相机的高精度标定。

本发明的相机标定装置采用立体标定块，极大地提高了多目相机的深度标定精度。该装置整体结构紧凑，且相机具备多个自由度可调节功能，可以实现不同种类相机的位姿参数快速调整，有效地提高了标定效率。该装置不仅适用于四目相机的标定，且适用于双目相机的标定，适应性广，可广泛应用于自动装配生产线的视觉标定。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。