多功能自动化标定系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多功能自动化标定系统，该多功能自动化标定系统包括标定处理系统、标定板、标定罩、运动装置，标定处理系统和标定板运动装置无直接物理上的机械连接，标定板、标定罩由可进行操控的、可运动的运动装置一起移动，运动装置同时也起到对标定板和标定罩的机械支撑作用。本实用新型容易使用，安全性高，结构简单，不需要复杂的专业设计即可自行制作，标定过程高效便捷，数据处理效果稳定可靠。
【专利说明】
多功能自动化标定系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种相机间的标定系统，特别是涉及一种多功能自动化标定系统。【背景技术】
[0002]常见的相机的标定(联合标定)，尤其是针对多种类型的相机间的标定，例如，基于红外相机和可见光相机的联合标定，或者基于微光夜视相机和红外相机间的联合标定，或者双目红外相机，或双目可见光相机，如果在一个多类型多目相机系统中，往往需要针对不同类型相机或综合考虑两种类型相机，分别设计多种标定设备，或者设计特殊的复杂机械、 电气模块组合成标定设备，不仅设计制造复杂，而且由于引入过多的机械和电气连接部分， 精度也无法保证。例如，为获取红外相机的标定参数，一般是设计镂空棋盘图案，此时机械加工和制作比较困难;或者是设计单独的加热单元(加热板)，和单独的隔热单元间隔拼接组成，不仅机械连接设计复杂，而且加热单元和隔热单元的机械加工、安装精度无法保证， 如果要标定微光夜视相机或普通可见光相机，此时的红外加热标定板或者镂空标定板又失去了实用价值，需要重新设计和制作。在一个实用的系统中，往往多种类型的相机共同存在，此时，不得不提供多种定制类型的标定板或标定系统以满足不同的应用场景，既不便于使用，也造成资源的极大浪费。
[0003]如果不同类型的相机之间需要联合标定，对于相机间数据时间点的同步非常重要，现有的采集卡通常是独立的多通道的采集，同一采集卡通道间数据是不同步的(相机间采集和传输的图像数据不一定是同一时刻)，不同之间的采集卡或者采集接口更是不同步的。如果仅仅是为保证标定或联合标定多相机时的数据同步而设计特殊的同步电路，在技术实现的经济性上得不偿失，可操作性极低，也不大现实(相机接口类型、分辨率、数据格式多种多样)。相机间的联合标定关键就是要获取同一标定纹理图案对于不同相机间的空间分布(相对于相机的坐标)，如果是针对运动的标定纹理，就要严格保证数据采集的同步性， 即同一时刻点，对于静止的数据标定则不存在数据同步问题。而闲杂一般的标定都是通过移动标定板的方式进行，是标定运动的纹理图案，标定数据的同步性无法保证，相机间的联合标定就失去意义。
[0004]例如，相机C0和C1之间同时拍摄场景S内的运动物体M，由于某种传输或者采集原始，处理系统得到C0和C1的物体M图像是t0和tl时刻，如果要联合分析物体在某个时刻t，对于C0和C1的空间的绝对分布(相对于相机的坐标)，比如坐标，是无法比较的，因为没有同步电路保证拍摄的同步性或者通过时间戳的判断保证同步性，无法保证to和tl是同一时刻； 但如果让运动物体M保持静止，要联合分析物体在某个时刻t，物体M对于C0和C1的空间的绝对分布(相对于相机的坐标)，采集点t0和tl不会对分析有任何影响，因为此时物体M相对于 C0和C1是静止不动的，时间上的差异不会对空间分布的分析有影响。
[0005]即使t0和tl 一直不相等，静止的物体M对于C0和C1的空间分布不会受任意分析时亥Ijt选择的影响。而现在的标定一般是人工手持标定板或者通过某种方式移动标定板，在标定纹理图案拍摄的过程中，标定图案或者纹理存在运动情况，存在如前所述的问题。
[0006]归根结底，为解决多种相机(间)的标定或联合标定，需要解决以下问题:一是多种类型相机或相机间的标定或联合标定设备的易用性和通用性，二是保证标定时标定数据的同步性问题，故从可操作的便利性、易用性、通用性和设计制造成本方面考虑，提出本实用新型。【实用新型内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多功能自动化标定系统，其容易使用，安全性高，结构简单，不需要复杂的专业设计即可自行制作，标定过程高效便捷，数据处理效果稳定可靠。
[0008]本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种多功能自动化标定系统，其包括:
[0009]标定处理系统，由一种或多种、一个或多个、不同角度或不同位置且由同类型或不同类型的工业相机、红外相机、微光夜视相机或其他可转换为数字图像的成像系统的成像设备组成；[〇〇1〇]标定板，由上层和下层组成，标定板上设有标定纹理图案；[〇〇11]标定罩，是作用于标定纹理图案前的遮挡机构，全部或者部分遮挡标定纹理图案， 尺寸以完全遮挡标定纹理图案为准，由金属挡板制成，有效遮挡红外线或可见光谱；
[0012]运动装置是产生移动作用的装置，主要是控制标定罩和标定板的移动，还起到对标定板和标定罩的机械支持作用;运动结构使标定板产生三维方向的旋转和移动，从而产生多角度、多方位的标定数据;此时标定罩跟随标定板的移动和旋转而产生相应的移动和旋转，以充分发挥标定罩的遮挡作用。
[0013]优选地，所述标定板具有红外或者微光材料的涂层。
[0014]优选地，所述标定纹理图案包括经典的棋盘格纹理图案、网格点阵图案。
[0015]优选地，所述标定板是针对多个相机、多种相机或以光学成像或转化为光学成像方式处理的成像系统的同时标定或者联合标定。
[0016]优选地，所述标定罩是标定系统的一部分或独立使用。
[0017]优选地，所述运动装置是基于各种可编程的运动控制装置。
[0018]优选地，所述标定处理系统同时处理多类型多相机的标定或联合标定。
[0019]优选地，所述标定处理系统智能判断某时刻有效的标定数据和之前的有效标定数据是否存在高度相似，从而决定是否采用某时刻的标定数据。
[0020]本实用新型的积极进步效果在于:本实用新型可广泛应用于各类基于以数字图像、数字视频采集、数字图像处理为应用的双目、多目、多种不同类型的相机或成像系统的 3D重建、多模式图像融合、双目测距、3D扫描、虚拟现实、增强现实、智能机器人系统、智能识别和智能交互设备、智能显示和交互设备，可实现高效率标定或立体标定，快速有效的获取相机(间)或成像系统(间)的标定或联合标定数据，为三维重建、立体测距、多模式图像融合提供核心重建数据。本实用新型不需要额外太多的辅助的专业化仪器和设备。多功能标定板通过普通的机械加工或市面上可以简单定制;不需要为保证标定数据的同步性而复杂的电子电路或专用图像采集设备，通过常用具有死锁和移动功能的运动装置就可以完成;标定罩如果用人工遮挡的方式下，也可以省略，只要和运动装配配合符合逻辑关系即可。另外具有以下几个方面的特点:1)易用性:一种标定板，同时适用于多个、多种相机或成像系统， 设计制作简单;2)安全性:标定的涂层材料均为无公害的材料，采用电加热方式的输入电压为安全电压;标定板的最高加热温度严格控制在60?70度左右；刚性金属标定板通过运动装置机械支撑和移动；以上均保证对现场操作人员的人身安全;3)结构:普通的机电运动设备和普通的(电)加热板，制作简单，市面上有大量现成成品可用，只要能够实现移动和姿态保持/锁死功能即可;标定罩无特殊要求，只要能有效遮挡标定板或者取消对标定板的遮挡即可，如果采用人工遮挡方式，标定罩可以取消;4)成本:基本属于原材料固定成本，有大量现成零部件可以组装;普通电加热的金属板，可加热金属板市面上有大量生产厂家，可以直接定制采购；凹凸标定板表面可简单定制加工制作;标定纹理的涂层，根据需要，用碳化娃或无公害的荧光材料贴层、涂层覆盖凹凸表面，覆盖范围以凹凸分界线为参考，组成黑白标定图案(棋盘格或点阵圆)，不需要复杂专业设计，可自行制作，简单易行;5)技术参数:选择制作合适的小大和相应的密集标定纹理可提高精度;标定处理系统运行标定算法，十分成熟稳定。6)实验效果:操作简单，标定过程高效便捷，数据处理效果稳定可靠，具有实用推广价值。【附图说明】
[0021]图1为本实用新型多功能自动化标定系统实施例的组成示意图；
[0022]图2为本实用新型多功能自动化标定系统的标定板结构示意图。【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。 [〇〇24]如图1所示，该实施例主要包括标定处理系统1、标定罩2、标定板3、运动装置4,其中:
[0025]标定处理系统1由一种或多种、一个或多个、不同角度或不同位置且由同类型或不同类型的工业相机、红外相机、微光夜视相机或其他可转换为数字图像的成像系统(一般配有普通或者特殊镜头)的成像设备组成。所述标定处理系统1是软件和算法实现系统，用于获取标定纹理图案图像、检测有效的标定纹理图案和对标定数据进彳丁处理，最终可以广生单个相机的内部参数、完毕参数或需要联合标定的任意两个相机间的联合标定参数，一般由普通的PC和图像采集接口组成，图像采集接口可以是图像采集卡、USB 口或者网口，具体接口和相机数据输出接口保持一致。系统在标定处理之前，设定初始参数即可，比如设定最大标定帧数，之后，系统根据算法进行处理，自行完成标定任务，产生标定数据并保存在硬盘或其他存储介质上，供后续具体应用使用。[〇〇26]标定板2由双层组成，上层(有标定纹理或标定图案的层)L1和下层L2组成，标定板上设有标定纹理图案。上层L1由刚性金属板(铝制或钢板)组成，上层L1上有凹凸不同的特殊纹理(以棋盘格为例)，所示下层L2由普通的加热板组成，一般为普通的安全电压(直流 24V)输入加热(安全低热，一般为60?70度)，上层L1和下层L2紧密接触，下层L2加热后通过热传导，可以传递热量给上层L1。纹理A和B代表上层L1上的凹凸不同物理位置，本例中仅以棋盘格方形为例说明，实际中的纹理可以是各种设计的标定纹理，比如，圆形点阵。A和B的物理位置分别涂抹不同材质，针对不同类型的有利于相机成像的光谱材料或者有利于多种相机成像的多种光谱混合材料，填充范围由上层L1板面的凹凸范围为限。比如，标定红外相机和微光夜视相机时的A单元表面覆盖或者涂抹有能够受热(由下层L2)产生红外的材料粉末(例如碳化硅)、涂层)的B单元表面覆盖或者涂抹有能够在夜视条件下发出或反射荧光的材料粉末、涂层，考虑到同时标定普通光学相机，A单元的红外粉末、涂层材料可以制作成黑色，B单元的微光夜视材料粉末、涂层材料可以制作成白色;也可以把A单元做成是红外粉末或涂层和微光夜视材料粉末或涂层的混合，制作为白色，B只填充或者涂抹黑色材料;这样， 在红外相机、微光夜视相机和普通光学相机或其他类型的相机联合标定时，所看到的标定图案或纹理是相似的，针对本文的棋盘图案，三种相机看到的都是棋盘纹理图案。对于其他类型的相机，标定板可以按照类似方法设计和制作，或者标定纹理按照特定需要制作。
[0027]标定罩3是作用于标定纹理图案前(面向拍摄相机)的遮挡机构，可以全部或者部分遮挡标定纹理图案，尺寸以完全遮挡纹理图案为准，由金属挡板制成，可以有效遮挡红外线或可见光谱。随运动运动机构的运动而起遮挡作用或运动机构的锁死消除遮挡作用(移除)。标定罩3可以起到对标定数据采集的同步作用，相机之间的联合标定数据的同步性由其保证。标定罩遮挡时，此时对多个相机或标定处理系统而言，是无法获取有效的标定数据，所以标定不能有效进行;标定罩3移除时，取消遮挡，此时标定纹理图案在空间上静止不动，对多个相机或标定处理系统而言，所获取的标定数据是同步的。由于上层L1是一整体刚性板面，制作的凹凸标定纹理图案容易加工制作，精度有保证，而且，加大纹理尺寸，凹凸纹理图案加工制作或安装的误差可以相对减少，可以提高标定精度。
[0028]运动装置4是产生移动作用，主要是控制标定罩和标定板的移动，还起到对标定板和标定罩的机械支持作用的装置。运动结构可以使标定板产生三维方向的旋转(一定角度) 和移动，从而可以产生多角度、多方位的标定数据。此时标定罩跟随标定板的移动和旋转而产生相应的移动和旋转，以充分发挥标定罩的遮挡作用。运动装置可以通过开关或者遥控器或手持操作面板进行控制，也可以按照事先设定的运动模式/轨迹自动完成，实现形式多样，核心只保证和标定罩的联动、三维空间上移动和旋转标定板即可。
[0029]结合图2,所述标定板可以是省略了下层L2的，只有上层L1的凹凸标定板，上层L1 也可以是兼备电加热或者其他方式可加热的具有一定刚性强度金属板;凹凸标定板可以是用精密机械加工刻制而成，也可以是通过外部单元格贴合或者焊接而成。
[0030]所述标定板具有红外或者微光材料的涂层，也可以是其他任何适合材料、适合特定成像系统的涂层。
[0031]所述标定板的标定纹理图案不仅仅局限于经典的(黑白)棋盘格纹理图案、网格点阵图案，也可是任何有规律、有规则的易于软件和算法唯一识别的纹理图案。
[0032]所述标定板，是针对多个相机、多种相机或以光学成像或可以转化为光学成像方式处理的成像系统的同时标定或者联合标定，不仅仅局限于可见光、红外、微光夜视等方式成像。
[0033]所述标定罩是标定系统的一部分，也可以独立使用，例如可以通过人工遮挡方式实现，配合运动装置，符合的联动逻辑即可;遮挡罩的制作材料不限，只要能满足对于特定标定相机的标定纹理图案成像遮挡即可。
[0034]所述多功能自动化标定系统运动装置，可以是基于各种可编程的运动控制装置， 比如单片机、PLC、DSP或者普通PC控制的电气或者机电控制装置。[〇〇35]所述多功能自动化标定系统的标定处理系统可以同时处理多类型多相机的标定或联合标定。标定处理系统和运动装置可以通过通讯端口、接口(串口，wifi，网络等)进行通信(无线或者有线方式)。如果通过通讯，运动装置的锁死和移动状态反馈给标定处理系统，标定处理系统可以自行进行标定数据的同步处理，遮挡罩可以取消，此时可通过通信的方式，实现标定数据的同步。[〇〇36]所述标定处理系统是指标定处理系统可以智能判断某时刻有效的的标定数据和之前的有效标定数据是否存在高度相似，从而决定是否采用某时刻的标定数据(有效的)， 从而避免对同一场景有效数据的反复标定，提高标定数据的有效性、可信度。此处提到的高度相似，是指某标定纹理图案的姿态和三维空间的相似，对于同一姿态的不同距离、同一距离的不同姿态，是高度不相似的。
[0037]所述运动装置可以通过开关或者遥控器或手持操作面板进行控制，也可以按照事先设定的运动模式/轨迹自动完成，实现形式多样，核心只保证和标定罩的联动、三维空间上移动和旋转标定板即可。
[0038]本实用新型的多功能自动化标定系统的标定方法，其包括以下步骤:在标定数据未准备好时，此时运动装置未锁死时或在移动过程中，通过标定罩的物理遮挡使标定处理系统无法获取有效的标定数据，当标定数据准备好时，此时运动装置锁死时或停止移动时， 标定罩移除，取消遮挡作用，相机可以获取静止的有效的标定数据;在运动机构未锁死之前或下一次运动机构移动之前，标定处理系统可以获取多相机拍摄到同一空间位置静止的标定纹理图案数据，如此反复，直到标定处理系统认为得到所有有效的标定参数，标定过程完毕。
[0039]所述多功能自动化标定系统的标定方法在运动机构未锁死之前或下一次运动机构移动之前，标定处理系统可以获取多相机拍摄到同一空间位置静止的标定纹理图案数据，此时相机之间图像数据的采集和传输不同步的影响不会对联合标定有影响，因为此时获取的空间标定纹理图案是静止场景，对于标定处理系统来说，相当于获得了时间轴上的同步的有效标定数据。
[0040]以上所述的具体实施例，对本实用新型的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种多功能自动化标定系统，其特征在于，其包括:标定处理系统，由一种或多种、一个或多个、不同角度或不同位置且由同类型或不同类 型的工业相机、红外相机、微光夜视相机或其他可转换为数字图像的成像系统的成像设备 组成；标定板，由上层和下层组成，标定板上设有标定纹理图案；标定罩，是作用于标定纹理图案前的遮挡机构，全部或者部分遮挡标定纹理图案，尺寸 以完全遮挡标定纹理图案为准，由金属挡板制成，有效遮挡红外线或可见光谱；运动装置是产生移动作用的装置，主要是控制标定罩和标定板的移动，还起到对标定 板和标定罩的机械支持作用;运动结构使标定板产生三维方向的旋转和移动，从而产生多 角度、多方位的标定数据;此时标定罩跟随标定板的移动和旋转而产生相应的移动和旋转， 以充分发挥标定罩的遮挡作用。2.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定板具有红外或者 微光材料的涂层。3.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定纹理图案包括经 典的棋盘格纹理图案、网格点阵图案。4.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定板是针对多个相 机、多种相机或以光学成像或转化为光学成像方式处理的成像系统的同时标定或者联合标定。5.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定罩是标定系统的 一部分或独立使用。6.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述运动装置是基于各种 可编程的运动控制装置。7.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定处理系统同时处 理多类型多相机的标定或联合标定。8.如权利要求1所述的多功能自动化标定系统，其特征在于，所述标定处理系统智能判 断某时刻有效的标定数据和之前的有效标定数据是否存在高度相似，从而决定是否采用某 时刻的标定数据。
【文档编号】H04N17/00GK205584404SQ201620203705
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】万里, 李建军
【申请人】中航华东光电（上海）有限公司