专利名称：一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装置的制作方法
一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装置
技术领域：
本发明属于测量领域类的标定及定位装置，尤其涉及视觉传感器的标定及 定位装置。
背景技术：
视觉检测、测量技术在国民经济、科学研究以及国防建设等领域有着越来 越广泛的应用，它具有非接触、精度高、速度快等优点。用于视觉检测的视觉 传感器一般包括一台或多台摄像机及其它辅助测量的装置如激光器、光栅投射 器等等。传感器在使用前必须进行标定，通过标定获得传感器中各个摄像机的
内部参数，即摄像机图像像素位置与实际空间中点的对应关系；以及获得各个 摄像机的外部参数，即摄像机之间、摄像机与激光器、光栅投射器等辅助装置 之间的空间位置关系。标定的方法一般是根据摄像机模型和测量原理模型，采 用带有已知相对位置的特征点的标定装置，通过特征点的图像坐标与世界坐标 的对应关系来求解摄像机的内、外参数。
标定的过程同时也是一个量值传递的过程，影响标定精度的主要有特征点 的物理精度与特征点的检测精度。特征点的物理精度主要由标定装置的加工制 作工艺来保证，目前能够达到微米级甚至亚微米级精度。特征点的检测精度则 受装置所在环境的照明情况影响很大，甚至可以限制视觉传感器在某些场合的 应用。
目前常用的标定装置可根据其特征点的分布关系分为一维标定装置、二维 平面标定装置以及三维立体标定装置。其原理是采用4几械加工、电化学工艺或 是光学工艺方法，在金属、陶瓷、玻璃或碳纤维等不易形变的材料上制造出具 有已知位置关系及一定几何形状的特征点。并且使得这些几何形状如直线、圆， 矩形等具有明显的视觉反差效果，可以在视觉传感器上得到清晰的成像。
由于标定装置本身并不发光，而只是靠外界环境光来产生这种反差的效果， 所以对标定的现场环境有很高的要求，光线较暗、有干扰光存在或者标定装置 本身的反光都使得特征点的检测精度大大降低，从而影响视觉传感器的测量精 度。并且，随着视觉测量朝着大视场、大尺寸、多传感器的方向发展，传感器与传感器之间、传感器与被测物体之间的距离通常在几米甚至十几米以上，采 用传统的标定装置在这么远的距离上很难在图像中得到高精度的特征点位置。
视觉传感器的标定装置通常也是空间定位装置，应用于空间定位的测量过 程与视觉传感器的标定过程在获取特征点位置这一关键步骤上是相同的，特征 点提取的精度直接影响定位精度，所以上述在标定过程中遇到的问题在定位过 程中同样是无法避免的。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种可以在现场环境照明较差，光照 不稳定、光线较暗、千扰光过多以及需要远距离使用的场合中应用的视觉传感 器标定及定位装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于主动光源的视觉传感器标 定及定位装置。采用的技术方案如下
1. 一种用于视觉传感器的标定及定位装置，包括支撑结构、具有一定已知 几何形状镂空的光阑、光源以及用于光源的供电、控制和外部接口的电 路。
2. 支撑结构的材料可以是金属、陶瓷、玻璃、碳纤维、塑料或上述材料的 组合。并具有用于外部固定的螺紋孔，可以方便的安装固定在三脚架上 或其他固定装置。
3. 光阑的材料可以是金属、陶瓷、玻璃或上述形状的组合。其镂空形状可 以是圆、椭圆、圆环、矩形或上述形状的组合以及阵列。镂空形状用于 透光部分的内边缘厚度在1毫米以下。当视觉传感器以一定角度从侧面 获得标定及定位装置的图像时，过厚的边缘会漫反射光线，使得镂空的 形状在边缘上形成"月牙型"的视觉效果，成像质量降低，从而使得特 征点的提取误差增加。
4. 各种形状光阑的几何参数圓的直径大小；椭圓长、短轴大小；圆环的 直径大小、环的宽度；矩形的长、宽；各个形状的几何中心之间的距离； 均采用高精度的测量设备获得，使获得的各参数精度达到、或高于 O.lmm。视觉传感器的标定以及定位同时也是一个量值传递的过程，这 些形状的实际几何参数的精度会直接影响到传感器的标定以及定位精 度。5. 支撑结构和光阑可以是一个整体，即使用高精度机械加工设备直接在支 撑结构中加工出光阑。特征点较多时宜使用该种方案，如实施例2中介 绍的具有96个特征点的金属发光标定及定位装置。
6. 光源可以是一个或多个发光二极管或背光板。发光二极管提供点光源， 背光板提供面光源，具体光源的使用可以根据标定装置的结构设计来确 定；使用多个点光源时要求每个二极管的颜色、亮度一致；使用面光源 时要求背光板亮度均匀、稳定。光源的大小要大于光阑中所镂空的几何 形状，这样才能使得从镂空形状中透过的光线均匀。
7. 电路可以控制全部或部分光源的开关以及亮度。其目的是1)由于标 定环境较为复杂，通过控制光源的开关可以利用图像差的方法来排除其 它光线的影响。2)为了便于设计加工，标定及定位装置上镂空形状的 阵列方式通常呈对称设计，这就使得对标定及定位装置空间姿态的识别 产生了多义性。通过控制部分光源的开关可以使一部分镂空形状组成非 对称阵列并在视觉传感器上形成图像，以此来识别标定及定位装置的姿 态。3)在标定及定位装置中会针对使用中距离视觉传感器远近的不同 而设计不同的镂空形状，通过控制光源可以实现装置的多种使用状态。
由于本发明采用了可控的主动光源技术，改善了标定及定位装置在视觉传 感器上的成像质量，并且大大降低了使用中对环境光的要求，提高了特征点的 检测精度与传感器的标定及定位精度，更重要的是突破了标定及定位装置在大 视场、远距离测量场合的应用限制。
图l是实施例1中介绍的具有两个发光特征点的基线尺
图2是基线尺光阑与支撑结构结合示意图
图3是基线尺发光特征点处剖面图
图4是实施例2中介绍的金属发光标定及定位装置
图5是金属发光标定及定位装置的背面
图6是金属发光标定及定位装置特征点处剖面图
图7是金属发光标定及定位装置产生多组不同发光特征点的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述实施例1
如图1所示的是一支具有两个发光特征点的基线尺。101为发光特征点。104
为基线尺的端头，材料为硬铝。103为长度约1200mm的中空碳纤维棒，中部 有孔(未图示)，用于过穿导线。102为基线尺中间的支撑部件，中空，材料为 硬铝，在其底部有一个1/4'的螺紋孔(未图示)和一个2芯航空插头接口 (未 图示)。支撑部件102穿过碳纤维棒103，并固定于碳纤维棒的中部，使得碳纤 维棒中部的孔与支撑部件的航空插头接口处重合。左右两个端头104固定于碳 纤维棒的两端。
如图2所示，105为中心有一圓孔的光阑，光阑材料为45号钢，厚度为 0.3mm,圆孔的直径为3.5mm，圓度为O.Olmm,采用环氧树脂胶与端头104 粘接。
如图3所示为发光特征点处的剖面图，在端头104的圆孔中放置一个发光 二极管106作为光源，发光二极管后接有电路板107,电路板上有发光二极管 的驱动电路，并用穿过碳纤维棒103的导线与支撑部件102的航空插头接口连 接(未图示)，以实现光源的外部控制。
发光二极管发出的光线经过光阑的遮挡后，在视觉上形成了一个与光阑上 的圆孔直径、圓度一致的发光形状，可以通过视觉传感器成像后4是取该形状图 像上的几何中心。
采用高精度长导轨测长设备，获得基线尺的两个发光圆孔孔中心之间的精 确空间距离为1255.12mm后，该发光基线尺即可应用于大浮见场浮见觉传感器的 标定。
实施例2
如图4、图5所示的是一个具有40个大的发光特征点201和56个小发光特 征点202的金属双面标定及定位装置。203、 204为上、下两个支撑部件，材料 为铬钩锰合金。在上支撑部件203上加工出20个直径为3.5mm、圆度为O.Olmm 的大圆孔以及56个直径为i.2mm,圆度为O.Olmm的小圓孔。小孔之间的距 离为12.0mm。在下支撑部件204上加工出20个直径为3.5mm、圓度为O.Olmm 的大圆孔。大圆孔在上、下支撑部件的四个臂上呈直线分布。大孔之间的距离 是20.0mra.小圓孔在上支撑部件中间，呈7x8阵列式分布。上、下部件装配 好后，内部中空，用来放置导线和电路板(未图示)，并在底部组成一个3/8' 螺紋孔205以及一个4芯航空插头接口 206。如图6所示为大发光特征点处剖面图，小发光特征点结构与之相同。207 为在支撑部件上直接加工出的光阑结构，外表面是圆孔，内部是有一定锥度的 梯形孔，圓孔边缘厚度在O.imm左右。这种结构增大了标定及定位装置的可 视角度，同时也降低了加工工序的复杂性。在梯形孔中放置一个发光二极管208 作为光源，发光二极管后接有电路板209,电路板上有发光二极管的驱动电路， 与航空插头接口 206连接(未图示)，以实现光源的外部控制。同时，在电路 上把特征点分为近距离特征点、远距离特征点和姿态特征点三个回路，通过控 制不同回路的开关，如图7所示，使金属发光标定及定位装置产生多组不同的 发光特征点，用于远近不同的传感器标定以及计算机程序对定位装置摆放姿态 的自动识别方便的应用于多传感器的全局定位。
采用三坐标测量机，获得所有圆孔孔中心在标定及定位装置坐标系上的精 确空间坐标后，金属标定及定位装置即可应用于视觉传感器的标定及定位。小 发光特征点可以用于近视场视觉传感器的标定及定位、大发光特征点则可用于 大视场视觉传感器的标定及定位。
权利要求
1. 一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装置，其特征在于包括支撑结构、具有一定镂空形状的光阑、光源以及用于光源的供电、控制和外部接口的电路。
2. 根据权利要求1所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装 置，其特征在于，支撑结构的材料可以是金属、陶瓷、玻璃、碳纤维、 塑料或上述材料的组合。
3. 根据权利要求1、 2所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位 装置，其特征在于，其支撑结构上具有一个或多个专为三脚架及其他固 定装置所使用的螺紋孔；以及用于外部控制的电路接口 。
4. 根据权利要求1所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装 置，其特征在于，光阑的材料可以是金属、陶瓷、玻璃或上述材料的组 合。
5. 根据权利要求1所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装 置，其特征在于，光阑的镂空形状可以是圆、椭圆、圆环、矩形或上述 形状的组合以及阵列。
6. 根据权利要求1、 5所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位 装置，其特征在于，光阑的镂空形状中用于透光部分的内边缘厚度在1 毫米以下。
7. 根据权利要求l、 5、 6所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定 位装置，其特征在于，其各种形状光阑的几何参数圓的直径大小；椭 圆长、短轴大小；圆环的直径大小、环的宽度；矩形的长、宽；各个形 状的几何中心之间的距离；均采用高精度的测量设备获得，使获得的各 参数精度达到、或高于0.1mm。
8. 根据权利要求1至7所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位 装置，其特征在于，支撑结构和光阑可以是一个整体，即直接在支撑结 构中加工出光阑。
9. 根据权利要求1所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装 置，其特征在于，光源可以是一个或多个发光二极管或背光板。
10. 根据权利要求1所述的一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装 置，其特征在于，电路可以控制全部或部分光源的开关以及亮度。
全文摘要
发明了一种基于主动光源的视觉传感器标定及定位装置，本发明属于测量领域类的标定装置，尤其涉及视觉传感器的标定及定位装置。本发明主要解决了现有视觉标定及视觉定位装置在现场环境照明较差，光照不稳定、光线较暗、干扰光过多等场合中的应用限制并突破了现有装置无法在较远距离使用的技术瓶颈。本发明采用了可控的主动光源技术，利用光源来强化特征点与周围环境的明暗对比，改善了特征点在视觉传感器上的成像质量，并且大大降低了对环境光的要求，提高了特征点的检测精度与视觉传感器的标定、定位精度。
文档编号G01B11/00GK101424516SQ20081022275
公开日2009年5月6日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年9月24日
发明者刘谦哲, 吴子彦, 孙军华, 张广军, 珍 杨 申请人:北京航空航天大学