一种线激光相机的标定装置及标定方法与流程

本发明涉及相机标定技术领域，具体是涉及一种线激光相机的标定装置及标定方法。

背景技术：

结构光三维扫描技术由于其具有低成本、非接触、高精度、高效率等优点，已广泛应用于产品设计与制造、工业测量、质量检测、医学、影视娱乐等行业，被誉为最有前途的三维测量方法。结构光三维扫描技术通过主动控制光源来实现三维扫描，与其他三维扫描技术效果比具有更高的可靠度。在进行结构光三维重建前需先对结构光系统进行标定，即获取结构光系统中相机与投影设备的内部参数，以及两者之间的转换关系，亦成为外部参数，标定精度的高低直接影响三维重建的质量。

目前针对相机的标定技术业已成熟，线激光相机标定一般主流采用的是黑白棋盘格、圆点等特质的标定板，它们都需要借助移动平台来获取像素点，并且需要不断移动平台来校准获取数据，但移动过程存在着重复定位精度的误差，以及获取像素点时，人为选点时的误差，因此，标定结果难以达到较高的精度，标定效率低下。

有鉴于此，鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种标定精度高、标定效率快，且使用方便的线激光相机的标定装置。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种线激光相机的标定装置，包括工作台、标定板、用于发射光束的光源和用于调整所述光源照射方向的三轴微调装置，所述标定板设置在所述工作台上，所述工作台设置在所述三轴微调装置的一侧，所述光源设置在所述三轴微调装置上，所述标定板上均匀排布有若干标定组，相邻两所述标定组平行且等距设置，各标定组均包括等距且间隔排布多个标定单元，所述标定单元具有标定尖点，各所述标定组的多个所述标定单元的所述标定尖点之间错位设置，各所述标定单元向上延伸，所述标定板的边缘处设置有一台阶，所述台阶沿水平方向开设有一字型的凹槽，所述凹槽从所述台阶的一侧贯穿到所述台阶的另一侧，所述凹槽沿水平方向设置，且所述凹槽与各所述标定单元的所述标定尖点等高。

作为本发明的一种优选方式，定义各所述标定组的排布方向为y轴，水平垂直于各所述标定组的排布方向为x轴，竖直垂直于各所述标定组的排布方向为z轴；

所述三轴微调装置设置在所述底板上，所述三轴微调装置包括微调底板、y轴转板、z轴转板、z轴联动板、x轴转板、第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一压缩弹簧、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、第一压板、第二压板、第三压板、用于调节所述y轴转板与所述微调底板之间的间隙的第一球面微分关、用于调节所述y轴转板与所述x轴转板之间的间隙的第二球面微分关以及用于调节所述x轴转板与所述z轴转板之间的间隙的第三球面微分关；

所述微调底板沿x轴的方向上设置有所述y轴转板，所述微调底板的一侧与所述y轴转板相对的一侧通过所述第一转轴相铰接，所述第一转轴沿y轴方向设置，所述第一压板设置在所述微调底板远离所述第一转轴的一侧上，所述第一压板的一端固定设置在所述微调底板上，所述第一压板延伸至所述y轴转板的上方，所述第一球面微分关设置在所述第一压板的上方，且所述第一球面微分关的伸缩杆穿过所述第一压板抵靠在所述y轴转板上，所述第一压缩弹簧的一端抵靠在所述微调底板上，所述第一压缩弹簧的另一端抵靠在所述轴转板上；

所述y轴转板沿z轴的方向上设置有所述x轴转板，所述y轴转板的一侧与所述x轴转板相对的一侧通过所述第二转轴相铰接，所述第二转轴沿x轴方向设置，所述第二压板设置在所述y轴转板远离所述第二转轴的一侧上，所述第二压板的一端固定设置在所述y轴转板上，所述第二压板延伸至所述x轴转板的上方，所述第二球面微分关设置在所述第二压板的上方，且所述第二球面微分关的伸缩杆穿过所述第二压板抵靠在所述x轴转板上，所述第二压缩弹簧的一端抵靠在所述y轴转板上，所述第二压缩弹簧的另一端抵靠在所述x轴转板上；

所述z轴联动板垂直设置在所述x轴转板上，所述z轴联动板的一侧设置有所述z轴转板，所述z轴联动板竖直方向设置，所述z轴联动板的一侧与所述z轴转板相对的一侧通过所述第三转轴相铰接，所述第三转轴沿z轴方向设置，所述第三压板设置在所述z轴联动板远离所述第三转轴的一侧上，所述第三压板的一端固定设置在所述z轴联动板上，所述第三压板延伸至所述z轴转板的上方，所述第三球面微分关设置在所述第三压板的上方，且所述第三球面微分关的伸缩杆穿过所述第三压板抵靠在所述z轴转板上，所述第三压缩弹簧的一端抵靠在所述x轴转板上，所述第三压缩弹簧的另一端抵靠在所述z轴联动板上。

作为本发明的一种优选方式，所述三轴微调装置上设置有供所述光源和所述相机放置的壳体，所述壳体为中空壳体，所述壳体的内腔设置有供所述光源和相机放置的容置空间，所述光源设置在所述相机的上方。

作为本发明的一种优选方式，所述光源包含发光二极管、激光光源中的至少一种。

本发明还提供了另一种目的，在于提供一种可以快速准确的获取标定的数据信息，从而进行读取换算的结构光三维扫描相机的标定方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种采用一种线激光相机的标定装置的标定方法，包括下述步骤：

s1：将要标定的相机安装在所述三轴微调装置上；

s2：调整所述光源的激光平面，通过调整所述三轴微调装置，让所述光源的激光束照射于所述标定板的凹槽上，即让所述光源的激光束下降照射于各所述标定单元的所述标定尖点上，来确定所述光源的激光平面是否与所述标定板的所有标定尖点平面重合；

s3：预先创建一个视觉匹配模板，让相机可以获取所有像素点的数据，设置任一所述标定单元的所述尖点为基准原点(0,0)，推算出其他所述标定单元的所述尖点坐标点(x1,y1),(x2,y2)…(xn,yn)；

s4：开启相机软件，开始获取相机视野范围内各所述标定单元的所有所述尖点的像素点位置(a1,b1),(a2,b2)…(an，bn)，与实际标定的所述尖点数据进行矩阵转换算法，算出相机内部的参数，即标定完成换算方程式。

采用上述技术方案，本发明的有益是：本发明的标定装置设置一系列错位排布的标定尖点，只需一幅图像，不需要其余辅助移动平台，就能获取所有像素点的数据，本发明的标定装置标定精度高、标定效率快，且使用方便；当光源发出光束时，调整三轴微调装置，使得光源的光束照射在标定板的所有标定单元的标定尖点上，校准相机与标定板的相对位置，可以快速准确的获取标定板的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果。本发明根据相机视野范围设置一系列错位排布的标定单元，只需一幅图像，不需要其余辅助移动平台，就能获取所有像素点的数据，进行矩阵变换计算，得到相关内部参数，完成标定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明中标定板的结构示意图；

图4为本发明中y轴方向标定板的结构示意图；

图5为本发明中标定板的俯视图；

图6为本发明中x轴方向标定板的结构示意图；

图7为本发明中三轴微调装置的结构示意图；

图8为本发明中三轴微调装置的部分剖视图。

图中：

工作台1、标定板2、标定组21、第一标定组211、第二标定组212、第三标定组213、标定单元22、第一标定单元221、第二标定单元222、第三标定单元223、台阶23、凹槽231、光源3、相机4、三轴微调装置5、微调底座50、微调底板51、第一卡槽511、y轴转板52、第二卡槽521、z轴转板53、z轴联动板54、第三卡槽541、x轴转板55、第一转轴561、第三转轴563、第一压板581、第二压板582、第三压板583、第一球面微分关591、第二球面微分关592、第三球面微分关593、壳体6、容置空间61、遮光套62、镜头63、透明玻璃64。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本发明将用来改进现有技术中的不足，尤其是在相机出厂时或在实际的使用当中要对其进行标定参考物，往往以实际使用中的实物作为参考，但这样不太标准，影响使用。

为了方便叙述，本实施例定义各标定组21(下面会详细介绍)的排布方向为y轴，水平垂直于各标定组21的排布方向为x轴，竖直垂直于各标定组21的排布方向为z轴.

如图1-图6所示：

本发明提供了一种线激光相机的标定装置，包括工作台1、标定板2、用于发射光束的光源3、用于调整光源3照射方向的三轴微调装置5以及相机4，标定板2设置在工作台1上，三轴微调装置5设置在工作台1的一侧，光源3设置在三轴微调装置上。

优选的，光源3包含发光二极管、激光光源中的至少一种，相机4可采用常规的ccd相机。

如图5所示：标定板2上沿x轴的方向均匀排布有若干标定组21，相邻两标定组21平行且等距设置，为了方便叙述，我们设置第一排的标定组21为第一标定组211，第二排的标定组21为第二标定组212，以此类推。值得说明的是，各标定组21上的标定单元数量均相同，由于具有重复性且为了表达简便，在附图中及说明书中仅用分别属于第一标定组211、第二标定组212、第三标定组213、第一标定单元221(下面会详细介绍)、第二标定单元222、第三标定单元223表示。

各标定组21均包括等距间隔排布的多个标定单元22，各标定单元22均向上延伸，各标定单元22均具有标定尖点，各标定组21的多个标定单元22的所述标定尖点之间错位设置。

简单的说，第一标定组211、第二标定组212和第三标定组213平行设置，且第一标定组211与第二标定组212之间的距离和第二标定组212与第三标定组213之间的距离相等；以第一标定组221为例，第一标定单元221与第二标定单元222之间的距离和第二标定单元222与第三标定单元223之间的距离相等。

第二标定组212的第二标定单元222的所述标定尖点设置在第一标定组211的第一标定单元221和第一标定组211的第二标定单元222之间，第三标定组212的第二标定单元222的所述标定尖点设置在第二标定组212的第一标定单元221和第二标定组212的第二标定单元222之间，且设置在第一标定组211的第一标定单元221和第一标定组211的第二标定单元222之间，以此类推，后排的标定组21的第二标定单元222的所述标定尖点均落入前面所有排的标定组21的第一标定单元221和第三标定单元之间，且互不遮挡，即如图4-图5所示，在某一基准方向看时，各标定单元22互补遮挡。

标定板2的边缘处设置有台阶23，台阶23的沿y轴方向设置有一字型的凹槽231，凹槽231为0.1-0.3mm的缝隙，凹槽231从台阶23的一侧贯穿到台阶23的另一侧，凹槽231沿水平方向设置，且凹槽与各标定单元22的所述标定尖点等高。

如图7-图8所示：

三轴微调装置5设置在底板1上，三轴微调装置5能够调整相机4xyz三轴角度自由度，以此来调整相机4与齿形标定板41的位置。

三轴微调装置5包括微调底座50、微调底板51、y轴转板52、z轴转板53、z轴联动板54、x轴转板55、第一转轴561、第二转轴(图中未示出)、第三转轴563、第一压缩弹簧(图中未示出)、第二压缩弹簧(图中未示出)、第三压缩弹簧(图中未示出)、第一压板581、第二压板582、第三压板583、第一球面微分关591、第二球面微分关592以及第三球面微分关593。

具体的，在本实施例中，第一球面微分关591、第二球面微分关592以及第三球面微分关593均采用市面上型号为s65-1q的球面微分关。第一压板581、第二压板582以及第三压板583均为富有弹性的压板。

微调底座50设置在底板1远离手摇装置7的一端，微调底座50上固定设置有微调底板51，微调底板51沿x轴方向上设置有y轴转板52，微调底板51此时充当y轴联动板，微调底板51的一侧与y轴转板52相对的一侧通过第一转轴561相铰接，第一转轴561沿y轴方向设置，微调底板51远离第一转轴561的一侧上第一卡槽511，第一压板581的一端固定设置在第一卡槽511上，第一压板581的另一端设置在y轴转板52的上方，第一球面微分关591设置在第一压板581的上方，且第一球面微分关591的伸缩杆穿过第一压板581抵靠在y轴转板52上，所述第一压缩弹簧的一端抵靠在微调底板51上，所述第一压缩弹簧的另一端抵靠在y轴转板52上。第一球面微分关591用于调节y轴转板52与微调底板51之间间隙。通过调整第一球面微分关591，使得y轴转板52绕着第一转轴561远离/靠近微调底板51，以此调整光源3在y轴方向的照射方向。

y轴转板52沿y轴方向上设置有x轴转板55，y轴转板52此时充当x轴联动板，y轴转板52的一侧与x轴转板55相对的一侧通过所述第二转轴相铰接，所述第二转轴沿x轴方向设置。y轴转板52远离所述第二转轴的一侧上第二卡槽521，第二压板582的一端固定设置在第二卡槽521上，第二压板582的另一端设置在x轴转板55的上方，第二球面微分关592设置在第二压板582的上方，且第二球面微分关592的伸缩杆穿过第二压板582抵靠在x轴转板55上，所述第二压缩弹簧的一端抵靠在y轴转板52上，所述第二压缩弹簧的另一端抵靠在x轴转板55上。第二球面微分关592用于调节y轴转板52与x轴转板55之间间隙。通过调整第二球面微分关592，使得x轴转板55绕着所述第二转轴远离/靠近y轴转板52，以此调整光源3在x轴方向的照射方向。

z轴联动板54垂直设置在x轴转板55上，z轴联动板54的一侧设置有z轴转板53，z轴联动板54竖直方向设置，z轴联动板54的一侧与z轴转板53相对的一侧通过第三转轴563相铰接，第三转轴563沿z轴方向设置。z轴联动板54远离第三转轴563的一侧上第三卡槽541，第三压板583的一端固定设置在第三卡槽523上，第三压板583的另一端设置在z轴转板53远离z轴联动板54的一侧，第三球面微分关593设置在第三压板583远离z轴转板53的一侧，所述第三压缩弹簧的一端抵靠在x轴转板55上，所述第三压缩弹簧的另一端抵靠在z轴联动板54上。第三球面微分关593用于调节z轴联动板54与z轴转板53之间间隙。通过调整第三球面微分关593，使得z轴转板53绕着第三转轴563远离/靠近z轴联动板54，以此调整光源3在z轴方向的照射方向。

本发明的三轴微调装置5结构简单，设计紧凑，通过调节y轴转板52、z轴转板53以及x轴转板55，可以实现光源3的三维位置的微调操作，方便灵活，调节精度高，同时通过对光源3位置进行微调，可以有效减小相机4与标定块2之间的距离误差，提高相机4的标定精度。

进一步，三轴微调装置5上设置有供光源3和相机4放置的壳体6，壳体6为中空壳体，壳体6的内腔设置有供光源3和相机4放置的容置空间61，光源3设置在相机4的上方。

本发明使用的相机4为激光扫描相机，相机4安装于容置空间61上，壳体6内腔还安装遮光套62，防止漏光，遮光套62的前端安装有镜头63，镜头63前端装有滤光镜(图中未示出)，可以过滤除激光外不同波长的光束，相机4与光源3发射的光源光束成一定角度关系。壳体6的外壳上装有透明玻璃64，透明玻璃64与相机4的外壳上装有密封圈(图中未示出)，可以防止灰尘进入相机4的内部，相机4的外壳与容置空间61之间也设置有o型圈的胶条槽(图中未示出)，整机组成达到ip67的密封性能。

采用上述技术方案，本发明的有益是：本发明的标定装置设置一系列错位排布的标定尖点，只需一幅图像，不需要其余辅助移动平台，就能获取所有像素点的数据，本发明的标定装置标定精度高、标定效率快，且使用方便；当光源3发出光束时，调整三轴微调装置5，使得光源3的光束照射在标定板2的所有标定单元22的标定尖点上，校准相机4与标定板2的相对位置，可以快速准确的获取标定板2的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果。

本发明还提供了一种线激光相机的标定方法，具体操作步骤如下：

s1：安装待标定的相机4，将要标定的三维扫描相机4安装在三轴微调装置5上的壳体6的容置空间61上，通过螺丝紧固；

s2：调整光源3的激光平面，通过调整三轴微调装置5，调节y轴转板52、z轴转板53以及x轴转板55的转角，，让光源3的激光束照射于标定板2的凹槽231上，并穿透凹槽231，即让光源3的激光束下降照射于各标定单元22的标定尖点上，来确定光源3的激光平面是否与标定板2上的所有标定尖点平面重合；

s3：预先创建一个视觉匹配模板，让相机4可以获取所有像素点的数据，设置任一个标定单元22的所述尖点为基准原点(0,0)，由于标定板2的标点物理量已知，可推算出其他标定单元22的所述尖点的坐标点(x1,y1),(x2,y2)…(xn,yn)；

s4：开启相机4的软件，开始获取相机视野范围内各标定单元22的所有尖点的像素点位置(a1,b1),(a2,b2)…(an，bn)，与实际标定的所有尖点数据进行矩阵转换算法，算出相机内部的参数，即标定完成换算方程式。

换算方程式：(以4个点为例)

实际标定板2的标定单元22的物理点坐标：(x1,y1),(x2,y2)，(x3,y3),(x4,y4)

相机4软件内尖点对应像素点坐标：(a1,b1),(a2,b2)，(a3,b3),(a4,b4)

根据以上建立方程组

x1＝ha1+ib1+j-kx1a1-la1y1

y1＝ma1+nb1+o-ky1a1-lb1y1

x2＝ha2+ib2+j-kx2a2-la2y2

y2＝ma2+nb2+o-ky2a2-lb2y2

x3＝ha3+ib3+j-kx3a3-la3y3

y3＝ma3+nb3+o-ky3a3-lb3y3

x4＝ha4+ib4+j-kx4a4-la4y4

y4＝ma4+nb4+o-ky4a4-lb4y4

最后求解：h,i,j,k,l,m,n,o值

解得h,i,j,k,l,m,n,o的值

经过换算，确定了基准参考面上实际物理坐标值与相机软件的像素值的坐标换算。

采用上述技术方案，本发明的有益是：本发明的标定装置设置一系列错位排布的标定尖点，只需一幅图像，不需要其余辅助移动平台，就能获取所有像素点的数据，本发明的标定装置标定精度高、标定效率快，且使用方便；当光源3发出光束时，调整三轴微调装置5、使得光源3的光束沿水平方向均匀地照射在标定板2的所有标定尖点上，校准相机4与标定板2的相对位置，就可以快速准确的获取标定板2的数据信息，从而传输到计算机进行读取换算，对于批量化相机标定有着提高效率和准确性的显著效果。本发明提供了一种尖点型错位的标定方法，本发明根据相机视野范围设置一系列错位排布的标定单元22，只需一幅图像，不需要其余辅助移动平台，就能获取所有像素点的数据，进行矩阵变换计算，得到相机的相关内部参数，完成标定。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。