快速标定TOF深度相机多种参数的设备及方法与流程

本发明涉及一摄影测量的光学仪器，尤其涉及一快速标定tof深度相机多种参数的设备及其标定方法。

背景技术：

随着光学测量以及计算机视觉的发展，光学三维测量技术逐渐成熟，已逐渐出现在手势控制、3d(three-dimension三维)建模、汽车雷达以及机器人视觉系统等领域中，也成为当前光学测量领域中的热点。其中，摄像模组的方向朝着实现3d成像、测距、体感交互等功能新应用领域进发。各种新功能应接不暇，其中最引人注目的当属3d摄像头的诞生。

摄像机标定技术中，对于tof深度相机参数的标定是一很重要的方面。tof是飞行时间(timeofflight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。

tof深度相机技术是诸多光学三维测量技术中表现较为突出的一种技术。其基本原理是主动光源的光由被测物体反射后被tof深度相机捕获，根据光由发出到捕获的这段时间来计算物体与tof深度相机的距离。在获取空间目标的深度信息的同时，tof深度相机还能获取空间目标的灰度信息。与其他光学三维测量技术相比，tof深度相机技术具有计算量小、实时性强、精度适中等优点。

在现有技术中，tof深度相机的主要误差来源有以下三种：1、由奇次谐波带来的周期性误差，亦简称为“wiggling”。2、由入射光强度变化而引起的误差。3、由于积分时间不同而带来的误差。要获取精确地获得深度信息必须对这些误差进行校正(lindnerm,kolba.calibrationoftheintensity-relateddistanceerrorofthepmdtof-camera[c]//opticseast2007.internationalsocietyforopticsandphotonics,2007:67640w-67640w-8.)。同时又由于制造上的原因每个像素点不可 能完全相同，在tof深度相机矫正时往往会对每个像素的偏移进行校正，再对其他误差进行全局的标定。

tof深度相机获取的深度信息为球坐标系(球坐标是三维坐标系的一种，用以确定三维空间中点、线、面以及体的位置，它以坐标原点为参考点，由方位角、仰角和距离构成)下的值，而在实际应用中往往需要用到空间直角坐标系下的深度值。因此，对tof深度相机进行相机内参(相机内参为确定摄像机从三维空间到二维图像的投影关系)标定是非常必要的一步。空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在多数条件下，这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程被称为摄像机定标。摄像机的标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数，以及摄像机相对于世界坐标系的方位。由于标定精度的大小，直接影响着机器视觉系统的精度。因此，只有做好了摄像机标定工作，后续工作才能正常展开，可以说，提高标定精度也是当前科研工作的重要方面之一。相机标定时需建立相机成像的几何模型，通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板(calibrationtarget)，也称标定模板。

对tof深度相机进行相机内参的标定方法主要有以下两类：

一是基于平面标志物的相机标定方式。例如一个传统方法的标定过程可以简略总结为以下六个步骤：(1)打印一张棋盘格，把它贴在一个平面上，作为标定物；(2)通过调整标定物或摄像机的方向，为标定物拍摄一些不同方向的照片；(3)从照片中提取特征点(如角点)；(4)估算理想无畸变的情况下，五个内参和所有外参(外参决定摄像机坐标与外部坐标系之间相对位置关系)；(5)应用最小二乘法估算。实际存在径向畸变下的畸变系数；(6)极大似然法，优化估计，提升估计精度。二是基于复杂特征立体标志物的相机标定方式。例如采用不同深度的立方块进行标定(tsairy.aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh-accuracy3dmachinevisionmetrologyusingoff-the-shelftvcamerasandlenses[j].roboticsandautomation,ieeejournalof,1987,3(4):323-344.)。

由上述内容可以看出tof深度相机标定步骤繁琐，标定过程费时费力，限制了tof深度相机在消费级市场的应用与发展。

技术实现要素：

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述快速标定tof深度相机多种参数的设备能够将繁琐的tof深度相机标定步骤有机地集成到一个标定工具箱。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱能够将相机内参标定中用到的平面标志物与tof深度相机标定中用到的工具集成到一起。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱使用不同透光率的光扩散板，实现对tof深度相机的由入射光强度引起的误差的标定。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱能够在有限空间内实现对wiggling的标定，使得tof深度相机标定减少了空间的约束。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱能够在有限空间内实现对wiggling的标定，减少了由于标靶移动带来的误差。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱的标靶与tof深度相机相对位置固定，从而用一幅图即可实现对相机内参的标定。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱由于在一副图像中标定wiggling，因此所述快速标定tof深度相机多种参数的设备能够减少标定时间。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述标定工具箱使用不同透光率的光扩散板，从而能够减少因为更换不同反射率材料带来的时间浪费。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述快速标定tof深度相机多种参数的设备将所有标定步骤集成到同一工具箱，通过一次放置完成了所有标定，减少了标定时间。

本发明的另一目的在于提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，所述 快速标定tof深度相机多种参数的设备将所有标定步骤集成到同一工具箱，通过一次放置完成了所有标定，降低了由于多次放置带来的误差。

为了达到上述目的，本发明提供一快速标定tof深度相机多种参数的设备，包括一标定工具箱，所述标定工具箱包括：

一箱体，

一相机固定座，其用于放置一tof深度相机，

一光纤标板，其具有多个均匀分布的光扩散板，各所述光扩散板分别连接有光导纤维，所述光纤标板用于进行所述tof深度相机的wiggling标定、由入射光强度引起的误差标定以及相机内参标定，

和一白标板，用于对所述tof深度相机的像素偏移标定以及由积分时间引起的误差标定，所述标定工具箱通过将相机内参标定中用到的平面标志物与tof深度相机标定中用到的工具集成到一起，从而快速地并有效地标定tof深度相机的多种参数。

在一个实施例中，其中所述白标板设置于所述相机固定座与所述光纤标板之间，所述相机固定座和所述白标板的相对位置固定，所述相机固定座与所述光纤标板的相对位置固定，所述白标板抽取式安装，从而便于所述白标板从所述箱体中抽出与放置。

在一个实施例中，所述箱体的空间结构为六面立方体，所述白标板、所述光纤标板和所述相机固定座的横截面形状为矩形。

在一个实施例中，所述光纤标板为一黑板。

在一个实施例中，各所述光扩散板在所述光纤标板上成行成列地均匀规律分布。

在一个实施例中，所述光扩散板形成一第一光扩散板组和一第二光扩散板组，其中所述第一光扩散板组的透光率相同，所述第一光扩散组连接的所述光导纤维的长度不同，其中所述第二光扩散板组的透光率不同，所述第二扩散板组连接的所述光导纤维的长度相同。

在一个实施例中，所述第二扩散板组的列数与所述第一扩散板组的列数相同。

在一个实施例中，所述第二扩散板组设置于所述第一扩散板组的下方。

根据本发明的另一方面，本发明还揭露了一信号传递方法，用于快速标定 tof深度相机多种参数，所述信号传递方法包括以下步骤：

(a)设置于一相机固定座的一tof深度相机发出一调制信号至一光源；

(b)一白标板反射所述光源发出的一调制光进行像素偏移误差标定；

(c)所述白标板反射所述调制光进行由积分时间引起的误差标定；

(d)连接于一光源的一光导纤维传递所述调制光至所述光纤标板的一第一光扩散板组进行wiggling标定；

(e)所述光导纤维传递所述调制光至所述光纤标板的一第二光扩散板组进行由入射光强度引起的误差的标定；以及

(f)所述光导纤维传递所述调制光至所述光纤标板的所述第一光扩散板组进行相机内参标定；

优选地，上述实施例的标定步骤的所述步骤(d)和步骤(e)为同时进行，从而节省了整个标定过程的标定时间，减小了标定误差。

在一实施例中，其中所述步骤(d)中连接所述第一光扩散板组的所述各光导纤维的长度不相等；所述步骤(e)中连接所述第二光扩散板组的各所述光导纤维的长度相等。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一快速标定tof深度相机多种参数的方法，其中所述标定方法包括以下步骤：

(a)利用一标定工具箱的一白标板进行像素偏移误差标定；

(b)利用所述白色标板进行由积分时间引起的误差标定；

(c)利用所述标定工具箱的一光纤标板进行wiggling标定；

(d)利用所述光纤标板进行由入射光强度引起的误差的标定；

(e)利用所述光纤标板进行相机内参标定；其中，所述快速标定tof深度相机多种参数的方法的所述步骤(c)和所述步骤(d)同时进行。

在一个实施例中，所述的快速标定tof深度相机多种参数的方法，所述步骤(c)还包括以下步骤：

(i)设置于一相机固定座的一tof深度相机发出一调制信号至一光源；

(ii)长度不同的光导纤维传递所述光源发出的一调制光至所述光纤标板的一第一光扩散板组；

(iii)所述第一光扩散板组形成均匀且强度相同的光斑；

(iv)所述光斑形成光信号；以及

(v)所述tof深度相机捕获所述光信号并获取数据。

在一个实施例中，所述的快速标定tof深度相机多种参数的方法，所述步骤(d)还包括以下步骤：

(i)设置于一相机固定座的一tof深度相机发出一调制信号至一光源；

(ii)长度相同的光导纤维传递所述光源发出的一调制光至所述光纤标板的一第二光扩散板组；

(iii)所述第二光扩散板组形成均匀且强度部相同的光斑；

(iv)所述光斑形成光信号；以及

(v)所述tof深度相机捕获所述光信号并获取数据。

在一个实施例中，所述的快速标定tof深度相机多种参数的方法，所述步骤(e)还包括以下步骤：

(e1)设置于一相机固定座的一所述tof深度相机发出一恒定光信号至一光源；

(e2)长度相同的光导纤维传递所述调制光至所述光纤标板的一第二光扩散板组；

(e3)所述第二光扩散板组形成均匀的光斑；

(e4)所述光斑形成光信号；以及

(e5)所述tof深度相机捕获所述光信号并获取数据。

附图说明

图1是根据本发明的一优选实施例的标定工具箱的结构示意图。

图2是根据本发明的上述优选实施例的所述光纤标板示意图。

图3是根据本发明的上述优选实施例的通过所述白标板进行像素偏移标定以及由积分时间引起的误差标定示意图。

图4是根据本发明的上述优选实施例的通过所述光纤标板进行所述tof深度相机的wiggling标定以及由入射光强度引起的误差标定的示意图。

图5是根据本发明的上述优选实施例的通过所述光纤标板进行相机内参标定的示意图。

图6是根据本发明的上述优选实施例的标定流程图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图6为本发明的一优选实施例的快速标定tof深度相机多种参数的设备。所述快速标定tof深度相机多种参数的设备将繁琐的tof深度相机标定步骤有机地集成到一个标定工具箱。在本发明的实施例中，所述快速标定tof深度相机多种参数的设备包括一标定工具箱1，所述标定工具箱1通过将相机内参标定中用到的平面标志物与tof深度相机标定中用到的工具集成到一起，从而快速地并有效地标定tof深度相机的多种参数。所述标定工具箱1包括一箱体40，一白标板10，一相机固定座20和一光纤标板30。

具体地，在本发明的优选实施例中，所述标定工具箱1的结构如图1所示，所述白标板10位于所述光纤标板30和所述相机固定座20的中间，所述相机固定座20和所述白标板10在所述箱体40的相对位置固定，所述相机固定座20与所述光纤标板30在所述箱体40的相对位置固定。

其中，所述白标板10抽取式安装在所述箱体40内，从而便于从所述箱体40中抽出与放置。所述白标板10用于对tof深度相机的像素偏移标定以及由积分时间引起的误差标定。

优选地，在本发明的优选实施例中，所述箱体40的空间结构为六面立方体，所述白标板10、所述光纤标板30和所述相机固定座20形状为矩形。本领域的技术人员可以理解的是本发明上述优选实施例对上述形状的限定并不限于此，还可以是其他形状。

本领域的技术人员可以理解的是，在图像测量过程以及机器视觉应用中，常常会涉及到利用摄像机所拍摄到的图像来还原空间中的物体。在这里，可以假定摄像机所拍摄到的图像与三维空间中的物体之间存在以下一种简单的线性关系：[像]＝m[物]。其中，矩阵m可以看成是摄像机成像的几何模型，m中的参数就是摄像机参数。通常，这些参数是通过实验与计算来得到的，也就是说，求解摄像机参数的过程定义为摄像机标定。

本领域的技术人员可以理解的是，标定板(calibrationtarget)在机器视觉、 图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，主要的作用是为校正镜头畸变、确定物理尺寸和像素间的换算关系，以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果，因此，标定板定义为带有固定间距图案阵列的平板。在机器视觉应用中，相机标定技术需要准确的相机内参数和外参数作为重构算法的输入和先决条件。使用标板获取相机参数之后，通过标定算法，可以计算相机的投影矩阵，并提供场景的三维测度信息。从而在不给定真实场景的绝对平移、旋转和放缩参数的情况下，可以达到相似变换级别的测度重构。

根据本发明的一优选实施例，如图2所示，本发明在实施过程中选择使用了所述光纤标板30，所述光纤标板30为一黑板。所述光纤标板30均匀分布有多个光扩散板31。其中，各个所述光扩散板31在所述光纤标板30上有规律地成行和成列均匀地分布。

在本发明的上述优选实施例中，各个所述光扩散板31分为两组，如图2中虚线矩形区域划分所示，所述光扩散板31形成一第一光扩散板组301和一第二光扩散板组302。具体地，多行和多列透光率相同的所述光扩散板31形成所述第一光扩散板组301，所述第一光扩散板组301的各所述光扩散板31的背面连接着不同长度的光导纤维34；多行和多列透光率不同的所述光扩散板31形成所述第二光扩散板组302，所述第二光扩散板组302的各所述光扩散板31的背面连接着相同长度的所述光导纤维34。所述第二扩散板组302的列数与所述第一扩散板组301的列数相同。所述第二扩散板组302位于所述第一扩散板组301的下方，即所述光纤标板30的侧边。

在本发明的优选实施例中，tof光源43通过所述光导纤维34将调制光44传递到各所述光扩散板31。所述调制光44通过各所述光扩散板31形成形状规则的光斑。所述光纤标板30的所述第一光扩散板组301用于wiggling(由奇次谐波带来的周期性误差，亦简称为“wiggling”)标定以及相机内参标定；所述第二光扩散板组302用于入射光强度引起的误差的标定。

在本发明的优选实施例中，用所述白标板10进行像素偏移误差标定和由积分时间引起的误差标定如图3所示。对像素偏移误差进行标定，tof深度相机41发送调制信号42给光源43。所述光源43发出调制光44，所述调制光44经 所述白标板10反射后形成光信号45，所述光信号45被所述tof深度相机41捕获。所述tof深度相机41根据捕获的所述光信号45算出每个像素点的距离。通过测得距离与实际距离比较即可获得每个像素偏移误差。

如图3所示，对由积分时间引起的误差标定。所述tof深度41发送所述调制信号42给所述光源43。所述光源43发出调制光44，所述调制光44经所述白标板10反射后形成所述光信号45，所述光信号45被所述tof深度相机41捕获。所述tof深度相机41根据捕获的所述光信号45算出距离。之后，通过改变所述tof深度相机41的曝光时间，即可获得不同曝光时间下测得的距离，经过分析即可得到由不同曝光时间引起的误差。

如图4所示，通过所述光纤标板30进行wiggling标定。具体地，所述tof深度相机41发送所述调制信号42给所述光源43。所述光源43发出所述调制光44，所述光源43发的所述调制光44通过不同长度的所述光导纤维34传递至所述光纤标板30的所述第一光扩散板组301，经过所述第一光扩散板组301形成均匀且强度相同的光斑，光斑的所述光信号46被所述tof深度相机41捕获。所述tof深度相机41根据捕获的信号算出距离。例如，设所述光导纤维34的长度数值为l，所述光导纤维34的折射率为n，所述光扩散板31与所述tof深度相机41之间的距离的数值为d，则理论距离应为(l*n+d)/2。通过理论距离与测得距离比较即可获得wiggling。值得一提的是，在有限空间内实现对wiggling的标定，使得所述tof深度相机41的标定减少了空间的约束，也减少了由于标板移动带来的误差，可在一副图像中标定wiggling，从而大大的减少了标定时间。

如图4所示，在本发明的优选实施例中，通过所述光纤标板30对由入射光强度引起的误差进行标定。具体地，所述tof深度相机41发送所述调制信号42给所述光源43。所述光源43发出所述调制光44，所述光源43发出的所述调制光44通过相同长度的所述光导纤维34传递至所述光纤标板30的所述第二光扩散板组302，经过所述第二光扩散板组302形成了均匀且强度不同的光斑，光斑的所述光信号46被所述tof深度相机41捕获。所述tof深度相机41根据捕获的所述光信号46算出距离。例如，设所述光导纤维34的长度为l，所述光导纤维34的折射率为n，所述光扩散板31与所述tof深度相机41之间的距离为d，则理论距离应为(l*n+d)/2。通过理论距离与测得距离比较即可获得由入射光强度引起的误差。值得一提的是，由于使用了不同透光率的所述光扩散板31， 实现了对所述tof深度相机41的由入射光强度引起的误差的标定。同时，由于使用了不同透光率的所述光扩散板31，也减少了由于更换不同反射率材料带来的时间的浪费。

值得一提的是，上述通过所述光纤标板30进行wiggling进行标定与对由入射光强度引起的误差进行标定为同时进行的两个标定过程。

通过所述光纤标板30对相机内参进行标定如图5所示。具体地，所述tof深度相机41发送恒定光信号42给所述光源43。所述光源43发出所述调制光44，所述光源43发的所述调制光44通过所述光导纤维34传递至所述光纤标板30的所述第一光扩散板组301，经过所述第一光扩散板组301形成均匀的光斑，光斑的光信号46被所述tof深度相机捕获。进过图像处理可获得多个特征点。所述特征点在所述tof深度相机41的相机坐标系中有确定的坐标(x,y,z)，在图像坐标系中的坐标为(u,v)。根据公式：

即可求得相机内参。值得一提的是，由于标靶与所述tof深度相机41的相对位置固定可以实现用一幅图即可实现对相机内参的标定。

因此，本发明揭露了一信号传递方法，用于快速标定tof深度相机多种参数，所述信号传递方法包括以下步骤：

(a)设置于一相机固定座20的一tof深度相机41发出一调制信号至一光源43；

(b)一白标板10反射所述光源43发出的一调制光44进行像素偏移误差标定；

(c)所述白标板10反射所述调制光44进行由积分时间引起的误差标定；

(d)连接于一光源43的一光导纤维34传递所述调制光44至所述光纤标板30的一第一光扩散板组301进行wiggling标定；

(e)所述光导纤维34传递所述调制光44至所述光纤标板30的一第二光扩散板组302进行由入射光强度引起的误差的标定；以及

(f)所述光导纤维34传递所述调制光44至所述光纤标板30的所述第一光扩散板组301进行相机内参标定。

其中，所述步骤(d)至所述步骤(e)优选为同时进行，节省了整个标定过程的标定时间，减小了标定误差。

其中，所述步骤(d)中连接所述第一光扩散板组301的所述各光导纤维34的长度不相等；所述步骤(e)中连接所述第二光扩散板组302的各所述光导纤维34的长度相等。

因此，通过将所有标定步骤集成到同一工具箱，实现了一次放置完成了所有标定，即节省了时间，又减少了由于多次放置带来的误差。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。