三维校准工具和方法技术

本公开涉及用于校准诸如用于材料测试系统中应变的非接触测量的基于相机的三维光学计量系统的方法和工具。本公开提供了一种工具，所述工具将校准板保持于材料测试装置的负荷框架的测试空间内。所述工具包括心轴，所述心轴围绕着旋转轴线旋转至一系列的制动旋转位置。所述心轴通过轴承配置接合所述校准板，所述轴承配置允许所述校准板的所述倾斜角度改变。所述心轴的旋转和所述倾斜角度的变化在所述测试空间内提供了两个运动自由度。所得的一系列的校准板位置是规则的和可重复的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三维校准工具和方法专利技术背景本申请根据35U.S.C.§119(e)要求享有提交于2016年5月24日的序列号为62/340,766的美国临时申请的优先权，该临时申请的全部内容据此出于所有目的并入本文。
本公开涉及用于校准诸如用于材料测试系统中对应变的非接触测量的基于相机的三维光学计量系统的方法和工具。
技术介绍
为在材料测试期间执行样品应变的非接触测量，三维光学计量系统通常组合来自相同对象的不同立体图的多个相机图像以获得提供对象的单个三维视图所需的景深信息。每个相机视点必须在三维上精确地校准以产生待测对象的准确三维测量结果。对于每个视点或相机，校准必须执行下述动作：1.使相机视点的指向矢量定位于三维空间中。这确立了相机的位置和其观察方向。2.相对于相机观察方向(指向矢量)限定相机内的二维图像传感器的取向。这确立了图像传感器的任何倾斜或旋转。3.校准通过其光学系统所产生的二维相机图像的失真，包括镜头失真、镜头相对于图像传感器的对准，和图像传感器的任何非一致性效果。4.校准由对象位置变化所产生的二维相机图像在景深轴线上的变化。当每个相机被如此校准时，组合的校准数据集合限定了对象空间中的共同三维测量体积。计量系统然后可在该共同体积内的任何位置作出校准的三维测量。该校准工具通常通过从平坦校准板的每个相机获取一系列的图片来实现，该平坦校准板在对象空间内保持在多个位置和取向。平坦校准板提供标记物阵列，诸如，例如具有已知预校准直径和间距的点。工序如下：1.当校准板在三维测量体积中的给定位置处保持静止时，从每个相机视点获取校准板的图像。2.校准板然后移动至测量体积内的新三维位置，并且获取额外组的图像，从每个相机获取一组额外图像。新位置可通常包括使板倾斜和/或旋转以及使其在深度轴线上平移。3.重复该工序，从而将校准板逐渐地移动通过预期测量体积。校准板可另选地移动至该体积内的随机位置和取向，仔细地对校准板的整个体积进行取样。4.当对该体积进行充分取样(通常需要该体积内的6至12个不同校准板位置)时，工序结束。用于校准的任何设备必须易于插入测量体积和从其移除。在校准完成之后，设备必须移除以使用户能够在相同体积中进行任意标本的三维测量。因此，有难度的是具有移动校准板的机动器具，该机动器具为简单、紧凑和自包含的。为此，提供校准板的所需位置变化的典型方法是操作员用手保持该板并且手动地将其移动，同时相机以一定间隔获取快照，从而捕获在目标体积内处于许多唯一位置和取向的该板。一般来讲，校准板在测量体积中的精确位置/取向不必须为已知的。相反，校准方法依赖于校准板上特征的已知几何形状以提供校准得自每个相机的图像阵列所需的信息。现有技术方法通常利用手持式校准板200，手持式校准板200在目标校准体积周围随机地移动，如图1所示。由于手动操作的不确定性，这产生了随机的一组位置/取向并且把创建三维体积的充分取样的负担直接留给了操作员。这首先导致需要操作员受过较高水平的训练，其次对于每次校准动作通过不同位置取样产生三维校准图。这些问题均影响计量系统的可重复性和易用性。下述参考文献提供了数学算法的实例，这些数学算法常常用于从如本公开所描述的类似组的校准板图像产生三维校准图。1.Z.Zhang,"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration,”IEEETrans.PatternAnal,Mach.Intell.22(11),1330-1334(2000).2.R.Tsai,“Aversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracythree-dimensionalmachinevisionmetrologyusingoff-the-shelftvcamerasandlenses,”IEEEJ.Robot.Autom,3(4),323-344(1987).
技术实现思路
本公开的一个目的是提供一种校准三维光学计量系统的方法，该方法不需要手动移动校准板并且提供了更具可重复性和有规则的校准结果。这提供了较大程度易用性，减小了对于校准的操作员训练水平，并且减小了对最终结果产生影响的操作员差异性。这个和其它目的通过提供机械装置来获得，该机械装置通常由夹持件接合或夹紧在材料测试装置内，该夹持件支撑具有周期性制动旋转位置的心轴。心轴还包括支撑件，平面可视目标(诸如校准板)在该支撑件上枢转至期望角度位置。心轴的旋转提供了绕着轴线至预定制动位置的旋转，从而提供可视目标定位时的第一运动自由度，而可视目标的枢转提供了第二运动自由度。通常，使用两个相机来捕获在可视目标的整个位置范围内的可视目标的图像，从而限定对象空间中的共同三维测量体积，以用于材料测试中样品应变的后续非接触测量。附图说明本公开的其它目的和优点根据下面的描述和附图将变得显而易见，其中：图1为示出现有技术的一系列的图。图2是根据本公开的一个实施例示出旋转楔形物的立体图。图3是根据本公开的一个实施例示出相对于提供立体三维测量的两个相机的楔形物旋转轴线的实例的示意图。图4是根据本公开的一个实施例安装于拉伸测试负荷框架上的校准工具的立体图。图5是根据本公开的一个实施例示出以45度增量旋转的倾斜校准板的相机视图的一系列视图，每个位置由机械制动装置保持。图6是根据本公开的一个实施例由负荷框架的下部夹持件接合或夹紧的校准工具的立体图。图7是根据本公开的一个实施例由可调整磁性止动件所确立的校准板倾斜的立体图。图8是根据本公开的一个实施例示出将线材连接至顶部夹持件的心轴细节的立体图。图9为本公开的一个实施例的已安装设备的平面图，其中校准工具由负荷框架的顶部夹持件接合或夹紧。具体实施方式现详细地参考附图，其中类似附图标记指示多个视图中的类似元件，会看到针对本专利技术的方法和设备所公开的实施例。如图2所示，本公开实施例的方法和设备利用楔形物10，楔形物10绕着其中心轴线12旋转以产生所需范围的校准板运动。楔形物10由倾斜校准平面14表示，倾斜校准平面14具有校准特征，诸如高对比度棋盘或点阵列图案。具有特征的平面在此称为校准板14。对于每次校准动作，绕着固定旋转轴线12旋转的楔形物10(如图2和图3所示)将对于校准板14的一组可重复和有规则的取向提供至第一和第二相机或图像传感器或图像捕获装置20,22(参见图3)。例如，楔形物10可在旋转角17的整个一周上以八个45度增量旋转，每个增量由精确机械或电磁制动装置保持在适当位置，使得在制动之间的简单手动旋转可将校准板14的可重复视图提供至第一相机20和第二相机22。校准板14的倾斜角度得以精确地维持，并且通过校准楔形物校准工具30可已知为高精确度(参见图4)。为提供额外的稳定视图，楔形物校准工具30可设计成允许选择若干不同的固定倾斜角度16。例如，图4的楔形物校准工具30可对于30度和零度倾斜的校准板14两者提供机械倾斜制动装置。在该实例中，操作员可在零度和30度的倾斜角度16下通过旋转角度17的45度旋转的四个步骤以可重复和有规则的方式移动校准板14。应注意，使用楔形物10来示出校准板14的倾斜角度16，并且该倾斜角度16可通过物理楔形物10以外的其它结构来实现。通常，关键因素为，绕着轴线14的旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在材料测试装置的测试空间中提供视觉校准图像的装置，所述装置包括：校准测试图案；与所述校准测试图案接合的支承，所述支承包括枢轴，其中所述校准测试图案可沿着一枢转轴线枢转过一倾斜角度；和与所述支承接合的旋转装置，所述旋转装置绕着旋转轴线旋转。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.24 US 62/340,7661.一种用于在材料测试装置的测试空间中提供视觉校准图像的装置，所述装置包括：校准测试图案；与所述校准测试图案接合的支承，所述支承包括枢轴，其中所述校准测试图案可沿着一枢转轴线枢转过一倾斜角度；和与所述支承接合的旋转装置，所述旋转装置绕着旋转轴线旋转。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述旋转装置为旋转地安装于框架上的心轴。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述框架包括安装凸起以由材料测试装置的夹持件接合。4.根据权利要求2所述的装置，其中所述心轴绕着所述旋转轴线旋转至制动位置。5.根据权利要求4所述的装置，还至少包括第一止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第一倾斜角度。6.根据权利要求5所述的装置，还包括第二止动件以用于将所述校准测试目标的倾斜角度固定于第二倾斜角度。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述枢转轴线垂直于所述旋转轴线。8.根据权利要求6所述的装置，其中所述校准测试目标为平坦的。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述校准测试目标包括可视点阵列或棋盘图案。10.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一止动件和所述第二止动件包括相应的第一磁体和第二磁体以用于磁性地接合所述校准测试目标。11.一种提供校准数据集的方法，所述校准数据集限定材料测试装置的对象空间中的共同三维测量体积，所述方法包括以下步骤：提供校准测试图案、与所述校准测试图案接合的支承，和与...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伊·艾伦，斯蒂芬·M·麦克马洪，
申请(专利权)人：伊利诺斯工具制品有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US