用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标技术方案

本发明专利技术用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标由立板靶标、旋转台和二维平移台组成。使用该靶标可以通过对二维平移台和旋转台的控制实现立板靶标的精确定位，形成用于标定的三维空间坐标点（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ）。将传感器获得的对应图像处理后可以得到像素坐标（Ｘｆ，Ｙｆ），由一定数量的标定点对（（Ｘｆ，Ｙｆ）和（Ｘｗ，Ｙｗ，Ｚｗ））可通过标定算法完成摄像机的标定。本发明专利技术的靶标可以实现在水平面内任意形式的精密移动，在不同方位上得到数量足够多的三维标定点，不仅可用于摄像机内外参数的局部标定和多个三维传感器的全局标定，而且可用于多个三维传感器和彩色传感器的同时标定，是一种快速、准确、能实现自动标定的精密动态靶标。

【技术实现步骤摘要】
用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标
本专利技术涉及一种检测装置，特别涉及一种用于三维彩色数字化系统标 定的动态精密靶标。
技术介绍
目前，摄像机普遍的使用在科学、工业生产等各个领域，用于实现物 体的三维重建与测量。在重建或测量之前，需要通过标定过程来确定摄像机所获得的二维图像坐标(Xf， Yf)与物体空间坐标(Xw， Yw， Zw)之间的关系，即实现局部标定(LocalCalibration)和全局标定(Global Calibration)。除了自标定技术外，大多数摄像机的标定都要通过制作空间坐标已知的精密靶标实现。靶标的精度决定了摄像机和传感器标定的精度，从而也决定三维数字化系统重建与测量的精度。典型的三维彩色数字化系统由获得三维信息的三维传感器和获得颜色信息的彩色传 感器组成。每个三维传感器包含一个半导体线结构激光器和两个呈一定角度放置的黑白摄 像机，每个彩色传感器就是一个彩色摄像机。多组三维传感器和多组彩色传感器分布在被 测物体周围，三维传感器自上而下同步运动完成对物体三维信息的扫描，彩色传感器获取 颜色信息附加到重建出的三维物体表面上得到物体三维彩色数字化结果。为了得到正确的 三维彩色数字化结果，必须保证所有摄像机标定时的空间坐标系一致，这就要求具有能同 时实现三维传感器和彩色传感器标定的靶标。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可用于三维彩色数字化系统标定的动态精密 耙标。其中，三维传感器的标定可以采用空间共面的标定点对((Xf， Yf)和(Xw， Yw))， 而彩色传感器标定通常采用的BP神经网络方法不仅需要XOY平面内的坐标(Xw, Yw)， 还需要高度Z方向的信息Zw，这就要求三维彩色数字化系统的标定靶必须是三维的。动 态三维精密靶标可以根据使用需要得到足够多数量的标定点对((Xf， Yf)和(Xw， Yw， Zw))，从而完成对系统的标定。本专利技术提供的用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标，包括立板靶标由立板、底板和曲板组成，曲板的一组邻边相互垂直，使用两块曲板将立板与底板连接，立板上加工有用于z方向定位的均匀分布的精确的几何形状(如圆孔或矩形等规则图形)，在保证立板与底板之间垂直度的同时实现立板在YOZ平面内的精确定 位；旋转台用于完成不同方位摄像机的标定，旋转台的上表面与立板靶标的底板连接， 旋转台的底座与二维平移台的滑块连接，这样既能保证旋转台带动立板靶标跟随二维平移 台的滑块在二维平面内做平移运动，又能保证立板靶标随旋转台做平面内的旋转运动；二维平移台由两个一维精密平移台组成平面内正交的二维平移台，二维平移台的滑 块与旋转台的底座连接，实现XOY平面内的精确定位。本专利技术的优点和积极效果本专利技术设计了用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标。该靶标由立板靶标、旋 转台和二维平移台三部分组成。二维平移台可以实现在XOY平面内的精确定位；立板靶 标由曲板、底板和立板组成，可实现YOZ平面内的定位；在二维平移台和立板耙标之间 增加平面旋转机构——旋转台，组成三维动态精密靶标。使用该靶标可以通过对二维平移台和旋转台的控制实现立板靶标的精确定位，形成用于系统标定的三维空间坐标点(Xw， Yw， Zw)。将传感器获得的对应图像处理后可以得到像素坐标(Xf， Yf)，由一定数量 的标定点对((Xf， Yf)和(Xw， Yw， Zw))可通过标定算法完成摄像机的标定。本 专利技术的靶标可以实现在水平面内任意形式的精密移动，在不同方位上得到数量足够多的三 维标定点，不仅可用于摄像机内外参数的局部标定和多个三维传感器的全局标定，而且可 用于多个三维传感器和彩色传感器的同时标定，是一种快速、准确、能实现自动标定的精 密动态靶标。附图说明图1是本专利技术的动态精密靶标的示意图2是本专利技术的动态精密靶标的立板靶标部分示意图，其中图2a为左视图，图2b为 正视图，图2c为俯视图3是三维彩色数字化系统中传感器分布位置的示意图4是利用该靶标实现动态精密自动标定的流程图5是在某一位置彩色摄像机采集的图像；图6是图5所示图像经过二值化和提取轮廓后得到的图像；图7是图6所示图像提取特征轮廓并确定中心点后的结果；图8是二维平移台做同心圆运动时所获得的世界坐标；图9是与图8各位置对应的某CCD获得的图像中一个特征轮廓的中心坐标。 其中，l立板靶标，2旋转台，3二维平移台，4立板，5底板，6曲板。具体实施方式实施例1:如图1所示，本专利技术用于三维彩色数字化系统标定的动态精密耙标由三部分组成立板靶标l、旋转台2和二维平移台3，下面分别介绍每一部分的实现方法和作用1. 立板耙标用于在高度Z方向的精确定位，由立板4、底板5和曲板6组成，如 图2所示，曲板的一组邻边相互垂直，用两块曲板将立板与底板连接固定在一起。立板的尺寸根据摄像机的视场角和物体距摄像机的距离而定，在高度方向视成像大小等间距的加工有用于z方向定位的均匀分布的精确的几何形状(如圆孔或矩形等规则图 形)。从下向上依次确定为形状1、形状2...，位于最下面的几何形状中心距底边距离、几何形状的大小、相邻几何形状的中心距、几何形状中心的直线度公差、立板表面的平面 度公差、平行度公差等参数根据系统要求的分辨率确定(通常标定靶的精度要比系统要求的分辨率高)。如在本专利技术设计的靶标中，立板尺寸为lOOmm(长"lOmm (宽"1475mm (高)，在高度方向等间距的加工29个圆形通孔，从下向上依次确定为圆孔l、圆孔2... 圆孔29。位于最下面的圆孔中心距底边50土0.02mm，圆孔的直径为30士0.05mm，相邻 圆孔的中心距为50土0.02mm，圆孔中心的直线度公差为0.05，立板表面的平面度公差为 0.5，平行度公差为0.04。使用低碳钢做材料，通过数控机床的精密机械加工保证上述参 数。在立板两边加工安装孔，用于立板的固定安装。底板使用钢质材料，两个表面均磨平。上面加工螺孔和通孔，螺孔用于底板与曲板的 连接，通孔用于底板与旋转台的连接。利用曲板自身的特点，用于连接立板与底板可以保证它们的垂直度。将曲板底面和垂 直面分别与立板耙标的底板与立板紧固连接，即可完成立板靶标的安装，实现立板在YOZ 平面内的精确定位。2. 旋转台可实现在XOY平面内任意角度的旋转。旋转台2的底座与二维平移台3 的滑块连接，上表面与底板5连接，既能保证旋转台带动立板靶标在二维平面内做平移运 动，又能保证立板靶标跟随旋转台作旋转运动。3. 二维平移台由两个一维平移台组成，装有光栅尺形成运动的闭环控制。两个平 移台之间靠滑块连接，调整好各自的平面度与它们之间的垂直度，即可组成二维精密定位 机构。安装方法先将立板4与底板5通过曲板6连接好，调整好垂直度后紧固连接，完成 立板耙标的安装。再将二维平移台固定到待标定系统中的平台上，旋转台放到二维平移台 滑块上，旋转台底座与二维平移台滑块紧固。立板靶标放到旋转台上，将立板靶标的底板 与旋转台的上表面固定，调整平面度、垂直度到需要的范围即可完成动态精密标定靶的安 装。使用该靶标可以实现三维彩色数字化系统中多组传感器的标定。下面以四组三维传感器和四组彩色传感器组成的三维彩色数字化系统为例，阐述使用该靶标实现自动标定的过 程。系统中传感器的位置分布如图3所示，其中B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于三维彩色数字化系统标定的动态精密靶标，其特征在于该动态精密靶标包括：　立板靶标：由立板、底板和曲板组成，曲板的一组邻边相互垂直，使用两块曲板将立板与底板连接，立板上加工有用于Ｚ方向定位的均匀分布的精确的几何形状，在保证立板与底板之间垂直度的同时实现立板在ＹＯＺ平面内的精确定位；　旋转台：用于完成不同方位摄像机的标定，旋转台的上表面与立板靶标的底板连接，旋转台的底座与二维平移台的滑块连接，这样既能保证旋转台带动立板靶标跟随二维平移台的滑块在二维平面内做平移运动，又能保证立板靶标随旋转台做平面内的旋转运动；　二维平移台：由两个一维精密平移台组成平面内正交的二维平移台，二维平移台的滑块与旋转台的底座连接，实现ＸＯＹ平面内的精确定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛宝臻，李晓洁，魏耀林，田庆国，吕且妮，项晨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]