面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法

1.本发明涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法。


背景技术：

2.现代工业生产中越来越多的使用到了视觉测量技术，相机标定的精度是测量系统稳定高精度运行的前提和基础。目前普通相机的标定已有了简便且高精度的方法，但对于特殊成像的系统相关研究较少。在对大小为厘米级、毫米级甚至更小的物体进行高精度的几何测量时，需要使用显微相机、微距相机进行测量。在发明专利《一种摄影测量基准尺长度标定装置及使用方法》（申请号为：201811072833.3）中提到用于提取标志点中心的带有放大系统的相机，因测量精度要求高采用微距相机。微距相机通常是具有变焦镜头的高分辨率相机，具有小视场、小景深的特点，工作距离一般在10cm左右，景深极小通常在0.1mm~2mm。如标定时标定板略微倾斜时，因景深原因多数图像会出现图像部分角点离焦的情况。所以在用传统方法标定时，受景深限制只能选用小角度的清晰图像进行标定，由于各标定板间世界坐标系差异太小，容易出现奇异阵，且得出解的精度很低。
3.因此，本发明中因微距相机的景深极小的物理特征，采取在测量平面中进行标定，为保证测量精度，测量时也将在所标定平面进行，如改变焦距则需重新标定。因微距相机分辨率高且具有放大倍率，因此清晰的棋盘格图像检点检测精度极高，且标定位置与测量位置一致，可实现高精度二维尺寸测量。


技术实现要素：

4.本发明目的就是为了弥补已有技术使用传统张正友方法标定时受微距相机小视场、小景深的物理特征限制影响相机标定精度的缺陷，提供一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，本发明在测量平面通过四轴高精度微调装置实现棋盘格的平移及旋转运动，对图像进行角点检测，实现高精度微距相机标定。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，具体包括以下步骤：（1）、在微距相机视野范围内将棋盘格标定板固定在一个四轴精密微调平台上，调节四轴精密微调平台使棋盘格标定板在微距相机的工作距离附近；（2）、调节变焦镜头改变放大倍率直至棋盘格标定板图案成像清晰且充满整个视野；（3）、保持镜头焦距及四轴精密微调平台的高度方向，调整四轴精密微调平台使棋盘格标定板旋转至多个位置，同时拍摄棋盘格标定板图像；（4）、对得到的所有图像进行角点检测，以棋盘格标定板左上角为原点建立坐标系，将左上角第一格标记为定位信息用于角点匹配，使用张正友标定法计算相机参数矩阵，
得到相机参数。
6.所述的棋盘格标定板是根据微距相机的视场大小、镜头的放大倍率及带有同轴光源设计的一种符合微距相机的高精度微型标定板，且棋盘格标定板成像需占满整个测量使用范围。
7.所述的棋盘格标定板上设有用于棋盘格标定板旋转标定时各角点准确匹配的定位信息。
8.步骤（1）中所述的四轴精密微调平台可调整方向分别为x方向、y方向、z方向以及绕z轴旋转方向r，用于调整棋盘格标定板成像位置及标定时在同一高度平面内旋转。
9.所述步骤（3）中，棋盘格标定板至少旋转至3个不同位置并拍摄图像。
10.本发明的优点是：本发明为微小物体几何尺寸测量的微距相机提出了标定方法，解决了微距相机因小景深的物理特征无法使用传统方法标定的问题，标定平面与测量平面一致，可实现高精度的微距相机标定。
附图说明
11.图1为本发明的方法流程图。
12.图2为标定用棋盘格。
13.图3为棋盘格坐标系及角点排序示意图。
具体实施方式
14.如图1所示，一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，该方法包括如下步骤：（1）、在微距相机视野范围内将棋盘格标定板固定在一个四轴精密微调平台上，调节四轴精密微调平台使棋盘格标定板在微距相机的工作距离附近；（2）、调节变焦镜头改变放大倍率直至棋盘格标定板图案成像清晰且充满整个视野；（3）、保持镜头焦距及四轴精密微调平台的高度方向，调整四轴精密微调平台使棋盘格标定板旋转至多个位置，同时拍摄棋盘格标定板图像；（4）、对得到的所有图像进行角点检测，以棋盘格标定板左上角为原点建立坐标系，将左上角第一格标记为定位信息用于角点匹配，使用张正友标定法计算相机参数矩阵，得到相机参数。
15.所述的棋盘格标定板是根据微距相机的视场大小、镜头的放大倍率及带有同轴光源设计的一种符合微距相机的高精度微型标定板，且棋盘格标定板成像需占满整个测量使用范围。
16.所述的棋盘格标定板上设有用于棋盘格标定板旋转标定时各角点准确匹配的定位信息。
17.步骤（1）中所述的四轴精密微调平台可调整方向分别为x方向、y方向、z方向以及绕z轴旋转方向r，用于调整棋盘格标定板成像位置及标定时在同一高度平面内旋转。
18.所述步骤（3）中，棋盘格标定板至少旋转至3个不同位置并拍摄图像。
19.现结合附图和具体实施例对本发明进一步详细的说明。
20.实施例一本实施例是用上述方法对需精密测量微小物体几何尺寸的微距相机进行标定。在实施例中，使用了ccd相机及带有照明系统的变焦镜头，因实验中需要使用微距相机拍摄直径为6mm圆形标志点，并得到圆形标志点中心位置，所使用的微距相机工作距离为91mm，景深为0.1mm~0.95mm，图像分辨率为3296*2472，像素尺寸为5.5μm*5.5μm，测量前需对微距相机进行标定，具体包括以下步骤：步骤（1）：在微距相机视野范围内将棋盘格标定板固定在一个四轴精密微调平台上，调节微调平台使棋盘格标定板在微距相机的工作距离附近；步骤（2）：调节变焦镜头改变放大倍率直至棋盘格标定板图案成像清晰且尽量充满整个视野；步骤（3）：根据调整好的微距相机的视野、镜头的放大倍率及带有同轴光源等特点选用6行7列的棋盘格作为标定板，方格尺寸为1mm*1mm，共有5*6个角点，如图2所示；保持镜头焦距及微调平台的高度方向，调整微调平台使棋盘格标定板旋转至多个位置，同时拍摄棋盘格标定板图像；步骤（4）：对得到的所有图像进行角点检测，以棋盘格左上角为原点建立坐标系，将左上角的第一格标记为识别信息用于角点匹配，左上角第一个角点为p
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点，如图3所示，使用张正友标定法计算相机参数矩阵，得到相机参数。
21.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。


技术特征：
1.一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：（1）、在微距相机视野范围内将棋盘格标定板固定在一个四轴精密微调平台上，调节四轴精密微调平台使棋盘格标定板在微距相机的工作距离附近；（2）、调节变焦镜头改变放大倍率直至棋盘格标定板图案成像清晰且充满整个视野；（3）、保持镜头焦距及四轴精密微调平台的高度方向，调整四轴精密微调平台使棋盘格标定板旋转至多个位置，同时拍摄棋盘格标定板图像；（4）、对得到的所有图像进行角点检测，以棋盘格标定板左上角为原点建立坐标系，将左上角第一格标记为定位信息用于角点匹配，使用张正友标定法计算相机参数矩阵，得到相机参数。2.根据权利要求1所述的一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，其特征在于：所述的棋盘格标定板是根据微距相机的视场大小、镜头的放大倍率及带有同轴光源设计的一种符合微距相机的高精度微型标定板，且棋盘格标定板成像需占满整个测量使用范围。3.根据权利要求2所述的一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，其特征在于：所述的棋盘格标定板上设有用于棋盘格标定板旋转标定时各角点准确匹配的定位信息。4.根据权利要求1所述的一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，其特征在于：步骤（1）中所述的四轴精密微调平台可调整方向分别为x方向、y方向、z方向以及绕z轴旋转方向r，用于调整棋盘格标定板成像位置及标定时在同一高度平面内旋转。5.根据权利要求1所述的一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，其特征在于：所述步骤（3）中，棋盘格标定板至少旋转至3个不同位置并拍摄图像。

技术总结
本发明公开了一种面向微小物体几何尺寸测量的微距相机高精度标定方法，微距相机景深很小，无法采用传统方法进行高精度标定，为解决上述问题，本发明提出在微距相机工作距离处，在水平面内旋转特殊设计的棋盘格标定板并获取图像，进行相机标定。当测量位置与标定位置一致时，采用这种标定方法可实现高精度的二维尺寸测量。维尺寸测量。维尺寸测量。


技术研发人员：李维诗 夏嫣然 张瑞 张进 夏豪杰
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/6/7