一種相機標定板姿態變換裝置設計

楚 恒，盧笑宇

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

近年來，人工智能技術風靡全球，機器人、自動駕駛領域飛速發展，視覺系統應用場合對圖像識別、目標定位、視覺測量等方面的技術要求也越來越高[1]。雖然目前相機的生產技術已非常成熟，但由于相機透鏡存在不可避免的制造誤差和裝配誤差[2]，相機拍攝的圖像將存在一定的失真，對圖像的應用精度造成一定影響[3]。因此，需要在相機使用前利用相機標定板對其內部參數進行標定，求解出鏡頭的各個畸變參數，根據畸變參數對獲得的圖像進行畸變校正，獲得精確的環境信息，實現高精度的測量、目標定位和圖像識別等應用[4]。

1 研究背景

目前，相機標定時，標定板圖像的獲取方式通常是標定板人工手持固定，標定相機機械固定，采集不同姿態下的標定板圖像[5]。該標定板固定方式，易造成拍攝過程中標定板的晃動，對采集的標定圖像效果造成一定的影響，降低相機參數的標定精度[6]。相機參數的標定通常需要拍攝10～20 幅不同空間姿態下的標定板完整圖像[7]，該過程需要至少兩位操作人員的相互配合，標定板圖像采集過程比較煩瑣，且容易拍攝到空間姿態相近的標定板圖像，標定圖像采集效率較低[8]。

根據相機標定板圖像采集要求，利用三維空間自由度約束的性質，設計一種操作簡單、多自由度約束定量改變的相機標定板姿態變換裝置。

2 設計理念概述

為了實現對標定板在三維空間中多自由度約束定量改變，該標定板姿態變換裝置由水平和豎直兩個不同方向的旋轉裝置以及一個豎直方向的升降裝置組成。其中，水平旋轉裝置由一個伺服電機通過一對齒輪定量地控制標定板前后翻轉的角度；豎直旋轉裝置通過將旋轉定位桿放置在不同的定位卡槽中，定量地改變其標定板左右旋轉的角度；豎直方向的升降裝置通過氣泵控制升降氣筒改變標定板的上下位置。

3 裝置結構示意圖及工作流程

3.1 結構示意圖

標定板姿態變化裝置整體由兩大部分（底座和移動裝置）和四大裝置（升降裝置、豎直旋轉裝置、水平旋轉裝置和標定板固定裝置）構成。底座用來固定和安裝其他裝置，移動裝置包括四個可鎖萬向輪。升降裝置包括氣泵和升降筒，豎直旋轉裝置包括可調整的旋轉定位桿、定位卡槽，水平旋轉裝置包括伺服電機、傳動齒輪和旋轉軸，標定板固定裝置包括標定板夾具和固定螺栓。標定板姿態變換裝置斜二軸測圖如圖1所示。

圖1 標定板姿態變換裝置斜二軸測圖

標定板夾具分為左右兩個，在夾具末端設有固定標定板的螺栓，可以將相機標定板完全固定在姿態變換裝置上；標定板夾具安裝在裝置水平旋轉軸上，該水平旋轉軸與伺服電機之間通過一對齒輪副連接，伺服電機軸后端的旋轉編碼器可保證伺服電機的控制精度，可以通過控制伺服電機對標定板進行前后方向上的翻轉。

標定板夾具、旋轉定位桿、水平旋轉軸以及伺服電機均固定在豎直旋轉軸上，豎直旋轉軸與升降筒之間通過軸承連接，可以通過旋轉定位桿控制標定板左右方向上的旋轉，將旋轉定位桿置于升降筒上的定位卡槽時，可以將標定板固定在左右方向上的某一角度。

氣泵通過控制升降筒的高度改變標定板豎直方向上的位置；裝置底座安裝有4個萬向輪，便于裝置隨時移動。標定板姿態變換裝置正視圖如圖2所示。

圖2 標定板姿態變換裝置正視圖

3.2 操作流程

將標定相機固定在合適的位置，通過標定板夾具上的固定螺栓，將相機標定板固定在姿態變換裝置上，通過安裝有萬向輪的底座，將裝置移動至面向標定相機的合適位置，并將萬向輪鎖死，防止在標定板圖像采集過程中裝置發生移動?？刂扑欧姍C旋轉，將標定板調整至豎直狀態，調整旋轉定位桿使標定板平面垂直于標定相機射線，并將旋轉定位桿置于定位卡槽中，規定該狀態為初始狀態。

以獲取20 張標定板圖像為例。調整旋轉定位桿位置，使標定板由初始狀態向左旋轉5 種角度后，再由初始狀態向右旋轉相同的5種角度。每次調整角度，必須將旋轉定位桿置于相應的定位卡槽中。對上述10個不同空間姿態的標定板進行依次拍攝，得到10 張左右旋轉的標定板圖像。然后將標定板調整至初始狀態并固定旋轉定位桿，控制伺服電機使標定板在前后方向分別上下各翻轉5種角度，可以得到10張上下翻轉的標定板圖像。如需改變標定板的高度位置，可控制氣泵使升降筒上下升降，得到更多張不同位姿的標定板圖像。

4 結語

綜上所述，利用該種新型的相機標定板固定和空間姿態變換裝置，在對相機標定板進行拍攝圖像時，可以根據需要方便地調節標定板空間位置，快速獲取不同位姿的標定板圖像，提高相機標定效率。該標定板姿態變換裝置能夠實現相機標定板在3個自由度方向的定量變換，相較于現有的其他相機標定板固定、姿態變換方式，該裝置具有結構簡單、易操作、效率高的特點，可以為機器視覺科研人員提供較大的幫助。