專利名稱：用于標定攝像機放大率的標定件和標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于標定掘J象才幾;改大率的標定件和標定方法。
背景技術(shù)：
從德國專利DE 101 18 886 B4中已知一種標定尺，其包括可以由 攝像機檢測的印制標記。該標記標注在各個位置上，從而可以測定 攝像機檢測范圍的精確長度。然而，該標定尺僅適用于待檢測物是 平坦的并處于確定不變的位置上的情況。當物料帶是紡織物、紙和 塑料時，由于物料帶的厚度可以忽略，可以滿足上述的條件而不會 帶來而任何問題。但是，當在物料帶是橡膠的情況下，該限制就會 導致不能容許的問題出現(xiàn)。此時，需要在攝像機的標定中考慮到帶 厚度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種前述類型的標定件，其考慮到待測物 體的厚度，并且設(shè)計簡單。本發(fā)明還提供一種相應(yīng)的標定方法。
該目的通過一種標定件和標定方法得以實現(xiàn)。所述標定件為一種 用于標定攝像機的放大率的標定件，其中，所述標定件具有至少一 個標定區(qū)域，在標定區(qū)域中設(shè)有至少一個可由攝像機檢測的穿孔和/ 或缺口，為了測定放大率與目標厚度的相關(guān)性，所述標定件具有至 少一個支承底座，該支承底座的長度被如此選定，通過轉(zhuǎn)動標定件 并將其放置在至少一個支承底座上，在攝像機圖像的放大率中產(chǎn)生 一個可測算的變化，其中，所述至少一個支承底座的長度是標定區(qū) 域中標定件的壁厚的至少兩倍。所述標定方法為 一 種用于攝像機的標定方法，其中，在攝像機的視場內(nèi)設(shè)有至少一個如前所述的標定 件，并生成第一圖像，隨后旋轉(zhuǎn)標定件并借助于攝像機生成第二圖 像，其中，通過兩幅圖像連同已知的標定件尺寸計算出放大率，所 述放大率構(gòu)成目標厚度的放大率的線性函數(shù)上的兩點，其中，利用 預(yù)定目標厚度，由線性函數(shù)計算得出各個的放大率。
根據(jù)本發(fā)明所述的標定件用于標定攝像機的放大率。優(yōu)選采用
CCD (電荷耦合器件)攝像機或CMOS (互補金屬氧化物半導體) 攝像機，也可以選用其他的成像方式。另外，所述攝像機是矩陣攝 像機或是線陣攝像機并不重要。特別地，在需要使用攝像機掃描運 行物料帶形式的物體的應(yīng)用中，采用橫向于運行方向設(shè)置的線陣攝 像機就完全可以滿足該應(yīng)用。此時在線陣方向上進行標定就足夠了 。 當使用矩陣攝像機時，可以根據(jù)應(yīng)用在行和/或列的方向上實施標定。 攝像機的放大率對于實現(xiàn)精確的尺寸測量而言十分重要。然而，這 取決于攝像機的位置和排布。另外，放大率還隨著待測物體的厚度 變化，這是因為，攝像機所觀測到的較厚物體的表面比較薄物體的 表面更接近攝像機。特別是當使用測量技術(shù)對物體進行精確檢測時 該差異會造成影響。使用一種具有至少一個標定區(qū)域的標定件能夠 解決上述問題。在該標定區(qū)域中設(shè)有至少 一 個可由攝像機檢測的穿 孔和/或缺口。在此情況下，穿孔和/或缺口的尺寸或間距是已知的， 從而可以將纟聶像才幾檢測到的測量變量與標定件的已知的幾何尺寸相 比較。通過這種方式，可以測定4聶像4幾的》文大率，該;改大率取決于 安裝和排布。假如設(shè)有若干穿孔和/或缺口 ，還可以將放大率作為攝 像機的視場內(nèi)位置的函數(shù)來計算放大率，從而還能夠以這種方式校 正物體的圖像誤差，例如，攝像機圖像的梯形變形。
為了額外確定放大率與待測物體厚度的相關(guān)性，在兩個不同的目 標平面上對攝像機進行標定就基本足夠了 ，假如這兩平面的位置已 知。此時不宜使用具有較厚標定區(qū)域的標定件，因為這會導致出現(xiàn) 標定件的上下邊緣測量不可靠的問題。為了解決這個問題，所述標 定件具有至少一個支承底座，該支承底座的長度如此選定，通過轉(zhuǎn)
5動標定件并將其放置在至少一個支承底座上，使攝像機圖像的放大率產(chǎn)生一個可測算的變化。所述至少一個支承底座的長度是標定區(qū)域中標定件的厚度的至少兩倍。因此，在標定件的轉(zhuǎn)動位置上標定區(qū)域處于可被攝像機測定的范圍中，放大率由此相應(yīng)地變化。根據(jù)被測量出的放大率的變化能夠得到所需的與目標物厚度的相關(guān)性，從而以此方式根據(jù)各個目標厚度來標定攝像機圖像的放大率?；旧希€可以將放大率確定為在攝像機視場內(nèi)位置的函數(shù)，從而使用攝像機進行盡可能精確的幾何測量。
當用攝像機對標定件進行檢測時產(chǎn)生的基本問題是，攝像機即檢測標定件的上邊緣，也檢測標定件的下邊緣，然而隨著攝像機的位置不同，下邊緣有時會被上邊緣所覆蓋。為了避免由這些未知因素產(chǎn)生標定誤差，根據(jù)權(quán)利要求2標定區(qū)域中的標定件具有相當小的壁厚，從而穿孔和/或缺口的上邊緣和下邊緣在攝像機圖像上產(chǎn)生的差異可以在標定過程中忽略不計。由于標定區(qū)域中的標定件的壁厚相當小，攝像機基本上只能觀測到穿孔區(qū)域的一個邊緣，從而消除了在檢測穿孔和/或缺口時產(chǎn)生的誤差。
根據(jù)權(quán)利要求3有利的是標定件在標定區(qū)域中的壁厚至多為2毫米。在這種情況下，對于實際操作中的尺寸和排布可以不再對標定件的上邊緣和下邊緣進行區(qū)分，并且因此可以忽略與之相關(guān)的、在攝像機像素分辨區(qū)域中的測量誤差。
根據(jù)權(quán)利要求4支承底座的長度為至少IO毫米。特別是在工業(yè)應(yīng)用中，攝像機至多在一米的范圍內(nèi)，通過這種方式已經(jīng)可以得到放大率的足夠精確的可測量的變化，從而能夠以這種方式足夠精確地標定》文大率與目標厚度之間的相關(guān)性。
假如僅使用一個單個的支承底座，優(yōu)選將所述支承底座設(shè)置在標定件的中部，從而使標定件保持平衡地豎立在支承底座上。作為選擇，也可以設(shè)置若干個支承底座、和/或?qū)⒅辽僖粋€支承底座設(shè)計為從標定件上伸出的板。
根據(jù)權(quán)利要求5在這種情況下有利的是在標定件的邊緣處設(shè)有至少一個支承底座。這樣，所述的至少一個支承底座保護標定件的標定區(qū)域不受外力的影響，并從而免于受損。這在環(huán)境惡劣的工業(yè)區(qū)中是非常重要的。
根據(jù)權(quán)利要求6通過一個U形或框架狀的支承底座設(shè)計能夠為標定區(qū)域提供特別有效的保護。另外，在這種情況下，支承底座提高了標定件的機械強度，并且特別提高了薄弱的標定區(qū)域的強度。還提高了標定區(qū)域的尺寸穩(wěn)定性。
為了消除標定件的上邊緣和下邊緣在檢測中的不確定性，根據(jù)權(quán)利要求7有利的是標定件具有至少一個標引。可以將該標引設(shè)計為，例如孔、凹陷、銷釘或類似物，并且與攝像機檢測區(qū)域中相應(yīng)的標引相互對應(yīng)。這樣能確保總是以相同的、可重復(fù)的方式設(shè)置標定件。因此，可以清楚知道攝像機檢測到的標定件結(jié)構(gòu)哪些屬于上邊緣哪些屬于下邊緣。。此時不需要將標定區(qū)域的標定件設(shè)計得很薄。
已經(jīng)證明根據(jù)權(quán)利要求8的標定方法能夠有效地對攝像機進行標定。其中，在攝像機的視場內(nèi)設(shè)有至少一個前述的標定件，并生成第 一 圖像。該圖像包括了標定件的幾何數(shù)據(jù)以及基本上還是未知的攝像機成像函數(shù)。特別地，該成像函數(shù)由攝像機的位置和排布、以及攝像機鏡頭的焦距和定位來決定。只要標定件的幾何性質(zhì)已知，就可以通過比較攝像機圖像與標定件的幾何尺寸而計算出攝像機的放大率。另外，為了額外考慮到放大率與目標厚度的相關(guān)性，對標定件進行轉(zhuǎn)動并通過攝像機生成另一幅圖像。此時，標定件自身的幾何性質(zhì)并沒有任何變化。只不過標定區(qū)域向攝像機移近了至少一個支承底座的長度。根據(jù)與放大率相關(guān)的變化能夠隨即計算出目標厚度的線性函數(shù)。當生成了第一圖像時，放大率對應(yīng)的目標厚度為零，而當生成了第二圖像時，放大率對應(yīng)的目標厚度為支承底座的長度。因此，可以通過所述線性函數(shù)計算得出相應(yīng)于各期望目標厚度的放大率。
根據(jù)權(quán)利要求9有利的是根據(jù)位置計算放大率。特別地，可以使標定件具有若干穿孔或缺口 ，從而以這種方式使多個幾何特征位于攝像機的視場中。在這種情況下，即使是對變形的圖像，也可以通過這些不同的幾何特征進行精確的標定。此時基本可以忽略位置地確定厚度與放大率的相關(guān)性，這是因為放大率的函數(shù)基本與厚度以及位置無關(guān)。
為了能夠使用攝像機實行盡可能精確的光學檢測，根據(jù)權(quán)利要求10有利的是當標定件的端面對攝像機來講并不可視時，僅對攝像機圖像中的標定件各個邊緣進行測算。標定件端面的可視性僅僅取決于各個端面與攝像機的相對位置。舉例而言，當垂直于標定件看，假如穿孔或缺口位于攝像機的左側(cè)，那么通過攝像機只能觀測到穿孔或缺口的左端面。此時，僅對攝像機圖像中的右端面進行測算。與之對照，假如穿孔或缺口位于攝像機的右側(cè)，則對穿孔或缺口的左邊緣進行測算。對照而言，假如穿孔同時位于攝像機的左側(cè)和右側(cè)， 一般來講兩個端面都不能進行測算。在這種情況下，可以利用各個穿孔和/或缺口相鄰的邊緣。這樣可以確保在測算攝像機拍攝不到的標定件下邊緣時不會出現(xiàn)誤差。


圖1示出了帶有攝像機的標定件的立體圖示；
圖2示出了將如圖1所示的裝置的標定件1旋轉(zhuǎn)后的情況；
圖3示出了如圖1所示的裝置的局部放大圖4為圖表；
圖5為標定件的可選實施方式的圖示。
具體實施例方式
根據(jù)圖1所示的標定件1優(yōu)選由鐵質(zhì)材料構(gòu)成，并設(shè)置在攝像機3的視場2內(nèi)。此時，將攝像機3設(shè)計為線陣攝像機，從而視場2為又長又窄的矩形。
標定件1具有中心標定區(qū)域4，其中設(shè)有若干穿孔5。攝像機3能夠根據(jù)明顯的反差檢測到這些穿孔5。穿孔5的邊界具有已知的標定長度。借助于由攝像機3所記錄的圖像，可以從已知的標定長度6
和距離7來計算攝像機3在視場2內(nèi)的放大率。當使用攝像機3對實物進行拍攝時，可以根據(jù)該放大率來計算該實物在攝像機3的視場2內(nèi)的精確尺寸。
標定件1還具有支承底座8，該支承底座8圍繞標定區(qū)域4呈框架狀延伸。所述支承底座8為標定件1提供了有利的形狀穩(wěn)定性，因此可以將標定區(qū)域4的壁厚設(shè)計得較薄。在本實施方式中，標定區(qū)域4和支承底座8為獨立部件，然后再將其組裝在一起。作為選擇，所述標定件1也可以是單體件。
在支承底座8的區(qū)域中，標定件l具有兩個標引22，該標引22在根據(jù)圖1所示實例中純粹舉例地設(shè)計為鉆孔。作為選擇，也可以使用所需的任何其他形式的標引，例如銷釘。標引22確保了標定件1能相對攝像機3可重復(fù)地精確定位，并且有助于對穿孔5的檢測。
圖2示出了將如圖l所示的裝置的標定件l旋轉(zhuǎn)后的情況。由此，標定件1擱置在支承底座8上。在這種設(shè)置中，攝像機3的標定件1的標定區(qū)域4更加接近支承底座8的高9。這對攝像機3的放大率產(chǎn)生了影響，從而能夠以這種方式來測定放大率與物體厚度的相關(guān)性。
圖3示出了如圖l或圖2所示的、具有分割的光路的裝置的局部放大剖視圖。特別地，從該圖中可以看到，標定件1在標定區(qū)域4內(nèi)具有較小的壁厚10。穿孔5的上邊緣11通過攝像機3的鏡頭在光電探測器13上形成第一圖像14。此時上述穿孔5的下邊緣15與上邊緣11非常近，以至于在當前的放大率下，下邊緣15所提供的圖像與上邊緣11所提供的第一圖像14相同。從而，由穿孔5的上邊緣11和下邊緣15的檢測差異所導致的誤差至多為一個像素，也就是光電探測器13所能達到的精度。如果不必在各次應(yīng)用中都充分利用光電探測器13的分辨率，那么也可以容許上邊緣11和下邊緣15的圖像14有稍許差異。圖中右方所示的上邊緣16和下邊緣17的幾何比例關(guān)系與上述比例相同。
通過旋轉(zhuǎn)標定件l,使得標定區(qū)域4更加靠近攝像機3，這在圖
93中以虛線表示。此時，上邊緣11和下邊緣15在光電探測器13上形成充分遠離第一圖像14的第二圖像14，。此時重要的不是第一圖像14和第二圖像14，在光電探測器13上的絕對位置，而是攝像機圖像中的穿孔5的寬度。為了得到高的精度，優(yōu)選對盡可能相互遠距離設(shè)置的穿孔5的間距進行測量。另外，優(yōu)選對上邊緣ll、 16進行測算，其相應(yīng)的下邊緣15、 17不在攝像機3的視場內(nèi)。
根據(jù)已知標定件1的尺寸，通過第一圖像14和第二圖像14，，作為待測物的目標厚度19的函數(shù)確定放大率18。此時第一圖像14對應(yīng)的厚度為零，而第二圖像14，對應(yīng)的厚度為高度9。這樣，圖4所示的圖表中具有兩個點20,這兩點20確定一個線性函數(shù)21?？梢酝ㄟ^所述線性函數(shù)21得出各目標厚度19相應(yīng)的放大率18，從而使攝像機3標定于任何所需的目標厚度。
圖5示出了如圖1所示的標定件1的一種可選實施方式。在這種實施方式中，將支承底座8設(shè)計為中心支撐件，標定區(qū)域4繞所述中心支撐件延伸。
參考標號列表
1 標定件
2 視場
3 攝像機
4 標定區(qū)i或
5 穿孔
6 標定長度
8 支承底座
9 高度10壁厚11上邊緣12鏡頭
13光電探測器14第一圖像14，第二圖像15下邊緣16上邊緣17下邊緣18放大率19目標厚度20點
21線性函數(shù)22標引
權(quán)利要求
1.一種用于標定攝像機(3)的放大率(18)的標定件，其中，所述標定件(1)具有至少一個標定區(qū)域(4)，在標定區(qū)域(4)中設(shè)有至少一個可由攝像機(3)檢測的穿孔(5)和/或缺口，其特征在于，為了測定放大率(18)與目標厚度(19)的相關(guān)性，所述標定件(1)具有至少一個支承底座(8)，該支承底座(8)的長度(9)被如此選定，通過轉(zhuǎn)動標定件(1)并將其放置在至少一個支承底座(8)上，在攝像機圖像(14、14’)的放大率(18)中產(chǎn)生一個可測算的變化，其中，所述至少一個支承底座(8)的長度(9)是標定區(qū)域(4)中標定件(1)的壁厚(10)的至少兩倍。
2，如權(quán)利要求1所述的標定件，其特征在于，標定區(qū)域(4)中 的標定件(1 )的壁厚(10)這樣小，以至于穿孔(5)和/或缺口的 上邊緣(ll、 16)和下邊緣(15、 17)在攝像機圖像(14、 14，)上 產(chǎn)生的差異可以在標定過程中忽略不計。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的標定件，其特征在于，標定件(1 ) 在標定區(qū)域(4)中的壁厚(10)至多為2毫米。
4. 如權(quán)利要求1至3中至少之一所述的標定件，其特征在于， 至少一個支承底座(8)的長度為至少IO毫米。
5. 如權(quán)利要求1至4中至少之一所述的標定件，其特征在于， 在標定件(1)的邊緣處設(shè)有至少一個支承底座(8)。
6. 如權(quán)利要求1至5中至少之一所述的標定件，其特征在于， 至少一個支承底座(8)圍繞標定區(qū)域(4)呈U形或框架狀延伸。
7. 如權(quán)利要求1至6中至少之一所述的標定件，其特征在于， 其具有至少一個用于定位的標引(22)。
8， 一種用于攝像機(3)的標定方法，其中，在攝像機(3)的 視場(2)內(nèi)設(shè)有至少一個如權(quán)利要求1至7中至少之一所述的標定 件(l),并生成第一圖像(14),其特征在于，隨后旋轉(zhuǎn)標定件(l) 并借助于攝像機(3)生成第二圖像(14，)，其中，通過兩幅圖像(14、連同已知的標定件(1 )尺寸計算出放大率(18)，所述放大率 (18)構(gòu)成目標厚度(19)的放大率(18)的線性函數(shù)(21 )上的 兩點，其中，利用預(yù)定目標厚度(19),由線性函數(shù)(21)計算得 出各個的放大率(18)。
9. 如權(quán)利要求8所述的標定方法，其特征在于，作為位置的函 數(shù)計算放大率(18)。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的標定方法，其特征在于，當標定件 (1)的端面對于攝像機(3)來講不可視時，在攝像機(3)的圖像 (14、 16)中計算其邊緣(11、 16)。
全文摘要
一種用于標定攝像機(3)的放大率的標定件(1)。所述標定件(1)具有至少一個標定區(qū)域(4)，在標定區(qū)域(4)中設(shè)置有至少一個穿孔(5)或缺口。所述穿孔(5)或缺口可以通過攝像機進行檢測。標定區(qū)域(4)中的標定件(1)足夠薄，從而穿孔(5)或缺口的上邊緣和下邊緣在檢測中產(chǎn)生的差異可以忽略不計。為了測定放大率的厚度相關(guān)性，所述標定件(1)額外具有至少一個支承底座(8)，該支承底座(8)的長度(高度)(9)被如此選定，通過支承底座的長度使攝像機圖像測量出的放大率產(chǎn)生一個可測算的變化。
文檔編號H04N5/247GK101494740SQ200910005549
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者哈特姆特·貝斯曼 申請人:得克斯瑪格有限責任公司貿(mào)易公司