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专利号: 2021115274803
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定系统,其特征在于:包括有单目相机、旋转移动平台、平台运动控制器、圆心标定板、无线传输设备、处理器、显示设备和自动高精度标定软件组成;该标定系统包括:单目相机固定在某一位置,对应的相机下方为旋转移动平台,旋转移动平台和相机的距离通过工作距离计算出初始值,平台运动控制器带动旋转移动平台支撑的标定板进行俯仰、偏航和横滚以及调整标定板到相机的距离,单目相机拍摄圆心标定板不同位姿下的图像完成相机标定;

单目相机下方为旋转移动平台和平台运动控制器,旋转移动平台支撑圆心标定板,旋转移动平台和相机的距离通过工作距离计算出初始值,单目相机采集当前圆心标定板图像并传回自动高精度标定软件,在显示设备上显示当前图像,通过自动高精度标定软件在线调整相机增益、采集模式参数提高图像质量,提取调整后图像的矩形区域并将颜色为黑白的区域大小比例转化为1:2,通过矩形区域的平均灰度自适应调整曝光值,将亮度合适的图像通过EDcircle算法进行圆检测,并提取出特征圆四个方向的边缘灰度点,将灰度点拟合曲线并计算出灰度点的平均斜率去表征图像的模糊情况,并反馈至平台控制器控制旋转移动平台调整Z方向距离实现自适应调整模糊度;

平台运动控制器通过预设定指令控制旋转移动平台调整至预设的最佳位姿组,实现的位姿有俯仰位姿、偏航位姿、横滚位姿和调整距离相机距离,旋转移动平台支撑着标定板移动实现相机的高精度标定。

2.根据权利要求1所述自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定系统,其特征在于:

单目相机,由一台相机和镜头组成,用于采集通过旋转移动平台切换的标定板图像,相机初始位置确保在旋转移动平台的正上方;

旋转移动平台,为四自由度的机械结构,每个自由度由电机实现角度的调整,电机由平台运动控制器统一控制,可实现俯仰姿态、偏航姿态和横滚姿态角度切换和调整与相机间的距离,用于调整圆心标定板的位姿;

平台运动控制器,以stm32开发板为核心,由连接线和旋转移动平台上的电机进行连接,另一端stm32连接着无线传输模块的接收端,用于控制旋转移动平台切换位姿,通过预设最佳标定板位姿位置,操作人员通过高精度相机标定软件发送开始标定命令,平台运动控制器控制旋转移动平台一一转动至预设位置,相机通过旋转移动平台的切换情况自动识别位姿并保存图像,用于标定计算;

圆心标定板,用于相机标定计算的图像,通过不同的圆心标定板位姿,提取标定板的世界坐标系的三维坐标和图像坐标系的二维坐标实现相机标定;

无线传输设备,用于发送控制平台运动控制器命令,根据高精度相机标定软件操作情况通过无线传输设备发送对应命令至运动控制器;

处理器,用于实现数据采集、储存和内参标定方法,为内参标定软件提供载体;

显示设备,用于操作人员操作高精度相机标定软件,并实时显示相机采集的图像信息;

自动标定软件包括功能设置区、功能视图区、显示视图区和高精度标定标定算法;其中功能设置区,提供相机标定所需的两个功能,分别为相机参数设置和相机标定,操作人员可根据实际情况对功能进行选择;功能视图区,是将选择标定功能具体化显示;显示视图区,用于显示摄像机所获取的图像。

3.自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定方法,包括如下步骤:

步骤1,计算旋转移动平台初始位置,根据小孔成像模型可知相机具有一定范围的工作距离,由于无法得知当前相机的焦距,因而估计焦距f通过距离公式可以求解出旋转移动平台的初始位置WD;

步骤2,设置相机参数,通过功能设置区切换至相机参数界面,获取相机的型号、当前图像,设置相机的工作状态,设置相机采集模式和自动白平衡,根据现场环境手动粗调曝光值和相机增益,从而提高获得图像的质量;

步骤3,自适应调整曝光度,圆心标定板颜色组成为黑色和白色,标定板处于镜头正下方,统计图像中心固定尺寸矩形区域内黑色和白色像素数量比例Rn,根据亮度适中的黑色和白色像素数量比例比例Ro对当前统计的固定区域内比例Rn进行黑色和白色像素数量比例转化,并求当前区域的平均灰度值,根据平均灰度值自适应调整曝光度;

步骤4,自适应调整模糊度,通过对圆心标定板上特征圆进行排序,获取多个特定特征圆的四个方位边缘灰度值并分别进行曲线拟合,求取每一方向上灰度值的平均斜率,比较多个圆中同一方向的斜率平均值并去除极大值;求取多个圆多个方向边缘点的平均斜率作为图像模糊程度的评价因子,根据评价因子实现自适应调整模糊度;

步骤5,获取最佳标定角度,旋转移动平台预设一组最佳标定角度并记录在平台运动控制器,高精度相机标定软件通过无线传输设备发送开始标定指令至平台运动控制器,旋转移动平台将预设位姿一一转动,相机采集不同位姿距离下的稳定清晰的标定图像,共计18张标定图像;

步骤6,相机标定,对18张标定图像分别获取特征圆的圆心并根据张正友标定法计算相机内参和畸变系数,数据结果生成标定日志保存至数据库中,方便操作人员查看和使用。

4.根据权利要求3所述自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定方法,其特征在于,步骤3中,自适应调整曝光度通过以下步骤实现其功能:步骤3.1,计算矩形区域内平均灰度值:在圆心标定板区域内选取一定面积的矩形区域,设定标准黑色和白色的数量比例为Ro,计算当前黑色和白色的数量比例Rn并基于Ro求取当前区域黑色和白色补偿参数Bc和Wc,通过补偿参数将当前黑色和白色的数量比例转化为和设定标准值一致,从而求取添加补偿参数之后的平均灰度值;其中补偿参数Bc和Wc的表达式为:其中,b和bn表示值为标准比例和第n次特定区域中黑色的像素的数量,w和wn表示值为标准比例和第n次特定区域中白色的像素的数量;

平均灰度值Gavec表达公式为:

其中,Ab表示黑色区域的权重系数,Aw表示白色区域的权重系数,由于黑色区域的灰度值远小于白色区域的灰度值,增加黑色区域的权重系数Ab,亮度变化时平均灰度值具有更为显著的变化;

步骤3.2,自适应调整曝光度:采集欠曝光到过曝光一系列亮度图像并分别求取平均灰度值Gavec,构建基于补偿和权重分配的平均灰度值的亮度分布,计算当前选取区域的平均灰度值并基于亮度分布推导出亮度调整策略,实现自适应调整曝光度;其中亮度调整策略为:其中,E表示修改的曝光值,L表示亮度情况,KL表示曝光调整系数,当前获取区域平均灰度值Gavec,Gup和Gunder表示表示矩形区域内亮度适宜上和下限的平均灰度值;通过修正E值,从而达到自适应调节亮度,获取清晰的标定图像。

5.根据权利要求3所述自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定方法,其特征在于,步骤4中,自适应调整模糊度通过以下步骤实现其功能:步骤4.1,特征圆排序:对图像进行特征圆检测,去除干扰特征圆和近似圆,并对特征圆进行排序,选取多个特定特征圆作为处理对象;

步骤4.2,边缘点评价指标:对选取的多个特征圆在四个方向统计边缘点,根据边缘点和特征圆内部像素点和外部像素点的灰度值变化特性不同推导出边缘点评价指标,并基于此筛选出边缘像素点;边缘点评价指标表达式为:其中,Mn表示n点是否为边缘点评价指标,Gn表示第n个点的灰度值,d表示步长;

步骤4.3,模糊度评价指标,根据多个特征圆四个方向的边缘点像素值进行多项式拟合曲线,计算每一个边缘点像素值的斜率并筛除与同一个方向其他特征圆的边缘点像素值的平均斜率差值较大的平均斜率,从而计算多个圆多个方向的边缘点像素值的平均斜率作为图像模糊度的评价指标;模糊度评价指标的表达式为:其中,m为边缘点个数,Y为边缘点像素值经过多项式拟合的表达式,z表示边缘点的方向,i表示获取特征圆圆的个数;

步骤4.4,自适应调整模糊度,根据模糊度评价因子去判断当前图像质量,通过自适应调整图像的模糊度策略调节相机和圆心标定板的距离实现图像质量的改善;自适应模糊度调整表达式如下:其中,Dn表示相机移动距离方向,Ak和Ko表示固定系数和图像清晰阈值,tn表示方向权重,自适应模糊度调整相机和标志物的距离中,tn表示当前移动后模糊度变化情况的评判,tn根据下列关系确定:tn=Kn‑Kn‑1

其中,Kn表示第n个图像的模糊度评价因子。

6.根据权利要求3所述自适应调整亮度和模糊度的全自动相机标定方法,其特征在于,步骤5中,包括如下步骤:步骤5.1,预设最佳标定角度:标定板俯仰偏航翻滚的倾角过大导致特征圆发生畸变,通过实验反复验证得到最佳标定角度并将预先设定的最佳标定角度记录至平台运动控制器,其中最佳标定角度数量设为18个,分为三组进行采集,每一组都为六个固定位姿:俯仰

5°翻滚‑5°、俯仰5°翻滚‑10°,俯仰‑5°翻滚‑15°、俯仰5°翻滚‑20°、俯仰10°翻滚‑15°、俯仰

10°翻滚‑20°;三组标定图像划分为:第一组相机与位姿旋转台距离为WD+Dn,第二组相机与位姿旋转台距离为WD+Dn+WD1,第三组相机与位姿旋转台距离为WD+Dn+WD1且位姿旋转台偏航5°,其中Dn表示自适应调整模糊度所移动的距离,WD1表示当前镜头景深的五分之一距离;

步骤5.2,标定图像采集:自动高精度标定软件通过无线传输设备发送开始标定命令至平台控制器并控制旋转移动平台依次转动预设角度,自动高精度标定软件自动识别旋转移动平台状态并保存稳定清晰的标定图像;高精度相机标定系统能够自适应调整曝光度和自适应调整模糊度,提高获取图像的质量,通过旋转移动平台依次移动至预设定的最佳标定角度,根据采集的标定图像计算出相机内参和畸变系数数据,实现自动的相机标定过程。