一種相機(jī)標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置設(shè)計(jì)

楚 恒，盧笑宇

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來(lái)，人工智能技術(shù)風(fēng)靡全球，機(jī)器人、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域飛速發(fā)展，視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)圖像識(shí)別、目標(biāo)定位、視覺(jué)測(cè)量等方面的技術(shù)要求也越來(lái)越高[1]。雖然目前相機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)已非常成熟，但由于相機(jī)透鏡存在不可避免的制造誤差和裝配誤差[2]，相機(jī)拍攝的圖像將存在一定的失真，對(duì)圖像的應(yīng)用精度造成一定影響[3]。因此，需要在相機(jī)使用前利用相機(jī)標(biāo)定板對(duì)其內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，求解出鏡頭的各個(gè)畸變參數(shù)，根據(jù)畸變參數(shù)對(duì)獲得的圖像進(jìn)行畸變校正，獲得精確的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量、目標(biāo)定位和圖像識(shí)別等應(yīng)用[4]。

1 研究背景

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

根據(jù)相機(jī)標(biāo)定板圖像采集要求，利用三維空間自由度約束的性質(zhì)，設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、多自由度約束定量改變的相機(jī)標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置。

2 設(shè)計(jì)理念概述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)定板在三維空間中多自由度約束定量改變，該標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置由水平和豎直兩個(gè)不同方向的旋轉(zhuǎn)裝置以及一個(gè)豎直方向的升降裝置組成。其中，水平旋轉(zhuǎn)裝置由一個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)一對(duì)齒輪定量地控制標(biāo)定板前后翻轉(zhuǎn)的角度；豎直旋轉(zhuǎn)裝置通過(guò)將旋轉(zhuǎn)定位桿放置在不同的定位卡槽中，定量地改變其標(biāo)定板左右旋轉(zhuǎn)的角度；豎直方向的升降裝置通過(guò)氣泵控制升降氣筒改變標(biāo)定板的上下位置。

3 裝置結(jié)構(gòu)示意圖及工作流程

3.1 結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)定板姿態(tài)變化裝置整體由兩大部分（底座和移動(dòng)裝置）和四大裝置（升降裝置、豎直旋轉(zhuǎn)裝置、水平旋轉(zhuǎn)裝置和標(biāo)定板固定裝置）構(gòu)成。底座用來(lái)固定和安裝其他裝置，移動(dòng)裝置包括四個(gè)可鎖萬(wàn)向輪。升降裝置包括氣泵和升降筒，豎直旋轉(zhuǎn)裝置包括可調(diào)整的旋轉(zhuǎn)定位桿、定位卡槽，水平旋轉(zhuǎn)裝置包括伺服電機(jī)、傳動(dòng)齒輪和旋轉(zhuǎn)軸，標(biāo)定板固定裝置包括標(biāo)定板夾具和固定螺栓。標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置斜二軸測(cè)圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置斜二軸測(cè)圖

標(biāo)定板夾具分為左右兩個(gè)，在夾具末端設(shè)有固定標(biāo)定板的螺栓，可以將相機(jī)標(biāo)定板完全固定在姿態(tài)變換裝置上；標(biāo)定板夾具安裝在裝置水平旋轉(zhuǎn)軸上，該水平旋轉(zhuǎn)軸與伺服電機(jī)之間通過(guò)一對(duì)齒輪副連接，伺服電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器可保證伺服電機(jī)的控制精度，可以通過(guò)控制伺服電機(jī)對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行前后方向上的翻轉(zhuǎn)。

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

氣泵通過(guò)控制升降筒的高度改變標(biāo)定板豎直方向上的位置；裝置底座安裝有4個(gè)萬(wàn)向輪，便于裝置隨時(shí)移動(dòng)。標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置正視圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置正視圖

3.2 操作流程

將標(biāo)定相機(jī)固定在合適的位置，通過(guò)標(biāo)定板夾具上的固定螺栓，將相機(jī)標(biāo)定板固定在姿態(tài)變換裝置上，通過(guò)安裝有萬(wàn)向輪的底座，將裝置移動(dòng)至面向標(biāo)定相機(jī)的合適位置，并將萬(wàn)向輪鎖死，防止在標(biāo)定板圖像采集過(guò)程中裝置發(fā)生移動(dòng)?？刂扑欧姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，將標(biāo)定板調(diào)整至豎直狀態(tài)，調(diào)整旋轉(zhuǎn)定位桿使標(biāo)定板平面垂直于標(biāo)定相機(jī)射線，并將旋轉(zhuǎn)定位桿置于定位卡槽中，規(guī)定該狀態(tài)為初始狀態(tài)。

以獲取20 張標(biāo)定板圖像為例。調(diào)整旋轉(zhuǎn)定位桿位置，使標(biāo)定板由初始狀態(tài)向左旋轉(zhuǎn)5 種角度后，再由初始狀態(tài)向右旋轉(zhuǎn)相同的5種角度。每次調(diào)整角度，必須將旋轉(zhuǎn)定位桿置于相應(yīng)的定位卡槽中。對(duì)上述10個(gè)不同空間姿態(tài)的標(biāo)定板進(jìn)行依次拍攝，得到10 張左右旋轉(zhuǎn)的標(biāo)定板圖像。然后將標(biāo)定板調(diào)整至初始狀態(tài)并固定旋轉(zhuǎn)定位桿，控制伺服電機(jī)使標(biāo)定板在前后方向分別上下各翻轉(zhuǎn)5種角度，可以得到10張上下翻轉(zhuǎn)的標(biāo)定板圖像。如需改變標(biāo)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(biāo)定板圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用該種新型的相機(jī)標(biāo)定板固定和空間姿態(tài)變換裝置，在對(duì)相機(jī)標(biāo)定板進(jìn)行拍攝圖像時(shí)，可以根據(jù)需要方便地調(diào)節(jié)標(biāo)定板空間位置，快速獲取不同位姿的標(biāo)定板圖像，提高相機(jī)標(biāo)定效率。該標(biāo)定板姿態(tài)變換裝置能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)標(biāo)定板在3個(gè)自由度方向的定量變換，相較于現(xiàn)有的其他相機(jī)標(biāo)定板固定、姿態(tài)變換方式，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、效率高的特點(diǎn)，可以為機(jī)器視覺(jué)科研人員提供較大的幫助。