Semi-automatic method for camera calibration using planar markers and robot end-effector

Researchers have proposed several approaches to estimate the camera extrinsic parameters. These approaches require either auxiliary objects, like chessboards, or extra help from human to select correspondences. Mostly of them are time consuming and not user-friendly. The document presents an innovative extrinsic calibration procedure for RGB sensors with respect to a manipulator frame, assuming the use of only a simple calibration board and the end-effector of the robot. It is well suited to be used without specialized knowledge of 3D geometry or computer vision. The technique only requires the camera to observe an ArUco Board planar pattern shown at a few (at least two) different orientations, and to ask the operator to manually touch, through the robot end-effector, some feature points drawn on the calibration board. The calibration accuracy has achieved very good results. Finally, the document presents a calibration case study, depending on the type of the board used, the number of feature points measured and the number of extrinsic parameters sampled before determining the final results and finishing the overall process. The results obtained in this study using different calibration boards reveal that the precision of the vision sensor measurements depends on the number of marker corners detected, and consequently remarkable occlusions or very bad lighting condition during the calibration process may considerably reduce the accuracy of the calibration. The analysis also reveals that in standard working conditions, when the camera is able to detect mostly of the markers on the board, the accuracy of the calibration depends exclusively on the quality of the measurements taken through the robot end-effector. The overall time required for the calibration is less than 10 minutes and the final results highlight an accuracy in the order of millimeters.

Vari ricercatori hanno proposto molteplici e differenti approcci per stimare i parametri estrinseci alle telecamere. Tali metodologie richiedono sempre oggetti ausiliari, ad esempio una scacchiera, oppure un intervento manuale da parte dell’operatore per selezionare le corrispondenze tra punti nello spazio e le loro rispettive proiezioni sul piano immagine della telecamera. La maggior parte di queste metodologie proposte richiedono diverso tempo per la loro esecuzione e non sono di facile utilizzo per l’utente finale. Questo documento presenta una procedura innovativa per la calibrazione estrinseca di sensori RGB rispetto alle coordinate di un manipolatore, attraverso l'utilizzo di una semplice tavola di calibrazione e dell’end-effector del robot. Tale metodologia si presta di facile utilizzo senza la necessità di una conoscenza specializzata di geometria tridimensionale o di visione artificiale da parte dell’operatore. Il processo di calibrazione richiede solamente l'osservazione della tavola di calibrazione attraverso la telecamera e di andare a toccare manualmente, attraverso l’end-effector, alcuni suoi punti.La precisione di calibrazione risultante da questa procedura ha ottenuto risultati estremamente positivi. Inoltre, questo documento propone uno studio su diversi casi di calibrazione che considerano il tipo di tavola utilizzato, il numero di punti toccati con il robot, e il numero di parametri estrinseci campionati prima di determinare il loro valore finale. I risultati ottenuti rivelano che la precisione delle misurazioni della telecamera dipende dal numero dei marker rilevati sul suo piano immagine. Di conseguenza, occlusioni considerevoli della telecamera e/o condizioni di scarsa illuminazione durante il processo di calibrazione possono influenzare considerevole la precisone della calibrazione. Inoltre, questa analisi ha constatato che in presenza di condizioni operative normali,la precisione della calibrazione dipende esclusivamente dalla qualità delle misurazioni effettuate mer mezzo dell’end-effector. L’intero processo di calibrazione può essere completato in un tempo inferiore ai dieci minuti e fornisce risultati che presentano un’accuratezza nell’ordine dei millimetri.