CN101799271A - 大视场条件下获得摄像机标定点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用激光跟踪仪设置共面标定点完成全局标定的一种大视场条件下获得摄像机标定点的方法。它包括摄像机标定点的生成方法和获取摄像机标定点3D坐标的方法，摄像机标定点的生成方法是：在激光跟踪仪的工作范围内是一面平整的幕墙，将激光跟踪仪的靶标放置在幕墙表面的某一点处，并且保持靶标的位置不变，分别记录此时靶标球心点P₀在基本坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)及方位角α和β；本发明利用激光跟踪仪设置共面标定点完成全局标定的方法。本发明采用激光跟踪仪设备，根据现场实际情况选择标定点位置，不需要单独制作靶标，空间坐标转换环节少，标定方法简单，可保证多视觉测量系统的全局标定精度达到较高的水平。

Description

大视场条件下获得摄像机标定点的方法

(一)技术领域

本发明涉及测量技术，具体说就是一种大视场条件下获得摄像机标定点的方法。

(二)背景技术

数字摄像机是计算机视觉系统获得图像信息的主要工具。近年来，利用数字摄像机进行二维、三维重建和尺寸检测获得了越来越多的运用和研究。检查和校准摄像机的内部参数和外部参数的过程称为摄像机标定(Camera calibration)。摄像机标定是从二维图像获取高精度三维信息的前提，其标定精度和可靠程度将直接影响到测量结果的精度。根据标定过程是否需要标定点将摄像机标定分为传统标定方法和自标定方法。传统的摄像机标定方法标定精度远远高于自标定方法，是应用最广泛的标定方式。应用传统标定摄像机时需要在场景中放置一个标定设备(如经过精密加工的标定块)，标定设备上制作多个标定点，而且标定点的坐标需要精确测量，然后由摄像机获取标定点的图像并提取标定点的2D图像坐标。最后借助于非线性优化方法求解摄像机内外参数。因此标定点的选取与精度对最终的标定结果有很大的影响。而在视场较大的情况下，制作高精度的标定设备及精确测定标定点的3D坐标相对比较困难。一般采用的旋丝法，利用拉丝靶标提供标定点。这种方法只需采集一次坐标点，进行一次坐标变换，但双电子经纬仪交会系统的使用使得标定点的采集较为复杂，需要人工进行瞄准，系统定向比较麻烦，同时当测量范围较大的时候，很难制作高精度的标定靶标进行全局范围的标定。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光跟踪仪设置共面标定点完成全局标定的一种大视场条件下获得摄像机标定点的方法。

本发明的目的是这样实现的：它包括摄像机标定点的生成方法和获取摄像机标定点3D坐标的方法，摄像机标定点的生成方法步骤如下：

(1)在激光跟踪仪的工作范围内是一表面平整的标定板，将激光跟踪仪的靶标放置在平板表面的某一点处，并且保持靶标的位置不变，分别记录此时靶标球心点P₀在基本坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)及方位角α和β；

(2)在测量光束的光路上放置一个不透光的遮光板；根据激光跟踪仪的工作原理可知，在这种情况下跟踪模块将失去作用，也就是说，此时移动靶球测量光束不会跟着改变方向；

(3)将靶标从平板表面上拿走，然后移开遮挡物体，测量光束就会在平板表面上形成一个光斑，此光斑就用来作标定摄像机的标定点；

(4)将靶标随机放置在平板表面的不同位置上，使靶标中心点Pi(i＝1，2，…，n；n＞3)不共线而且位置尽量均匀分布，重复步骤(1)、(2)、(3)，直到在整个标定点采集平面范围内采集到足够的标定点；

获取摄像机标定点3D坐标的方法是：

(1)在每次采集标定点的同时记录靶标中心点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)，点P_i分布在同一平面(命名为∏_t)内，该平面与幕墙平面(命名为∏_b)互相平行，而且两个平面之间的距离等于靶球半径R_o，令平面∏_t的方程为：

                Ax+By+Cz+D₁＝0

将点P_i的坐标值代入方程，可构建一个如下形式的线性方程组：

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ x_n& y_n& z_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D_1\end{array}\right]=0$

(2)应用线性最小二乘法求解线性方程组，就可以确定平面∏_t的方程中的未知系数A、B、C和D₁；

(3)假设点P_t(x_t，y_t，z_t)是平面∏_t内的任意一点，过点P_t作辅助直线l，而且使直线l的单位方向向量等于平面∏_t的单位法向量，则直线l的参数方程可写成：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_t+\mathrm{tA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y=y_t+\mathrm{tB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z=z_t+\mathrm{tC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.$

假设点P_b(x_b，y_b，z_b)是直线l和平面∏_b的交点，由于平面∏_b和∏_t之间的距离等于靶标半径R，可得点P_b的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_t+\mathrm{RA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y_b=y_t+\mathrm{RB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z_b=z_t+\mathrm{RC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.$

由于平面∏_b和∏_t互相平行，可假设平面∏_b的方程为：

            Ax+By+Cz+D₂＝0

将x_b、y_b、z_b代入平面∏_b的方程得：

$D_2=D_1-R\sqrt{A^2+B^2+C^2}$

至此，平面∏_b的平面方程中的系数全部被确定；

(4)将测量光束看作一条经过基本坐标系坐标原点的直线，靶标中心P₀是该直线上的一点，由点P₀的坐标值得直线OP₀的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=t{x}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ y=t{y}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ z=t{z}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\end{array}\right.$

标定板平面∏_b和直线OP₀的交点P_c的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=-D_2{x}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\\ y_c=-D_2{y}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\\ z_c=-D_2{z}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\end{array}\right.$

至此，确定标定点的3D坐标。

本发明是一种大视场条件下获得摄像机标定点的方法。本发明采用激光跟踪仪设备，根据现场实际情况选择标定点位置，空间坐标转换环节少，标定方法简单，可保证多视觉测量系统的全局标定精度达到较高的水平。

(四)附图说明

图1为本发明的利用激光跟踪仪设定标定点装置示意图；

图2本发明的激光跟踪仪光路图；

图3本发明的激光跟踪仪基本坐标系；

图4本发明的标定点生成过程示意图；

图5本发明的确定作为标定板的平面方程的方法示意图；

图6本发明的标定点坐标测量方法示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

结合图1-图6，本发明借助于激光跟踪仪生成标定点，并精确测量其3D坐标。激光跟踪仪主要由跟踪头、靶标、控制电箱和测量软件构成，跟踪头内部有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电传感器等。激光器发出的光束照射到一个可沿水平轴和垂直轴旋转的万向反射镜上，经万向反射镜反射的光束照射到位于被测点的靶标上。由靶标反射回来的光束被分光镜分为两路，一路进入激光干涉系统形成干涉条纹，由干涉条纹数可求得靶标的移动距离；另一路照射到四象限探测器上，若照射到靶标上的光偏离靶标的中心点，则四象限探测器就会输出差动电信号，该信号经放大后，通过伺服控制回路控制电机带动万向反射镜转动，使照射到靶标的光束方向发生变化，直至入射光通过靶标中心为止。与万向反射镜同轴安装的两个角度编码器则分别测出水平方位角和垂直方位角。同时激光跟踪仪具有定位功能，可以控制激光束投射到已经测量好的空间坐标上。根据现场实际情况，以实验用屏幕作为标定点承载体，利用激光跟踪仪的指示光斑的投影作为标定点，将实验被测物与标定靶标相结合，不需要单独制作高精度靶标，空间坐标转换环节少，方法简单。其标定点的具体发生方法是：

(1)用4个摄像机构建一个多目视觉测量系统，其中两个安装在同一幕墙两侧的摄像机为一组，分别用于测量对面墙上的光斑图像。

(2)将激光跟踪仪、各相机的位置固定，然后确定地面坐标系O_gX_gY_gZ_g。此坐标系可以以激光跟踪仪的基本坐标系为准，其坐标原点即为跟踪仪的坐标原点。由于激光干涉仪为增量码测量系统，因此测量前必须预设初值。跟踪头上有一固定点，测量开始时，首先将靶标置于该固定点上，该点与万向反射镜回转中心的距离是固定的，计算机自动将初值置为该距离值，然后就可移动靶标依次测量空间各被测点。激光跟踪仪定义了一个完整的球体坐标系，其坐标原点位于万向反射镜的中心，该坐标系被称作基本坐标系，它被固化在硬盘内，不能被执行删除或更名操作，基本坐标系也是开始一个新工作的起始坐标系。假设点P为被测点，通过测量极径L和两个方位角α和β，即可确定被测点P的笛卡儿坐标：

            x＝Lsinαsinβ

            y＝Lsinαcosβ

            z＝Lcosα

(3)将激光跟踪仪的靶标放置在幕墙表面的某一点处，并且保持靶标的位置不变。分别记录此时靶标球心点P₀在基本坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)及方位角α和β。

(4)在测量光束的光路上放置一个不透光的遮光板。根据激光跟踪仪的工作原理可知，在这种情况下跟踪模块将失去作用，也就是说，此时移动靶球测量光束不会跟着改变方向。将靶标从幕墙表面上拿走，然后移开遮挡物体，测量光束就会在幕墙表面上形成一个光斑，此光斑就用来作标定摄像机的标定点。

(5)将靶标随机放置在幕墙表面的不同位置上，使靶标中心点p_i(i＝1，2，…，n；n＞3)不共线而且位置尽量均匀分布，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到在整个标定点采集平面范围内采集到足够的标定点。

(6)用摄像机依次拍摄这些标定点，并将其存储为标定点序列图像。在全部图像拍摄完毕后，对标定点序列图像进行分析，提取其中的光斑在摄像机坐标系Oⁱ _cXⁱ _cYⁱ _cZⁱ _c内的位置，光斑圆心的坐标使用三次线形插值和最小二乘拟合的质心算法。

标定点的3D坐标的测量方法是：

在每次采集标定点的同时记录靶标中心点p_i的坐标(x_i，y_i，z_i)(i＝1，2，…，n；n＞3)。P_i分布在同一平面(命名为∏_t)内，该平面与幕墙平面(命名为∏_b)互相平行，而且两个平面之间的距离等于靶球半径R。

令平面∏_t的方程为：

            Ax+By+Cz+D₁＝0                (1)

将点p_i的坐标值代入式(1)，可构建一个如下形式的线性方程组：

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ x_n& y_n& z_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D_1\end{array}\right]=0---\left(2\right)$

应用线性最小二乘法求解式(2)，就可以确定平面∏_t的方程中的未知系数A、B、C和D₁。

平面∏_t和∏_b的相对位置关系如图5所示，假设点P_t(x_t，y_t，z_t)是平面∏_t内的任意一点，过点P_t作辅助直线l，而且使直线l的单位方向向量等于平面∏_t的单位法向量，则直线l的参数方程可写成：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_t+\mathrm{tA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y=y_t+\mathrm{tB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z=z_t+\mathrm{tC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

假设点P_b(x_b，y_b，z_b)是直线l和平面∏_b的交点，由于平面∏_b和∏_t之间的距离等于靶标半径R，由式(3)可得点P_b的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_t+\mathrm{RA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y_b=y_t+\mathrm{RB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z_b=z_t+\mathrm{RC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于平面∏_b和∏_t互相平行，根据式(1)，可假设平面∏_b的方程为：

            Ax+By+Cz+D₂＝0            (5)

将(4)式代入(5)式得：

$D_2=D_1-R\sqrt{A^2+B^2+C^2}---\left(6\right)$

至此，平面∏_b的平面方程中的系数全部被确定。将测量光束看作一条经过基本坐标系坐标原点的直线，靶标中心P₀是该直线上的一点，由点P₀的坐标值得直线OP₀的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=t{x}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ y=t{y}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ z=t{z}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(5)至(7)得标定板平面∏_b和直线OP₀的交点P_c的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=-D_2{x}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\\ y_c=-D_2{y}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\\ z_c=-D_2{z}_0/(A{x}_0+B{y}_0+C{z}_0)\end{array}\right.---\left(8\right)$

至此，确定标定点的3D坐标。

由于幕墙平面尺度较大，必然存在一定的平面度误差，为降低这一类误差对标定参数造成的影响，采用对标定点坐标进行反求的方法。通过相机局部参数和标定点在坐标系Oⁱ _cXⁱ _cYⁱ _cZⁱ _c内的坐标反求得到它们在基本坐标系下的反求坐标(x_w ^i′，y_w ^i′，z_w ^i′)，计算其与实际坐标之间的绝对偏差值，

设定偏差阈值E，将偏差值超过阈值的标定点剔除(只针对单个相机，仍然参加其他相机的标定)，并重新标定该相机参数。

重复上一步骤直到所有标定点的反求偏差都符合要求。并重新标定该相机参数。

本发明使用激光跟踪仪设备作为外部测量设备，根据现场实际情况以实验用屏幕作为标定点承载体，利用激光跟踪仪的指示光斑的投影作为标定点，将实验被测物与标定靶标相结合，完成了实验场地内相机的标定。该方法对现场环境要求低，利用激光跟踪仪对标定点进行定位，不需要单独制作靶标，保证了标定点的测量精度，各标定点采集方便。

附图说明：

图1中的标定基准面和标定投影面为实验所用屏幕。面积大于8m×6m，两屏幕间距离14m。墙面的平整度需要有严格保证，其粗糙度应不超过3mm。表面涂亚光涂料，保证光斑在屏幕上发生漫反射，减小因镜面反射而造成的光斑亮度变化，同时也可以避免墙面因受潮而发生的变形。

图3中激光跟踪仪基本坐标系其坐标原点位于万向反射镜的中心，该坐标系又被称作本机坐标系。

图6中测量光束看作一条经过基本坐标系坐标原点的直线。

Claims (1)

1.一种大视场条件下获得摄像机标定点的方法，它包括摄像机标定点的生成方法和获取摄像机标定点3D坐标的方法，其特征在于：摄像机标定点的生成方法步骤如下：

(1)在激光跟踪仪的工作范围内是一面平整的幕墙，将激光跟踪仪的靶标放置在幕墙表面的某一点处，并且保持靶标的位置不变，分别记录此时靶标球心点P₀在基本坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)及方位角α和β；

(2)在测量光束的光路上放置一个不透光的遮光板，根据激光跟踪仪的工作原理可知，在这种情况下跟踪模块将失去作用，也就是说，此时移动靶球测量光束不会跟着改变方向；

(3)将靶标从幕墙表面上拿走，然后移开遮挡物体，测量光束就会在幕墙表面上形成一个光斑，此光斑就用来作标定摄像机的标定点；

(4)将靶标随机放置在幕墙表面的不同位置上，使靶标中心点p_i(i＝1，2，…，n；n＞3)不共线而且位置尽量均匀分布，重复步骤(1)、(2)、(3)，直到在整个标定点采集平面范围内采集到足够的标定点；

获取摄像机标定点3D坐标的方法是：

(1)在每次采集标定点的同时记录靶标中心点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)，点p_i分布在同一平面(命名为∏_t)内，该平面与幕墙平面(命名为∏_b)互相平行，而且两个平面之间的距离等于靶球半径R_o，令平面∏_t的方程为：

Ax+By+Cz+D₁＝0

将点P_i的坐标值代入方程，可构建一个如下形式的线性方程组：

$\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ x_n& y_n& z_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D_1\end{array}\right]=0$

(2)应用线性最小二乘法求解线性方程组，就可以确定平面∏_t的方程中的未知系数A、B、C和D₁；

(3)假设点P_t(x_t，y_t，z_t)是平面∏_t内的任意一点，过点P_t作辅助直线l，而且使直线l的单位方向向量等于平面∏_t的单位法向量，则直线l的参数方程可写成：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_t+\mathrm{tA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y=y_t+\mathrm{tB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z=z_t+\mathrm{tC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.$

假设点P_b(x_b，y_b，z_b)是直线l和平面∏_b的交点，由于平面∏_b和∏_t之间的距离等于靶标半径R，可得点P_b的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_t+\mathrm{RA}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ y_b=y_t+\mathrm{RB}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ z_b=z_t+\mathrm{RC}/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.$

由于平面∏_b和∏_t互相平行，可假设平面∏_b的方程为：

Ax+By+Cz+D₂＝0

将x_b、y_b、z_b代入平面∏_b的方程得：

$D_2=D_1-R\sqrt{A^2+B^2+C^2}$

至此，平面∏_b的平面方程中的系数全部被确定；

(4)将测量光束看作一条经过基本坐标系坐标原点的直线，靶标中心P₀是该直线上的一点，由点P₀的坐标值得直线OP₀的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=t{x}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ y=t{y}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\\ z=t{z}_0/\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\end{array}\right.$

标定板平面∏_b和直线OP₀的交点P_c的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=-D_2{x}_0/({\mathrm{Ax}}_0+{\mathrm{By}}_0+C{z}_0)\\ y_c=-D_2{y}_0/({\mathrm{Ax}}_0+B{y}_0+C{z}_0)\\ z_c=-D_2{z}_0/({\mathrm{Ax}}_0+B{y}_0+C{z}_0)\end{array}\right.$

至此，确定标定点的3D坐标。

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