CN101900531A - 双目视觉位移测量误差的测算方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于标准量具(螺旋千分尺或游标卡尺)的双目视觉位移测量误差的测算方法及测量系统。该方法包括以下步骤：将标记物设置在标准量具的尺头上；分别沿立体空间的三维坐标系中的三个坐标轴方向平行地布置标准量具，调节标准量具以使标记物分别沿三个坐标轴方向随尺头移动，并获取标记物的位移的实际值；通过对位移的实际值和测量值的差的绝对值计算算术平均值来分别获得在三个坐标轴方向上的位移测量误差，再通过对三个坐标轴方向上的位移测量误差进行计算以获得整个测量范围内的误差。该系统包括标准量具(螺旋千分尺或游标卡尺)和双目视觉测量装置。

Description

双目视觉位移测量误差的测算方法及测量系统

技术领域

本发明涉及一种双目视觉位移测量误差的测算方法及测量系统，更具体地，涉及用于测算在具体测量环境下的双目视觉位移测量误差的方法及装置。

背景技术

双目视觉技术是计算机视觉领域的重要技术，双目视觉技术能够通过两个相机的内外参数和两个相机成像平面上的对应点坐标来重建空间一点坐标。如图1所示，I₁和I₂分别是左右两个相机的成像平面，C₁和C₂分别是左右两个相机的光心，在空间某一平面π上有一点M，该M点在I₁和I₂上的投影点分别为P₁和P₂(即，光心C₁和点M的连线以及光心C₂和点M的连线分别与成像平面I₁和I₂的交点)，将两个成像平面I₁和I₂分别与平面π的交线e₁和e₂称为极线，P₁和P₂必过极线。由对极几何关系可知，如果知道两个相机光心C₁和C₂之间的距离、光心C₁和C₂分别到成像平面I₁和I₂的距离(焦距)、两成像平面I₁和I₂的夹角等双目视觉系统的内外参数以及像平面I₁上的点P₁的坐标，即可确定e₂(相应地，通过像平面I₂上的点P₂的坐标也可以确定e₁)，则P₁的对应点P₂必在极线上(可以利用匹配算法在极线上搜索P₂)，再通过P₁和P₂的坐标，即可唯一确定平面π上的某一点的空间坐标。

利用双目视觉技术重构空间一点坐标和该点的实际坐标之间的误差被称为双目视觉测量误差，双目视觉测量误差可作为指导双目视觉测量系统参数选择的标准。在现有技术中存在对双目视觉测量误差的计算技术，双目视觉测量技术(余慧杰，韩平畴.光学技术[J].2007，33(Suppl)，156-160)分析了两相机相对位置关系误差引起的双目视觉测量误差，双目视觉系统的测量误差分析(陈杰春，丁振良.三维重构不确定度的两阶估计方法.光学精密工程[J].2008，16(6)，1110-1116)借助于不确定度传递原理估计了双目视觉测量误差。这两种误差估计(分析)方法均属于数学模型法，可作为通用的双目视觉测量误差计算方法。

由于对测量环境要求低、与被测量物不接触及测量原理简单等优点，因此双目视觉技术还被广泛地应用于运动测量领域。因为各个运动参数均可由位移量导出，所以运动测量的核心是位移测量并且运动测量误差可由位移测量误差表示。在双目视觉运动测量技术中，现场测量环境下的位移测量误差是评价运动测量水平的重要指标。

上述双目视觉测量误差并非双目视觉位移测量误差，这两种误差并不完全一样，并且，由于数学模型误差计算方法往往不考虑具体测量环境，而双目视觉测量方法对环境光又非常敏感，不同环境光效果下的测量结果差别很大，所以数学模型方法不能计算具体测量环境下的误差。另外，数学模型误差计算方法可以体现测量误差的变化趋势，可作为指导测量参数选择的依据，但不能准确计算误差数值。因此，迄今为止，还不存在一种测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差的方法及相应的测量系统。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种能够测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差的方法及相应的测量系统。

双目视觉位移测量误差的测算方法包括以下步骤：步骤1，将标记物设置在标准量具的尺头上；步骤2，分别沿立体空间的三维坐标系中的三个坐标轴方向平行地布置标准量具，调节标准量具以使标记物分别沿三个坐标轴方向随尺头移动，并获取标记物的位移的实际值；步骤3，利用双目视觉位移测量装置获得标记物的位移的测量值；步骤4，通过对位移的实际值和测量值的差的绝对值计算算术平均值来分别获得在三个坐标轴方向上的位移测量误差，再通过对三个坐标轴方向上的位移测量误差进行计算以获得整个测量范围内的误差。

双目视觉位移测量误差的测量系统包括：标准量具(螺旋千分尺、游标卡尺等)，标准量具具有尺头，将标记物设置在标准量具的尺头上以使标记物随尺头移动；双目视觉位移测量装置，用于利用双目视觉技术对标记物的位移进行测量。

附图说明

图1是现有技术中通过双目视觉技术来重建空间一点坐标的示意图；

图2是本发明提供的用于测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差的系统的示意图；

图3是本发明中的位移测量视场的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差的方法。下面具体描述该方法。

首先，如图2所示，将标记物11设置在标准量具1的尺头上，标准量具1可以是螺旋千分尺、游标卡尺等标准测量工具，本实施例中的标准量具1以螺旋千分尺作为示例。标记物11是经过特殊涂装的圆球零件，经过涂装的圆球零件对光照非常敏感，从而可以将标记物11同其所处的背景显著区分。有多种方式将标记物11设置在标准量具1的尺头上，例如，利用螺钉等将标记物11固接在一个圆环上，再将固接了标记物11的圆环套在标准量具1的尺头上并进行固定。

然后，利用标准量具1准确调节标记物11的位移，位移是按步进方式给出的，步长应大于双目视觉位移测量装置3的最小分辨率，步数应该尽量多，步数越多测算的越准确。标准量具1的测量范围应与双目视觉位移视场范围2一致，且精度应该大于双目视觉位移测量装置3的设计测量精度。通过调节标准量具1来调节标记物11的位移具体包括调节标准量具1的位移方向、单次位移距离和位移次数。如图2所示，位移方向包括测量视场范围2的长(L)、宽(W)、高(H)三个方向，可以通过设置千分尺的位置来实现位移方向的调节，图2所示为将标准量具1与W方向平行设置，通过该设置可以测量沿着W方向移动的标记物11的位移，还可以将标准量具1分别与L和H方向平行设置以分别测量沿着L方向和H方向移动的标记物11的位移。在进行位移测量时，需要定义位移测量视场，如图3所示，一般令位移测量视场为立方体，设置该立方体中点O，分别在图示坐标系下的L、W及H三个方向上转动千分尺，令标记物11发生位移。L方向垂直于基线，指向远端被测物体，即双目视觉测量系统的景深方向，W方向平行于基线方向，H方向垂直于L-W构成的平面。标记物11的具体位移方式是按步长l和位移步数n转动千分尺来进行的。步长l和位移步数n同位移测量视场范围2相关，L、W及H三个测量方向上的l×n应当分别与对应的范围近似，L、W及H三个测量方向的测量范围分别是0～L、0～W及0～H，在此前提下根据测量精度要求定义步长l，步数n应当尽量多，这样误差样本就会越大，误差计算也越准确。假设在某一方向上按步长l和位移步数n移动标记物11，进行每次位移后标记物11实际的位移是l_i，对每次位移后的标记物11的位置进行测量，记该时刻标记物11的位置为p_i，则根据测得的标记物11的位置计算位移，这一步测量位移l_i’＝p_i-p_i-1，然后计算在某一方向上的测量误差均值

L、W及H三个测量方向上的测量误差分别被记为

和

则全视场的位移测量误差为

在以上描述的对每次位移后的标记物11的位置进行测量时，需要利用双目视觉测量原理，重构某时刻的标记物11空间坐标。先标定双目视觉测量系统，标定方法可以采用“一种灵活的摄像机标定新技术”(Zhang Zhengyou.Aflexible new technique for camera calibration.IEEE Transaction on Pattern Analysisand Machine Intelligence，22(11)：1300-1334，2000)中描述的标定方法进行标定；然后在左右相机图片上提取标记物11，根据灰度分割提取标记物11的成像区域，提取该区域重心，根据左右图像上的两个中心坐标重构标记物11中心的空间坐标，以这一坐标表示标记物11的空间位置。

本发明还提供一种双目视觉位移测量误差的测量系统，如图2所示，该系统包括标准量具1和双目视觉位移测量装置3。通过使用该系统来实施上述测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差的方法，可以获得双目视觉位移测量误差。

应用本发明在某具体测量环境下(测量范围10×10×10mm)使用螺旋千分尺测量的测量数据见下表：

全场的位移测量误差记为

可知，L(景深)方向上位移测量误差较大，在平行于像平面的两个方向上位移测量误差较小。

通过本发明提供的双目视觉位移测量误差的测算方法及测量系统能够测算在现场环境下的双目视觉位移测量误差。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双目视觉位移测量误差的测算方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将标记物设置在标准量具的尺头上；

步骤2，分别沿立体空间的三维坐标系中的三个坐标轴方向平行地布置标准量具，调节标准量具以使标记物分别沿三个坐标轴方向随尺头移动，并获取标记物的位移的实际值；

步骤3，利用双目视觉位移测量装置获得标记物的位移的测量值；

步骤4，通过对位移的实际值和测量值的差的绝对值计算算术平均值来分别获得在三个坐标轴方向上的位移测量误差，再通过对三个坐标轴方向上的位移测量误差进行计算以获得整个测量范围内的误差。

2.根据权利要求1所述的双目视觉位移测量误差的测算方法，其中，在所述步骤4中，通过分别对三个坐标轴方向上的位移测量误差进行平方计算后再对所获得的平方值进行求和，然后对所求得的和计算算术平方根以获得整个测量范围内的误差。

3.根据权利要求1或2所述的双目视觉位移测量误差的测算方法，其中，所述标记物是经过涂装的圆球零件，经过涂装的圆球零件对光照非常敏感。

4.根据权利要求1或2所述的双目视觉位移测量误差的测算方法，其中，在所述步骤2中，以步进方式调节标准量具以使标记物分别沿三个坐标轴方向随尺头移动。

5.根据权利要求1或2所述的双目视觉位移测量误差的测算方法，其中，所述标准量具是螺旋千分尺或游标卡尺。

6.一种双目视觉位移测量误差的测量系统，包括：

标准量具，标准量具具有尺头，将标记物设置在标准量具的尺头上以使标记物随尺头移动；

双目视觉位移测量装置，用于利用双目视觉技术对标记物的位移进行测量。

7.根据权利要求6所述的双目视觉位移测量误差的测量系统，其中，

分别沿立体空间的三维坐标系中的三个坐标轴方向平行地布置标准量具，调节标准量具以使标记物分别沿三个坐标轴方向随尺头移动，

对由双目视觉位移测量装置测量得到的位移的测量值和标准量具移动标记物的位移的实际值进行计算以获得双目视觉位移测量误差。

8.根据权利要求6或7所述的双目视觉位移测量误差的测量系统，其中，以步进方式调节所述标准量具以使标记物随尺头移动。

9.根据权利要求6或7所述的双目视觉位移测量误差的测量系统，其中，所述标记物是经过涂装的圆球零件，经过涂装的圆球零件对光照非常敏感。

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