CN103278104B - 一种用于dic测量的双相机系统的标定板及其标定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于DIC测量的双相机系统的标定板及其标定方法，属于数字图像技术领域。所述标定板包括标定板基板和靶标群，标定板基板的正面设置散斑，靶标群安装在标定板基板的正面，所述靶标群由若干个双全站仪靶标构成，若干个双全站仪靶标中心构成正多边形。本发明利用了双全站仪对靶标中心三维坐标的精确测量及几何作图的方法，精确选取了尺寸标定所用空间点，并与图像上相应点精确匹配，提高了尺寸标定精度。用商家自带的标定板分别对两台相机进行参数标定，再用本发明的标定板对两台相机进行关联，保证了对大型空间物体进行测量时需要对相机标定的精确性。本发明的标定精度更高，而且制作简单，便于携带，这对测量大型高精度物体的变形至关重要。

Description

一种用于DIC测量的双相机系统的标定板及其标定方法

技术领域

本发明属于数字图像技术领域，涉及一种相机系统的标定板及其标定方法。

背景技术

目前，基于数字图像相关(DIC，Digital Image Correlation)原理的商业产品已经广泛应用各个领域的三维变形测量。

进行2D变形测量时，只用一台相机便可以完成，无需对相机系统进行标定。当进行3D测量时，通常需要2台相机进行同时测量，才能获得被测物的3D变形，此时，需要对相机系统进行标定，确定两台相机的参数并建立其空间位置关系。

基于DIC的商业产品(如美国CSI工地的VIC-3D全场散斑测量系统)通常都提供了不同型号的标定板，可以针对不同被测物选择合适的标定板对相机系统进行标定。为获得较高的标定精度，标定板要尽量充满相机的屏幕。

当被测物与所提供的标定板尺寸相当时，可以用两台相机同时对标定板进行拍摄若干张后，便可以对相机系统进行标定运算。但是，当被测物远远大于标定板时(有时标定板不可能做的与被测物尺寸相当，例如被测物是高楼或桥梁时)，两台相机通常会距离很远的距离(因为要把巨大的被测物都摄入镜头内)，若此时采用两台相机同时对标定板进行拍摄标定的话，标定板在相机屏幕内的成像尺寸会非常小，标定精度会很低，影响最终的测量结果精度。此时，通常需要用标定板分别对相机进行标定(这样的话标定板可以尽可能地充满整个相机屏幕)，获得两台相机各自的参数。

获得两台相机各自的参数后，必须还要建立两台相机之间的关联，即建立他们之间的空间关系。此时需要另一种标定板建立两者之间的关联，这种标定板必须能够让DIC测量系统识别（例如由散斑构成的标定板）。建立两台相机关联时，需要输入该标定板上两点之间的距离，而输入距离的精度将直接影响最终测量结果的精度。此外，这种标定板的尺寸也要尽可能地与被测物的最大尺寸相当。

发明内容

针对大型结构的测量，本发明提出了一种建立两台相机之间关联的高精度标定板及其标定方法。

本发明的用于DIC测量的双相机系统的标定板包括标定板基板和靶标群，标定板基板的正面设置有DIC测量系统可以识别的散斑，靶标群安装在标定板基板的正面，所述靶标群由若干个双全站仪靶标构成，若干个双全站仪靶标中心构成正多边形。

利用上述标定板对双相机系统进行标定的方法，包括如下步骤：

1、首先布置好两台相机，利用商家自带的标定板分别对两台相机进行标定，获得两台相机独立的参数；

2、根据被测物大小，制作本发明提出的标定板：

如果被测物小于10m，所述标定板包括两组靶标群，两组靶标群分别布置在标定板基板对角线的两端；

如果被测物大于10m，制作两块标定板，所述标定板包括一组靶标群，并将这两块标定板分别放在被测物较长对角线的两端；

3、用双全站仪分别测量两组双全站仪靶标，并根据测量结果，计算出这两组靶标群形成的正多边形形心坐标，并根据这两个形心坐标算出它们之间的距离D；

4、两台相机同时拍摄一张本发明提出的标定板，并通过图像处理识别出两个正多边形形心处的散斑；

5、在图像中输入这两点之间的距离D，通过图像解算，建立两台相机之间的关联。

本发明的可实现大尺寸高精度标定的相机关联方法，设计简单，经济实用。这种方法利用了双全站仪对靶标三维坐标的精确测量及几何作图的方法，精确选取了尺寸标定所用空间点，并与图像上相应点精确匹配，提高了尺寸标定精度。用商家自带的标定板分别对两台相机进行参数标定，再用所发明的标定板对两台相机进行关联，保证了对大型空间物体进行测量时需要对相机标定的精确性。与普通的散斑标定板相比，本发明的标定精度更高，而且制作简单，便于携带，这对测量大型高精度物体的变形至关重要。

附图说明

图1是标定板基板示意图；

图2是一个靶标示意图；

图3是被测区域较小时设计使用的标定板示意图；

图4 是被测区域较大时设计使用的标定板示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：靶标群安装的形状设计以其中心坐标方便计算为原则。本实施方式以正六边形设计为例。

如图1-3所示，本实施方式的用于DIC测量的双相机系统的标定板由标定板基板1和靶标群组成，标定板基板1的正面设置有DIC测量系统可以识别的散斑2，靶标群安装在标定板基板1的正面，所述靶标群由6个双全站仪靶标3构成，6个双全站仪靶标3中心构成正六边形。

如果被测物较小，所述标定板包括两组靶标群，两组靶标群分别布置在标定板基板对角线的两端。

如果被测物较大，所述标定板包括一组靶标群，靶标群布置在标定板基板的位置没有具体要求，整个标定板基板上只需要留下靶标群所在区域，靶标群以外的标定板基板无实际意义。使用时，可以制作两块标定板，并将这两块标定板分别放在被测物较长对角线的两端。

标定板的制作方法如下：在一块平整的板上制作散斑就做成了标定板基板。散斑的制作方法很多，通常是通过在平整的板上喷满白漆，再喷黑漆，形成白底黑点的效果，即为散斑。相机基于照片上每个点灰度的不同，区别不同的点。再在标定板基板上安装（通常是粘贴）靶标群。

本实施方式中的靶标又名全站仪反射片，可通过商业渠道购买。

工作原理：

分别进行两台相机的参数标定，再用本发明的标定板对两台相机建立关联。通过在相机关联标定板上布置两个双全站仪的靶标群，双全站仪能精确测量靶标的坐标，并通过几何作图求得两个靶标群中心的坐标，然后求得两个靶标群中心的空间实际距离。同样在所拍摄的照片上也可以通过DIC图像处理识别出靶标群中心，精确拾取靶标群中心点，并把两点的实际距离赋予给拍摄系统，这样就精确标定了两台相机，同时也建立了两台相机的关联。

具体实施方式二：本实施方式按照以下步骤对用于DIC测量的双相机系统进行标定：

1、首先布置好两台相机，利用商家自带的标定板分别对两台相机进行标定，获得两台相机独立的参数；

2、根据被测物大小，制作本发明提出的标定板：如果被测物较小，可以制作一块矩形标定板，在该标定板的对角线附近(左下角和右上角)分别布置6个双全站仪靶标。如果被测物较大，可以制作两块标定板，每块标定板上分别有一组6个双全站仪靶标，并将这两块标定板分别放在被测物两端(距离要远一些)。

3、用双全站仪分别测量两组双全站仪靶标，可以获得这6个靶标中心的空间坐标（x，y，z），根据测量结果，计算出这两组靶标形成的六边形的形心坐标（X，Y，Z），根据这两个形心坐标算出它们之间的距离D；

4、两台相机同时拍摄一张被测物的照片，并通过图像处理识别出两个六边形形心处的散斑；

5、在图像中输入这两点之间的距离D，通过图像解算，建立两台相机之间的关联。

6、两台相机建立起关联后，便可以进行大型物体的变形测量了。

如果在一块标定板上建立两组这样的双全站仪靶标，则两个六边形的形心坐标可以通过双全站仪精确测出，那么在标定双相机系统时(即建立两台相机之间关联时)，便可以更精确地输入这两点之间的距离，从而提高标定的精度，进而提高测量结果。当被测物体巨大时，可以将两个这样的标定板分别放在被测物体较长对角线上（这样，标定板的尺寸就与被测物的最大尺寸相当），在两台相机分别用厂家提供的标定板标定后，便可以采用本发明的标定板建立两台相机之间的关联。

具体实施方式三：本实施方式以20m的被测区域的测量为例，其标定方法如下：

1、调整两台相机的距离和角度，使两台相机能同时拍到被测物。将商家自带的标定板放在相机一前，使标定板充满相机的全部区域，前后左右上下晃动该标定板，同时连续拍照20帧，完成了对相机一的参数标定。再将商家自带的标定板放在相机二前，以同样的方式标定其参数。

2、由于被测区域很大，本发明的标定板包括两个小标定板（图4）：标定板A和标定板B。在一块平整的板上制作散斑（散斑的制作方法很多，通常是喷白漆和黑漆制作白底黑点的效果），制成了标定板A的标定板基板。在标定板基板上安装六个靶标使靶标中心形成正六边形，称之为靶标群P，靶标群的中心，即六边形的形心为M。以同样的方法制作另一块标定板B。标定板B上的靶标群为Q，其中心坐标为N。

3、标定时输入相机的最佳距离是与被测区域上的最远距离相仿，这样可以减小误差，提高精度。将P与Q安装在被测物上对角线方向上相距最远的两点处。用双全站仪精确测量12个靶标中心的坐标。并求解两个靶标群中心M、N的坐标。算出M与N间的实际距离D。

4、两台相机同时拍摄一张所发明标定板的照片，并通过图像处理识别出两个六边形形心处的散斑；

5、在图像中输入这两点之间的距离D，通过图像解算，建立两台相机之间的关联。

6、两台相机建立起关联后，便可以进行大型物体的变形测量了。

具体实施方式四：本实施方式以3m的被测区域的测量为例，其标定方法如下：

1、调整两台相机的距离和角度，使两台相机能同时拍到被测物。将商家自带的标定板放在相机一前，使标定板充满相机的全部区域，前后左右上下晃动该标定板，同时连续拍照20帧，完成了对相机一的参数标定。再将商家自带的标定板放在相机二前，以同样的方式标定其参数。

2、由于被测区域不是很大，本发明的标定板只需制作一块3m左右的矩形的标定板（图3）。在一块3m左右的平整的板上制作散斑（散斑的制作方法很多，通常是喷白漆和黑漆制作白底黑点的效果），制成了标定板基板。在标定板基板的一个角上安装六个靶标，使靶标中心形成正六边形，称之为靶标群P。靶标群P的中心，即六边形的形心为M。在其对角上安装靶标群Q，其中心坐标为N。

3、用双全站仪精确测量12个靶标中心的坐标。并求解两个靶标群中心M、N的坐标。算出M与N间的实际距离D。

4、两台相机同时拍摄一张所发明标定板的照片，并通过图像处理识别出两个六边形形心处的散斑。

5、在图像中输入这两点之间的距离D，通过图像解算，建立两台相机之间的关联。

6、两台相机建立起关联后，便可以进行大型物体的变形测量了。

Claims (3)

1.一种用于DIC测量的双相机系统的标定板，其特征在于所述标定板包括标定板基板(1)和靶标群，标定板基板(1)的正面设置有DIC测量系统可以识别的散斑(2)，靶标群安装在标定板基板(1)的正面，所述靶标群由若干个双全站仪靶标(3)构成，若干个双全站仪靶标(3)的中心构成正多边形；如果被测物小于10m，所述靶标群为两组，两组靶标群分别布置在标定板基板(1)对角线的两端；如果被测物大于10m，所述靶标群为一组。

2.根据权利要求1所述的用于DIC测量的双相机系统的标定板，其特征在于所述靶标群由6个双全站仪靶标(3)构成，6个双全站仪靶标(3)的中心构成正六边形。

3.一种利用权利要求1所述的标定板对用于DIC测量的双相机系统进行标定的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

(1)首先布置好两台相机，利用商家自带的标定板分别对两台相机进行标定，获得两台相机独立的参数；

(2)根据被测物大小，制作权利要求1所述标定板：

如果被测物小于10m，所述标定板包括两组靶标群，两组靶标群分别布置在标定板基板对角线的两端；

如果被测物大于10m，制作两块标定板，所述标定板包括一组靶标群，并将这两块标定板分别放在被测物较长对角线的两端；

(3)用双全站仪分别测量两组双全站仪靶标，并根据测量结果，计算出这两组靶标群形成的正多边形形心坐标，并根据这两个形心坐标算出它们之间的距离D；

(4)两台相机同时拍摄一张上述标定板，并通过图像处理识别出两个正多边形形心处的散斑；

(5)在图像中输入这两点之间的距离D，通过图像解算，建立两台相机之间的关联。