CN103673881A - 一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明光笔快速现场标定方法只需要测量系统本身的摄像机、k（k≥0）个与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的辅助目标靶点、一个具有m（m≥2）个间距已知的圆锥孔的标定物，摄像机在t（t≥2）个不同的方位对光笔和其周围自由布设的k（k≥0）个辅助靶点拍摄t幅图像，根据拍摄的t幅图像求解出光笔上各靶点在光笔坐标系下相差一个比例因子λ的三维坐标；将标定物置于摄像机有效视场内，保持摄像机和标定物相对位置不变，依次将光笔的球形测头置于标定物上的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，每次使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，用摄像机拍摄每个位置光笔靶点图像I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像，利用这m×l幅图像，求出比例因子λ及光笔测头中心在光笔坐标系下的三维坐标，完成整个过程。

Description

一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法

技术领域：

本发明涉及测量系统标定技术，尤其涉及一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其属于测量、测试领域。

背景技术：

随着科学技术和工业生产的不断发展，对大型零件表面轮廓、几何尺寸的现场测量需求越来越多，为此，基于单目视觉的便携式光笔测量技术得到了越来越多的研究和应用。基于单目视觉的光笔测量系统主要包括一个视觉摄像机和一个光笔，光笔上布置三个以上视觉目标靶点，光笔末端安装球形测头。测量时，测量人员手持光笔，用光笔测头接触被测目标，然后用摄像机拍摄光笔的一幅图像，通过分析图像中光笔上各目标靶点的成像位置，利用“n点透视问题”（Perspective-n-Point，简称PnP问题）的求解方法（参见：F.Moreno-Noguer,V.Lepetit andP.Fua.Accurate Non-Iterative O(n)Solution tothe PnP Problem,IEEE International Conference on Computer Vision,Rio de Janeiro,Brazil,October2007.）解算光笔在摄像机坐标系下的空间位姿，进而计算出光笔测头中心的空间坐标，从而实现对测头接触点的三维坐标测量。

基于单目视觉的光笔测量系统的关键环节之一就是对光笔进行标定，标定的任务是精确确定光笔上各目标靶点以及光笔测头在光笔坐标系下的坐标位置。目前已有的单目视觉光笔测量系统，只有光笔测头位置可以现场标定，而对于光笔上的视觉目标靶点位置则都需要采用较为复杂的标定设备和手段离场标定。由于整个光笔的标定不能全部在现场快速完成，使得光笔上各目标靶点的位置由于工业现场各种因素的影响而发生变化后，只能重新返回光笔测量系统生产厂家进行重新标定，这对于工业现场测量是十分不利的。

发明内容：

本发明提供一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其能够有效的解决在测量现场进行光笔快速完整标定的问题。

本发明采用如下技术方案：一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其包括如下步骤：

步骤一：提供用于单目视觉测量的光笔，所述光笔包括目标靶点，在光笔周围布置与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的k（k≥0）个辅助靶点，辅助靶点的个数和摆放位置根据光笔自身靶点的数量和排布形式确定；

步骤二：用已精确标定内参数的单目视觉测量系统本身的摄像机对光笔和辅助靶点进行拍摄，获得一幅该摄像机方位下同时含有光笔上靶点和辅助靶点的图像，改变摄像机拍摄方位，重复上述拍摄过程，获得t（t≥2）幅图像；

步骤三：利用步骤二中拍摄的t幅图像，以第1幅图像拍摄时的摄像机坐标系为世界坐标系，基于多视图几何求解理论计算出光笔上各靶点在世界坐标系中相差一个比例因子λ的相对坐标P_j,j=1,2，…,n，由光笔上n个靶点P_j（j=1,2，…,n）确定一个光笔坐标系，然后将世界坐标系中的靶点坐标P_j（j=1,2，…,n）变换到光笔坐标系下得到P′_j（j=1,2，…,n）；

步骤四：提供一个具有m（m≥2）个间距已知的圆锥孔的标定物，将标定物置于单目视觉测量系统摄像机的有效视场内，并保持摄像机和标定物相对位置不变，将光笔的球形测头依次置于标定物的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，使球形测头与圆锥孔壁相切，在每一个圆锥孔中时都使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，并用单目视觉测量系统的摄像机拍摄光笔靶点图像，获得I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像；

步骤五：利用光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时所拍摄的l（l≥3）幅图像和步骤三中标定出的靶点相对坐标P′_j（j=1,2，…,n），标定出光笔测头中心在相差比例因子λ下分别在摄像机坐标系下的三维坐标Hi和在光笔坐标系下的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）；

步骤六：计算步骤五中得到的光笔测头中心在光笔坐标系下的相差比例因子λ的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）的平均

步骤七：根据步骤六中得到的光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时的坐标H_i（i=1,2,…,m），利用两点间的直线距离公式计算H_p和H_q之间的距离d_pq（p,q∈{1,2,…,m}且p<q），用第p个圆锥孔和第q个圆锥孔的实际已知间距D_pq除以d_pq得到λ_pq，然后计算比例因子

步骤八：将步骤三中得到的P′_j（j=1,2，…,n）乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔上各靶点在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标P′′_j=λP′_j（j=1,2，…,n），将步骤六中得到的测头中心坐标H′乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔球形测头中心在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标H′′=λH′，P′′_j（j=1,2，…,n）和H′′即为最终的标定结果，光笔标定过程结束。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）整个方法只需要自由布置的若干个辅助靶点和一个十分便于制作和携带的具有多个圆锥孔的标定物，用测量系统本身的摄像机拍摄t+m×l（t≥2，m≥2，l≥3）幅图像即可完成整个光笔的标定，十分简便易行，适合工业现场标定；

（2）该方法适用于不同的光笔靶点类型、不同的光笔靶点数量和分布形式，适用范围广；

（3）通过辅助靶点的布设提高光笔靶点相对坐标求解的精度和稳定性；

（4）通过已知间距的多个圆锥孔，巧妙解决了单目视觉测量系统所面临的测量现场绝对几何量值传递困难的问题。

附图说明：

图1为本发明一种用于大尺寸工件测量的光笔示意图。

图2为本发明标定光笔时所用标定物示意图。

图3为本发明提出的光笔标定方法流程图。

图4为本发明利用多视图几何解算靶点坐标时单摄像机拍摄的多幅视图之间的几何关系图。

图5为本发明利用标定物恢复光笔靶点及测头中心三维坐标真实值的拍摄流程示意图。

其中：

1-接触测头；2-目标靶点；3-标定尺；4-圆锥孔。

具体实施方式：

请参照图1和图2所示，本发明提出的光笔现场快速标定方法只需要单目视觉测量系统本身的摄像机、k（k≥0）个辅助目标靶点、一个具有m（m≥2）个圆锥孔（如图2中的标号4）的标定物（如图2中的标号3），其中标定物可以是方直杆或者平板，其上的m个圆锥孔的间距已知。作为图1和图2中所示的一种具体的实施例，该光笔采用8个主动发光的红外LED点光源作为视觉目标靶点，以适应大尺度工件的测量需要。光笔上的8个目标靶点大致共面分布，光笔标定所用标定物为带有3个已知间距圆锥孔的标定尺。

首先，在光笔周围自由布置与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的k（k≥0）个辅助目标靶点，通过单目视觉测量系统的摄像机在t（t≥2）个不同的方位对光笔和辅助靶点拍摄t幅图像，每幅图像中都同时成像了光笔靶点和辅助靶点，根据这些多方位拍摄的t幅图像求解出光笔上各靶点在相差一个比例因子λ下的三维坐标。然后，将标定物置于单目视觉测量系统摄像机的有效视场内，并保持摄像机和标定物相对位置不变，依次将光笔的球形测头置于标定物的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，每一次都使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，并用单目视觉测量系统的摄像机拍摄光笔靶点图像I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）。利用I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像，就可以求解出比例因子λ以及光笔测头中心在光笔坐标系下的三维坐标，完成整个光笔标定过程。

从上述介绍可知，本发明单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法只需要用测量系统本身的摄像机共拍摄t+m×l幅图像即可完成，十分简便易行，适合现场标定。本技术方案中，布置辅助目标靶点的目的是让各个辅助靶点与光笔上的靶点同时参与多视图几何问题的解算，以提高多视图几何求解的精度和稳定性。辅助靶点的个数和摆放位置可以根据光笔自身靶点的数量和排布形式灵活确定。

请参照图1和图2并结合图3至图5所示，下面具体的阐述本发明单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其包括有如下步骤：

步骤一：在光笔周围布置与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的k（k≥0）个靶点作为标定过程中的辅助靶点，辅助靶点的个数和摆放位置可以根据光笔自身靶点的数量和排布形式灵活确定。

步骤二：用已精确标定内参数的测量系统本身的摄像机对光笔和辅助靶点进行拍摄，获得一幅该摄像机方位下同时含有光笔上靶点和辅助靶点的图像。改变摄像机拍摄方位，重复上述拍摄过程，获得t（t≥2）幅图像。

步骤三：利用步骤二中拍摄的t幅图像，以第1幅图像拍摄时的摄像机坐标系为世界坐标系，基于多视图几何原理（参见：Richard Hartley，Andrew Zisserman著，韦穗等译，计算机视觉中的多视图几何，安徽大学出版社，2002）求得光笔上各靶点（光笔上靶点个数记为n）在世界坐标系中相差一个比例因子λ的相对坐标P_j,j=1,2，…,n，由光笔上n个靶点P_j（j=1,2，…,n）确定一个光笔坐标系，然后将世界坐标系中的靶点坐标P_j（j=1,2，…,n）变换到光笔坐标系下得到P′_j（j=1,2，…,n）。

步骤四：将标定物置于单目视觉测量系统摄像机的有效视场内，并保持摄像机和标定物相对位置不变，将光笔的球形测头依次置于标定物的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，使球形测头与圆锥孔壁相切，在每一个圆锥孔中时都使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，并用单目视觉测量系统的摄像机拍摄光笔靶点图像，获得I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像。

步骤五：利用光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时所拍摄的l（l≥3）幅图像和步骤三中标定出的靶点相对坐标P′_j（j=1,2，…,n），标定出光笔测头中心在相差比例因子λ下分别在摄像机坐标系下的三维坐标H_i和在光笔坐标系下的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）。本步骤具体实施原理和方法如下:

记光笔测头中心位于标定物的一个圆锥孔内光笔从一个位置A转到另一个位置B时，光笔上第j个靶点在摄像机坐标系下的空间坐标为P_aj、P_bj，则P_aj和P_bj间的关系可以通过一个旋转矩阵R和一个平移向量T来表示，即

P_bj=RP_aj+T，j=1,2，…,n

A、B位置光笔上各靶点的质心坐标可表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{P_a}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{aj}},\stackrel{\&OverBar;}{P_b}=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{bj}},(j=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n)$

采用单位四元数法（参见：Horn B K P.Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions，April，1987）求解出R，求得R后可得：

$T=\stackrel{\&OverBar;}{P_b}-R\stackrel{\&OverBar;}{P_a}$

记A、B两个位置之间的旋转轴的单位方向向量为n(n₁,n₂,n₃)^T，旋转轴上任意一点记为M(m₁,m₂,m₃)，由于方向向量n经过旋转矩阵R变换后保持不变，点M经过旋转矩阵R、平移向量T变换后保持不变，故满足：

Rn=n    (1)

RM+T=M    (2)

由式（1）、（2）进一步可得：

(R-I)n=0    (3)

(I-R)M=T    (4)

由式（3）可以看出n与R-I的行向量正交，所以用R-I中的两个线性无关的行向量作叉积再单位化即可得旋转轴的单位方向向量n；由于测量误差等因素，式（4）可能不存在解，因此对其系数矩阵I-R进行SVD分解求其最小二乘解作为旋转轴上点M的坐标值。至此，求解出A、B两个位置之间的旋转轴。光笔在第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时共拍摄了l（l≥3）幅图像，即存在

条旋转轴，所有旋转轴的交点即为测球球心在摄像机坐标系下的坐标。由于拍摄过程中不可避免的会存在误差，这些旋转轴实际是不完全相交的，通过最小二乘法寻找一点使得其到所有旋转轴距离平方和最小，用此点作为测球球心在摄像机坐标系下的坐标H_i。最后将摄像机坐标系下的坐标H_i转换到光笔自身坐标系下即得到H′_i（i=1,2,…,m）的值。

步骤六：计算步骤五中得到的光笔测头中心在光笔坐标系下的相差比例因子λ的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）的平均

步骤七：根据步骤六中得到的光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时的坐标H_i（i=1,2,…,m），利用两点间的直线距离公式计算H_p和H_q之间的距离d_pq（p,q∈{1,2,…,m}且p<q），用第p个圆锥孔和第q个圆锥孔的实际已知间距D_pq除以d_pq得到λ_pq，然后计算比例因子

步骤八：将步骤三中得到的P′_j（j=1,2，…,n）乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔上各靶点在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标P′′_j=λP′_j（j=1,2，…,n），将步骤六中得到的测头中心坐标H′乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔球形测头中心在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标H′′=λH′，P′′_j（j=1,2，…,n）和H′′即为最终的标定结果，光笔标定过程结束。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一：提供用于单目视觉测量的光笔，所述光笔包括目标靶点，在光笔周围布置与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的k（k≥0）个辅助靶点，辅助靶点的个数和摆放位置根据光笔自身靶点的数量和排布形式确定；

步骤二：用已精确标定内参数的单目视觉测量系统本身的摄像机对光笔和辅助靶点进行拍摄，获得一幅该摄像机方位下同时含有光笔上靶点和辅助靶点的图像，改变摄像机拍摄方位，重复上述拍摄过程，获得t（t≥2）幅图像；

步骤三：利用步骤二中拍摄的t幅图像，以第1幅图像拍摄时的摄像机坐标系为世界坐标系，基于多视图几何求解理论计算出光笔上各靶点在世界坐标系中相差一个比例因子λ的相对坐标P_j,j=1,2，…,n，由光笔上n个靶点P_j（j=1,2，…,n）确定一个光笔坐标系，然后将世界坐标系中的靶点坐标P_j（j=1,2，…,n）变换到光笔坐标系下得到P′_j（j=1,2，…,n）；

步骤四：提供一个具有m（m≥2）个间距已知的圆锥孔的标定物，将标定物置于单目视觉测量系统摄像机的有效视场内，并保持摄像机和标定物相对位置不变，将光笔的球形测头依次置于标定物的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，使球形测头与圆锥孔壁相切，在每一个圆锥孔中时都使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，并用单目视觉测量系统的摄像机拍摄光笔靶点图像，获得I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像；

步骤五：利用光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时所拍摄的l（l≥3）幅图像和步骤三中标定出的靶点相对坐标P′_j（j=1,2，…,n），标定出光笔测头中心在相差比例因子λ下分别在摄像机坐标系下的三维坐标H_i和在光笔坐标系下的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）；

步骤六：计算步骤五中得到的光笔测头中心在光笔坐标系下的相差比例因子λ的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）的平均

步骤七：根据步骤六中得到的光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时的坐标H_i（i=1,2,…,m），利用两点间的直线距离公式计算H_p和H_q之间的距离d_pq（p,q∈{1,2,…,m}且p<q），用第p个圆锥孔和第q个圆锥孔的实际已知间距D_pq除以d_pq得到λ_pq，然后计算比例因子

步骤八：将步骤三中得到的P′_j（j=1,2，…,n）乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔上各靶点在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标P′′_j=λP′_j（j=1,2，…,n），将步骤六中得到的测头中心坐标H′乘以步骤七中得到的比例因子λ，得到光笔球形测头中心在光笔坐标系下的真实尺度的三维坐标H′′=λH′，P′′_j（j=1,2，…,n）和H′′即为最终的标定结果，光笔标定过程结束。

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