CN104807405A - 一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像机光线角度标定的三维坐标测量方法。首先，该方法以二维棋盘格参照物作为标定靶，测量得到外置光孔以及标靶上角点的坐标；而后，将由角点过光孔的光线投影于世界坐标系各平面，计算出此光线与摄像机光轴的夹角；接下来拍摄单幅图像，由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标，以像素为单位插值，根据针孔相机原理，可得到CCD靶面上各像素点过光孔的光线与光轴的夹角；最后，以此角度矩阵计算标定靶面上任意点的空间坐标。该方法对设备要求低，系统结构简单，测量结果具有较高的精度，可以完成实时测量。

Description

一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法。

背景技术

光学三维测量方法广泛应用于机器视觉、工业检测、生物医学等诸多领域。在光学三维测量领域，为获取待测物的三维坐标，首先将对摄像机进行标定，标定精确与否将直接影响到最后的测量精度。摄像机标定需要借助已知参数的标靶，根据其类型分为二维平面标靶和三维立体标靶两种。使用三维立体标靶对相机进行标定，其标定过程简单、结果精度高，但由于三维立体标靶制作成本高，加工难度较大，因此，其主要用于对精度要求极高的工程中；二维平面标靶具有制作难度低、易于实现的特点，在应用中更多的使用二维平面标靶对相机进行标定。Zhang提出的平面标定法是目前使用最广泛的二维平面标定方法，该方法标定精度高且易于实现，但由于在标定过程中，其需要拍摄多幅位姿的图像，不能实现快速测量。

在三维测量方法中，无论是贾振元等提出的基于摄像机分块标定的坐标测量，还是传统的三坐标机测量法，都不能解决快速、实时的问题，为了克服上述不足，本发明提出了一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服背景技术中的不足之处，为了实现高精度的在线测量，发明一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，该方法对设备要求低，系统结构简单，测量结果具有较高的精度，并且可以完成实时测量。

本发明采用的技术方案是一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其特征是，首先，以二维棋盘格参照物作为标定靶，测量得到外置光孔以及标靶上角点的坐标；而后，将由角点过光孔的光线投影于世界坐标系各平面，计算出此光线与摄像机光轴的夹角；接下来拍摄单幅图像，由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标，以像素为单位插值，根据针孔相机原理，可得到CCD靶面上各像素点过光孔的光线与光轴的夹角；最后，以此角度矩阵计算标定靶面上任意点的空间坐标。具体步骤如下所示。

步骤1：测量外置光孔及平面标定靶上特征点坐标

在摄像机镜头前方添加外置光孔，测量外置光孔C在世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标C( x_c, y_c, z_c)，以二维棋盘格平面作为标定靶面，测量棋盘格上角点在世界坐标系下的的坐标矩阵。

步骤2：摄像机主点空间坐标的测量

所述的摄像机标定是指利用参数已知的标定参照物，通过建立标定靶面上已经空间坐标的点与其图像点的对应关系，求解摄像机内外参数。再通过下面的投影关系，可以求得主点的空间坐标。

步骤3：光线角度计算

测量摄像机靶面上每个像素点经过外置光孔的光线与主光轴的夹角。根据步骤1和步骤2得到的光孔坐标和主点坐标，结合几何光学原理，可以得到光线角度矩阵。

步骤4：实际坐标的测量

结合步骤3所得光线角度矩阵，经过反正切计算，可以得到标定靶面上的任意一点的空间三维坐标。

本发明的有益效果是利用了平面棋盘格标靶角点坐标已知的特性，对摄像机靶面上像素点的光线角度进行了标定，解决了摄像机标定与坐标的在线测量问题。整个系统结构简单，对硬件要求低，测量结果精度高，适用于高精度的三维坐标测量。

附图说明

附图1是本发明的系统模型图。

附图2是本发明的系统模型投影图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明做更为详细的说明。

一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其系统模型如图1所示，以显示器作为其标定面，采用灰度值为255和0的黑白棋盘格平面作为模板，根据显示器的屏幕尺寸以及分辨率大小设计尺寸合适的棋盘格。显示屏平行于世界坐标系中的X_wO_wY_w面，其上所有像素点的Z_w坐标为固定值。为消除光瞳像差对系统的影响，在靠近镜头的位置设置一光阑。

步骤1：测量外置光孔及平面标定靶上特征点坐标

在摄像机镜头前方添加外置光孔，测量外置光孔C在世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标C( x_c, y_c, z_c)，以二维棋盘格平面作为标定靶面，测量棋盘格上角点在世界坐标系下的的坐标矩阵。

步骤2：摄像机主点空间坐标的测量

所述的摄像机标定是指利用参数已知的标定参照物，通过建立标定靶面上已经空间坐标的点与其图像点的对应关系，求解摄像机内外参数。再通过(1)式，可以求得主点的空间坐标，

                 （1）

s为比例因子，和分别为轴和轴方向的像素焦距，u、v为图像坐标，主点坐标为()，旋转矩阵R和平移向量T则均为摄像机的外参数矩阵，(x_w，y_w，z_w)为与图像坐标（u，v）对应的世界坐标。

步骤3：光线角度计算

测量摄像机靶面上每个像素点经过外置光孔的光线与主光轴的夹角。

标定面平行于O_wX_wY_w面，令C为外置光孔，CN垂直于标定靶面，P为主点，M为标定靶面上任意一角点，为CM与CP的夹角，A为标定靶面内任意一点，为CA与CP的夹角，为CP与CN 的夹角。，，分别为，，投影于X_wO_wZ_w面时的分量。通过步骤1和步骤2，可得C( x_c, y_c, z_c)， M( x_m, y_m, z₀ )，P( x₀, y₀, z₀ )，N( x_c, y_c, z₀ )。则有

   （2）

当投影于X_wO_wZ_w面时，Y方向分量为0，如附图2所示，有

              （3）

                            （4）

当投影于Y_wO_wZ_w面时，X方向分量为0，有

           （5）

                          （6）

由( 2 )可计算出由角点发出并且过光孔的光线与光轴的夹角，由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标，以相邻的两个角点为一段，像素为单位对进行线性插值，可以得到所选取棋盘格范围内CCD上每个像素对应的光线与光轴的夹角。同理，由( 3 )( 5 )可求得其X,Y方向上的分量。

步骤4：实际坐标的测量

对于标定靶面上的任意一点A（x_a，y_a)，有

                         （7）

                           （8）

即是，其实际坐标有

                    （9）

                       （10）

根据（9）（10）两式可以求出标定靶面上任意一点的三维空间坐标。

Claims (4)

1.一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其特征是：以二维棋盘格参照物作为标定靶，测量得到外置光孔以及标靶上角点的坐标；而后，将由角点过光孔的光线投影于世界坐标系各平面，计算出此光线与摄像机光轴的夹角；接下来拍摄单幅图像，由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标，以像素为单位插值，根据针孔相机原理，可得到CCD靶面上各像素点过光孔的光线与光轴的夹角；最后，以此角度矩阵计算标定靶面上任意点的空间坐标；

坐标测量的具体步骤如下：

步骤1：测量外置光孔及平面标定靶上特征点坐标

在摄像机镜头前方添加外置光孔，测量外置光孔C在世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w下的坐标C( x_c, y_c, z_c)，以二维棋盘格平面作为标定靶面，测量棋盘格上角点在世界坐标系下的的坐标矩阵；

步骤2：摄像机主点空间坐标的测量

所述的摄像机标定是指利用参数已知的标定参照物，通过建立标定靶面上已知空间坐标的点与其图像点的对应关系，求解摄像机内外参数；

再通过下面的投影关系，可以求得主点的空间坐标；

                                                                              （1）

    s为比例因子，和分别为轴和轴方向的像素焦距，u、v为图像坐标，主点坐标为()，旋转矩阵R和平移向量T则均为摄像机的外参数矩阵，(x_w，y_w，z_w)为与图像坐标（u，v）对应的世界坐标；

步骤3：光线角度计算

测量摄像机靶面上每个像素点经过外置光孔的光线与主光轴的夹角；

标定面平行于O_wX_wY_w面，令C为外置光孔，CN垂直于标定靶面，P为主点，M为标定靶面上任意一角点，为CM与CP的夹角，A为标定靶面内任意一点，为CA与CP的夹角，为CP与CN 的夹角；

，，分别为，，投影于X_wO_wZ_w面时的分量；

通过步骤1和步骤2，可得C( x_c, y_c, z_c)， M( x_m, y_m, z₀ )，P( x₀, y₀, z₀ )，N( x_c, y_c, z₀ )；

则有

   （2）

当投影于X_wO_wZ_w面时，Y方向分量为0，有

      （3）

                            （4）

当投影于Y_wO_wZ_w面时，X方向分量为0，有

           （5）

                          （6）

由( 2 )可计算出由角点发出并且过光孔的光线与光轴的夹角，由Harris角点检测算法得到图像坐标系下角点坐标，以相邻的两个角点为一段，像素为单位对进行线性插值，可以得到所选取棋盘格范围内CCD上每个像素对应的光线与光轴的夹角；

同理，由( 3 )( 5 )可求得其X,Y方向上的分量；

步骤4：实际坐标的测量

对于标定靶面上的任意一点A（x_a，y_a)，有

                         （7）

                           （8）

即是，其实际坐标有

                    （9）

                       （10）

根据（9）（10）两式可以求出靶面上任意一点的三维空间坐标。

2.根据权利要求1所述一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其主要特征在于外置光孔的结构，在靠近摄像机镜头前方，添加外置光孔，并测量外置光孔的空间坐标。

3.根据权利要求1所述一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其主要特征在于对摄像机靶面上每个像素点的光线角度进行标定。

4.根据权利要求1所述一种基于光线角度标定的三维坐标测量方法，其主要特征在于对标定靶面上任意一点的空间坐标的测量，是基于摄像机靶面上每个像素点过外置光孔的光线与主光轴的夹角来完成的。