CN105469418A - 基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法 - Google Patents
基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法。该方法包括：利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。本发明基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法，标定过程简单、易于操作，具有精度高、成本低的优点，对测量环境要求低，适合于工业现场测量。
Description
技术领域
本发明涉及摄影测量领域，尤其涉及一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法。
背景技术
传统的双目视觉标定方法主要基于三角法原理进行三维信息的获取，要求相机视野能够尽可能覆盖整个视场。主要通过选用大尺寸、高精度的靶标或大视场角的相机来实现。第一种方式选用的靶标价格昂贵、难以加工，第二种方式标定的精度较低。
有文献提出不依赖于靶标，通过内参数之间的约束或基于平行线消影点等方法进行视觉传感器的结构参数自标定，标定简单、灵活，但无法保证双目视觉的高精度标定，易导致三维测量的较大误差。另有文献提出基于小靶标多工位移动式双目视觉标定，在标定中对靶标的移动附加较多的约束条件，使得标定视场受到严重的局限。基线尺的双目视觉标定虽然不需要较多的约束条件，但是相机需要有较大的视场角，而当视场角较大时，图像的畸变较大也会使标定精度降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的双目视觉标定方法无法对无共同视野的两个相机进行标定的问题，同时标定精度低、操作复杂和成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了如下技术方案：
一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置，包括：
调节杆、第一定位销、第二定位销、第一靶标和第二靶标；
所述调节杆的一端沿所述第一靶标和所述第二靶标的调整方向设有多个定位孔；
所述调节杆的另一端沿所述第一靶标和所述第二靶标的调整方向设有多个定位孔；
所述第一靶标穿过所述第一定位销与所述调节杆相连；
所述第二靶标穿过所述第二定位销与所述调节杆相连；
所述第一定位销和第二定位销用于调节所述第一靶标和第二靶标的距离。
可选地，所述第一靶标和所述第二靶标之间的距离为850mm-1050mm。
一种利用上述标定装置的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，包括：
利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
可选地，所述利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标包括：
利用标定内参数的标准相机采集不同方位的多幅图像，所述每幅图像包括编码点信息、第一靶标标志点信息和第二靶标标志点信息；
识别所述图像中的编码点，获取所述编码点的图像坐标；
对所述编码点进行解码，获取所述编码点的编码码号；
根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标，根据所述标志点的图像坐标获取所述标志点在世界坐标系下的三维坐标。
可选地，在所述识别所述图像中的编码点，获取所述编码点的图像坐标之前，还包括：
对所述图像进行预处理；
其中，所述预处理包括对所述图像进行前背景分割、图像增强和图像去噪。
可选地，在所述利用标定内参数的标准相机采集不同方位的多幅图像之前，还包括：
对所述编码点采用十二等分圆环编码法进行编码。
可选地，所述根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标包括：
利用所述编码点的图像坐标和编码码号进行图像匹配，获取仿射变换矩阵；
识别所述标志点，根据所述仿射变换矩阵获取所述标志点的图像坐标。
可选地，所述识别所述标志点包括：
对所述图像进行canny边缘检测，设置合适的轮廓面积阈值和周长阈值，剔除不满足阈值条件的轮廓，识别所述标志点。
可选地，所述利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量包括：
根据所述第一靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获得所述第一相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量；
根据所述第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获取所述第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定系统，包括：
标志点三维坐标获取单元，用于利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
图像获取单元，利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
双目视觉标定单元，用于利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机和第二相机转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
本发明基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置及方法，标定过程简单、易于操作，具有精度高、成本低的优点，对测量环境要求低，适合于工业现场测量。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的正面示意图；
图2示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的背面示意图；
图3示出了本发明一个实施例的靶标距离不同的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的结构示意图；
图4示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的流程示意图；
图5示出了本发明另一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的流程示意图；
图6示出了本发明基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的原理示意图；
图7示出了本发明采用的十二等分圆环编码法的部分编码标志示意图；
图8示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法中靶标距离为850mm的摄影测量示意图；
图9示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
图1示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的正面示意图；图2示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的背面示意图。
如图1-2所示，该基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置包括：
调节杆1、第一定位销2、第二定位销3、第一靶标4和第二靶标5；
调节杆1的一端沿第一靶标4和第二靶标5的调整方向设有多个定位孔；
调节杆1的另一端沿第一靶标4和第二靶标5的调整方向设有多个定位孔；
第一靶标4穿过第一定位销2与调节杆1相连；
第二靶标5穿过第二定位销3与调节杆1相连；
第一定位销2和第二定位销3用于调节第一靶标4和第二靶标5的距离。
在一种可选的实施方式中，第一靶标4和第二靶标5之间的距离为850mm-1050mm。图3示出了本发明一个实施例的靶标距离不同的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置的结构示意图。
本实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置，标定过程简单、易于操作，具有精度高、成本低的优点，对测量环境要求低，适合于工业现场测量。
图4示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的流程示意图。如图4所示，该方法包括：
S41：利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
S42：利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
S43：利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
本实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，标定过程简单、易于操作，具有精度高、成本低的优点，对测量环境要求低，适合于工业现场测量。
图5示出了本发明另一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的流程示意图。如图5所示，该方法包括：
S51：对所述编码点采用十二等分圆环编码法进行编码；
S52：利用标定内参数的标准相机采集不同方位的多幅图像，所述每幅图像包括编码点信息、第一靶标标志点信息和第二靶标标志点信息；
S53：对所述图像进行预处理；
S54：识别所述图像中的编码点，获取所述编码点的图像坐标；
S55：对所述编码点进行解码，获取所述编码点的编码码号；
S56：根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标，根据所述标志点的图像坐标获取所述标志点在世界坐标系下的三维坐标；
S57：利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
S58:利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
其中，所述预处理包括对所述图像进行前背景分割、图像增强和图像去噪。
在实际应用中，在视场内放置编码点、杆形靶标以及高精度标尺，利用标准相机，进行摄影测量。标准相机，分辨率：(3872×2592)像素，CCD尺寸：(23.6×15.8)mm，该标准相机已经标定了内部参数。在不同方位开启闪光灯，获取两幅以上数字图像，然后处理每幅数字图像，识别编码点，对编码点进行解码，得到编码点的图像坐标以及编码码号。图6示出了本发明基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法的原理示意图。图8示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法中靶标距离为850mm的摄影测量示意图。
本实施利用简易的杆形标定装置，设计多个固定位，适用于多个相机在较大范围内的视觉标定，标定方法灵活，实用性强。本实施例采用摄影测量方法进行标定，具有精度高、对测量环境要求低以及成本低等优点，适合于工业现场测量。
图7示出了本发明采用的十二等分圆环编码法的部分编码标志示意图。该编码点通过分割编码中心周围的圆环进行编码，使用一种回光反射材料，利用这种材料制成编码标志，使其具有唯一的身份信息。本发明使用的是同心圆环形，圆形标志中心被唯一编码的圆环包围，编码圆环被等角度分成12等分，每一个等分称为编码位，编码位被看作一个二进制位。使用闪光灯在黑暗环境中拍摄获取背景较暗标志点清晰的图像；高精度标尺放置在视野中的任意位置，标尺最远处的两个编码点之间的距离为630.65mm；在两个靶标上贴上标定点，通过将定位销孔固定在不同的位置，改变两个标定板中心的距离。
对所述编码点进行解码，获取所述编码点的编码码号具体包括：利用交比不变等性质将图像中的模板组点集恢复到设计坐标系下，同时求出仿射变换参数，并以此将图像中编码组的点恢复到模板中的位置，与设计模板对比，得出最终编码码号。
在一种可选的实施方式中，所述根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标包括：
利用所述编码点的图像坐标和编码码号进行图像匹配，获取仿射变换矩阵；
识别所述标志点，根据所述仿射变换矩阵获取所述标志点的图像坐标。
进一步地，所述识别所述标志点包括：
对所述图像进行canny边缘检测，设置合适的轮廓面积阈值和周长阈值，剔除不满足阈值条件的轮廓，识别所述标志点。
在实际应用中，对图像进行Canny边缘检测，通过设置合适的轮廓面积和周长阈值，剔除不满足阈值条件的轮廓，计算封闭轮廓质心过滤噪声，将编码标志点从图像场景中分离出来。采用最小二乘法拟合椭圆对编码标志点定位，结合椭圆拟合误差判断分割编码标志点并填充。
所述利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量包括：
根据所述第一靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获得所述第一相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量；
根据所述第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获取所述第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
具体地，利用得到的靶标标志点在世界坐标系下的三维坐标，分别计算两个相机坐标系转换到世界坐标系下的转换矩阵R1和R2，大视场下任意两个相机之间的转换关系为R21＝R′1R2。
本实施例使用的摄影测量方法主要是得到杆形靶标标志点的三维坐标位置，一经标定，就可进行双目或多个相机之间位置关系的标定，标定过程简单、易于操作。
图9示出了本发明一个实施例的基于摄影测量的大视场双目视觉标定系统的结构示意图。如图9所示，该系统包括：
标志点三维坐标获取单元91，用于利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
图像获取单元92，利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
双目视觉标定单元93，用于利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机和第二相机转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
本实施例所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置，其特征在于，包括：
调节杆、第一定位销、第二定位销、第一靶标和第二靶标；
所述调节杆的一端沿所述第一靶标和所述第二靶标的调整方向设有多个定位孔；
所述调节杆的另一端沿所述第一靶标和所述第二靶标的调整方向设有多个定位孔；
所述第一靶标穿过所述第一定位销与所述调节杆相连；
所述第二靶标穿过所述第二定位销与所述调节杆相连；
所述第一定位销和第二定位销用于调节所述第一靶标和第二靶标的距离。
2.根据权利要求1所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定装置，其特征在于，
所述第一靶标和所述第二靶标之间的距离为850mm～1050mm。
3.一种利用权利要求1-2任一项所述的标定装置的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，包括：
利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
4.根据权利要求3所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，所述利用标定内参数的标准相机通过对12位编码点进行编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标包括：
利用标定内参数的标准相机采集不同方位的多幅图像，所述每幅图像包括编码点信息、第一靶标标志点信息和第二靶标标志点信息；
识别所述图像中的编码点，获取所述编码点的图像坐标；
对所述编码点进行解码，获取所述编码点的编码码号；
根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标，根据所述标志点的图像坐标获取所述标志点在世界坐标系下的三维坐标。
5.根据权利要求4所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，在所述识别所述图像中的编码点，获取所述编码点的图像坐标之前，还包括：
对所述图像进行预处理；
其中，所述预处理包括对所述图像进行前背景分割、图像增强和图像去噪。
6.根据权利要求4所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，在所述利用标定内参数的标准相机采集不同方位的多幅图像之前，还包括：
对所述编码点采用十二等分圆环编码法进行编码。
7.根据权利要求4所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，所述根据所述编码点的图像坐标和编码码号获取所述图像中标志点的图像坐标包括：
利用所述编码点的图像坐标和编码码号进行图像匹配，获取仿射变换矩阵；
识别所述标志点，根据所述仿射变换矩阵获取所述标志点的图像坐标。
8.根据权利要求7所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，所述识别所述标志点包括：
对所述图像进行canny边缘检测，设置合适的轮廓面积阈值和周长阈值，剔除不满足阈值条件的轮廓，识别所述标志点。
9.根据权利要求2所述的基于摄影测量的大视场双目视觉标定方法，其特征在于，所述利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机坐标系和第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量包括：
根据所述第一靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获得所述第一相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量；
根据所述第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标获取所述第二相机坐标系转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
10.一种基于摄影测量的大视场双目视觉标定系统，其特征在于，包括：
标志点三维坐标获取单元，用于利用标定内参数的标准相机通过编解码获取第一靶标和第二靶标的标志点在世界坐标系下的三维坐标；
图像获取单元，利用第一相机采集所述第一靶标的图像，利用第二相机采集所述第二靶标的图像；
双目视觉标定单元，用于利用所述第一相机和所述第二相机采集的图像与所述标志点在世界坐标系下的三维坐标进行双目视觉标定，分别获得所述第一相机和第二相机转换到世界坐标系下的旋转矩阵和平移向量。
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