CN106127722A - 多相机的标定及对位贴合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多相机的标定及对位贴合方法，目标物的姿态用一组第一相机组观测，贴合物的姿态用一组第二相机组观测，两组相机的旋转坐标系重合，标定过程包括：第一阶段标定，标定相机组内各个相机的内部参数以及相机安装角；第二阶段标定，标定纠偏平台的旋转中心在相机组内各个相机的输出坐标系中的位置，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，建立旋转坐标系；第三阶段标定，映射标定，依据第一相机组和第二相机组的旋转坐标系重合，由第二相机组映射标定第一相机组。

Description

多相机的标定及对位贴合方法

技术领域

本发明涉及一种多相机的标定及对位贴合方法。

背景技术

多相机系统的高精度标定是计算机视觉领域比较复杂的工作，往往需要设计高精度、高稳定性的硬件来保证整个测量系统长时间工作的稳定性，对于复杂的多相机系统，此硬件的设计成本将非常昂贵。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种多相机的标定及对位贴合方法。

为达到上述目的，本发明多相机的标定及对位贴合方法，目标物的姿态用一组第一相机组观测，贴合物的姿态用一组第二相机组观测，两组相机的旋转坐标系重合，标定过程包括：

第一阶段标定，标定相机组内各个相机的内部参数以及相机安装角；

第二阶段标定，标定纠偏平台的旋转中心在相机组内各个相机的输出坐标系中的位置，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，建立旋转坐标系；

第三阶段标定，映射标定，依据第一相机组和第二相机组的旋转坐标系重合，由第二相机组映射标定第一相机组。

进一步地，所述的第一阶段标定采用两点标定法或九点标定法；

两点标定法：构建图像坐标系HPW，输出坐标系MON，特征点在相机图像坐标系的位置P1，纠偏平台X轴移动一段距离L，Y轴不动，特征点在相机图像坐标系的位置P2，相机安装角α等于向量P1P2的向量角（-90°,90°），图像坐标系与输出坐标系间的比例关系即像素尺寸等于线段P1P2的距离与L0的比值。计算出输出坐标系的原点L在图像坐标系中的位置图像中心坐标(X0,Y0)；

九点标定法，需要特征点的9个位置坐标；

其中，经过第一阶段的标定，相机采集图像坐标系内的点转换为输出坐标系内的点，(Xt,Yt)代表输出坐标系中坐标，(Xi,Yi)代表图像坐标系中坐标，(X0,Y0)代表输出坐标系原点在图像坐标系中的位置，α为输出坐标系与图像坐标系的夹角，转换公式为：

。

进一步地，所述的第二阶段标定，已知旋转前(X1,Y1)和旋转后(X2,Y2)两点，以及旋转角度β，求解出旋转的中心点(Xc,Yc)，求解公式为：

；

第二相机组的其它相机输出坐标系下的圆心均求出后，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，即在旋转过程中是不动点，建立旋转坐标系；

根据相对关系，计算出第二相机组各输出坐标系与旋转坐标系的关系， O1为输出坐标系的原点，C为旋转中心在输出坐标系中的位置；转换为旋转坐标系中，C为旋转坐标系的原点，O1为相机1输出坐标系原点在旋转坐标系中的位置，有Xo1=-Xc;Yo1=-Yc。

进一步地，所述的第三阶段标定，映射标定，标定第一相机组图像坐标系与输出坐标系间的夹角α1，算法如下：

映射标定中，线段L的位置姿态不变，即线段L在旋转坐标系中的向量角β不变，β=β1；

标定第一相机组输出坐标系与旋转坐标系间的位置，算法如下：

映射标定中，点Q在旋转坐标系中位置不变，即Xc=Xc’;Yc=Yc’。

特别地，映射标定之前先完成第一相机组的图像内部参数标定，计算出像素尺寸系数。

进一步地，对位贴合过程包括：第二相机组计算出要贴合物的中心A1，第一相机组计算出目标物的中心A2；计算出要贴合物与目标物的偏差角，要贴合物中心与目标物中心偏差距离A， 偏移距离A(Xa,Ya)旋转偏差角后的点B(Xb,Yb)，为一次对位贴合的偏移量，计算算法为：

。

有益效果

本发明多相机的标定及对位贴合方法与现有技术具备如下有益效果：

1、本发明在标定和贴合算法推导过程中采用相对坐标系，图像坐标系、输出坐标系、旋转坐标系，都采用相对坐标系，避免采用绝对坐标系所标定绝对原点时引入的误差。

2、本发明标定过程中，旋转中心是不动点，选择不动点作为旋转坐标系的原点，简化相机组间位置关系计算算法的推导，提高算法精度。

3、本发明旋转中心求解算法由方程组精确求解，而视觉定位和纠偏平台引入的误差，在算法中收敛。

4、本发明贴合纠偏量的计算算法中，针对不同系统的差异，引入系统补偿量。优点有二，其一消除系统误差、提高贴合精度；其二，在用户贴合规格变化时，仅需调整补偿量即可，简化配置调整流程。

附图说明

图1 是本发明多相机的标定及对位贴合方法的坐标系关系图；

图2 是本发明多相机的标定及对位贴合方法的输出坐标系与旋转坐标系；

图3 是本发明多相机的标定及对位贴合方法的采用两点标定法的标定图；

图4是本发明多相机的标定及对位贴合方法的映射标定的夹角映射标定；

图5是本发明多相机的标定及对位贴合方法的位置映射标定；

图6是本发明多相机的标定及对位贴合方法的对位算法图解。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明多相机的标定及对位贴合方法，图像坐标系、输出坐标系、及旋转坐标系，数据在三个坐标系间的转换，均属于平面直角坐标系。

图像坐标系：如图1中(H1P1W1, H2P2W2, H3P3W3, H4P4W4)所示，单一相机成像，依据相机感光芯片的物理位置对应的原始坐标系，图像坐标系的原点在左下角，X轴水平向右，Y轴竖直向上。相机在标定前的坐标系，单位为像素或毫米。如图中(H1P1W1, H2P2W2,H3P3W3, H4P4W4)

输出坐标系：如图2中(M1O1N1, M2O2N2, M3O3N3, M4O4N4)所示，相机标定后的数据坐标系，原点位于图像中心，与图像坐标系间的夹角称相机安装角(α1, α2, α3, α4)。与相机的图像坐标系对应，与旋转坐标系平行，为数据转换的中间坐标系。单位为毫米。

旋转坐标系：如图1所示，原点位于纠偏平台的旋转中心，X轴Y轴即纠偏平台的X轴Y轴方向。将输出坐标系统一起来。单位为毫米。如图：(XCY)

目标物的姿态用一组第一相机组观测，贴合物的姿态用一组第二相机组观测，两组相机的旋转坐标系重合。其中第二相机组观测的要贴合物关联纠偏平台。

实施例1

本实施例多相机的标定及对位贴合方法，标定过程包括：

第一阶段标定相机组内各个相机的内部参数以及相机安装角。

第二阶段标定纠偏平台的旋转中心在相机组内各个相机的输出坐标系中的位置，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，建立旋转坐标系。

第三个阶段标定是依据第一相机组和第二相机组的旋转坐标系重合，由第二相机组映射标定第一相机组。

本实施例中，第一阶段标定采用两点标定法。两点标定法如下，图像坐标系HPW，输出坐标系MON。特征点在相机图像坐标系的位置P1，纠偏平台X轴移动一段距离L，Y轴不动，特征点在相机图像坐标系的位置P2。相机安装角α等于向量P1P2的向量角（-90°,90°），图像坐标系与输出坐标系间的比例关系即像素尺寸等于线段P1P2的距离与L0的比值。计算出输出坐标系的原点L在图像坐标系中的位置图像中心坐标(X0,Y0)。九点标定法，需要特征点的9个位置坐标。

经过第一阶段的标定，相机采集图像坐标系内的点都可以转换为输出坐标系内的点， (Xt,Yt)代表输出坐标系中坐标，(Xi,Yi)代表图像坐标系中坐标，(X0,Y0)代表输出坐标系原点在图像坐标系中的位置，α为输出坐标系与图像坐标系的夹角，转换公式为：

第二阶段标定，在输出坐标系中标定出旋转中心的位置。算法原型为已知旋转前(X1,Y1)和旋转后(X2,Y2)两点，以及旋转角度β，求解出旋转的中心点(Xc,Yc)。求解公式为：

误差的来源为旋转前点(X1,Y1)和旋转后点(X2,Y2)的定位精度，以及旋转角度β的精度。将采取计算多次中心点最小二乘圆心来减小中心点的误差。

第二相机组的其它相机输出坐标系下的圆心均求出后，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，建立旋转坐标系。如图1。根据相对关系，计算出第二相机组各输出坐标系与旋转坐标系的关系，如图2.相机1中，O1为输出坐标系的原点，C为旋转中心在输出坐标系中的位置；转换为旋转坐标系中，C为旋转坐标系的原点，O1为相机1输出坐标系原点在旋转坐标系中的位置，故有Xo1=-Xc;Yo1=-Yc。

第三阶段标定，映射标定。贴合动作即将贴合物平动到目标物，平动的距离(ΔX，ΔY)为定值，且旋转的角度为零也是定值，故第一相机组和第二相机组下的旋转坐标系存在映射关系，且是一一对应的无变形等比例的平面映射关系。利用第二相机组的相机1标定第一相机组的相机1，机组2的相机2标定第一相机组的相机2……

标定第一相机组图像坐标系与输出坐标系间的夹角α1，图解如图4所示，算法如下：

映射标定中，线段L的位置姿态不变，即线段L在旋转坐标系中的向量角β不变，β＝β1。

标定第一相机组输出坐标系与旋转坐标系间的位置，图解如图5所示，算法如下：

映射标定中，点Q在旋转坐标系中位置不变，即Xc=Xc’;Yc=Yc’.

实施例2

如图6所示，本实施例多相机的标定及对位贴合方法，标定过程包括：第二相机组计算出要贴合物的中心A1，第一相机组计算出目标物的中心A2；计算出要贴合物与目标物的偏差角，要贴合物中心与目标物中心偏差距离A， 偏移距离A(Xa,Ya)旋转偏差角后的点B(Xb,Yb)，为一次对位贴合的偏移量，计算算法为：

。

对位贴合纠偏量计算算法：采用相对坐标算法，即偏差距离可以转换为旋转坐标系中的点。一次对位贴合算法，即计算出要运行的偏移量，一次运行到位、贴合，无需再次采集图像再次计算偏移量。由第二相机组计算出要贴合物的中心A1，由第一相机组计算出目标物的中心A2，进一步计算出要贴合物与目标物的偏差角，要贴合物中心与目标物中心偏差距离A，如图中点A。

一次对位贴合算法：偏移距离A(Xa,Ya)旋转偏差角后的点B(Xb,Yb)。为一次对位贴合的偏移量。计算算法为：

上述各实施例中，映射标定之前需先完成第一相机组的图像内部参数标定，计算出像素尺寸系数。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，目标物的姿态用一组第一相机组观测，贴合物的姿态用一组第二相机组观测，两组相机的旋转坐标系重合，标定过程包括：

第一阶段标定，标定相机组内各个相机的内部参数以及相机安装角；

第二阶段标定，标定纠偏平台的旋转中心在相机组内各个相机的输出坐标系中的位置，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，建立旋转坐标系；

第三阶段标定，映射标定，依据第一相机组和第二相机组的旋转坐标系重合，由第二相机组映射标定第一相机组。

2.根据权利要求1所述的多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，所述的第一阶段标定采用两点标定法或九点标定法；

两点标定法：构建图像坐标系HPW，输出坐标系MON，特征点在相机图像坐标系的位置P1，纠偏平台X轴移动一段距离L，Y轴不动，特征点在相机图像坐标系的位置P2，相机安装角α等于向量P1P2的向量角（-90°,90°），图像坐标系与输出坐标系间的比例关系即像素尺寸等于线段P1P2的距离与L0的比值。

3.计算出输出坐标系的原点L在图像坐标系中的位置图像中心坐标(X0,Y0)；

九点标定法，需要特征点的9个位置坐标；

其中，经过第一阶段的标定，相机采集图像坐标系内的点转换为输出坐标系内的点，(Xt,Yt)代表输出坐标系中坐标，(Xi,Yi)代表图像坐标系中坐标，(X0,Y0)代表输出坐标系原点在图像坐标系中的位置，α为输出坐标系与图像坐标系的夹角，转换公式为：

。

4.根据权利要求1所述的多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，所述的第二阶段标定，已知旋转前(X1,Y1)和旋转后(X2,Y2)两点，以及旋转角度β，求解出旋转的中心点(Xc,Yc)，求解公式为：

；

第二相机组的其它相机输出坐标系下的圆心均求出后，根据纠偏平台的旋转中心在归零后为一定点，即在旋转过程中是不动点，建立旋转坐标系；

根据相对关系，计算出第二相机组各输出坐标系与旋转坐标系的关系， O1为输出坐标系的原点，C为旋转中心在输出坐标系中的位置；转换为旋转坐标系中，C为旋转坐标系的原点，O1为相机1输出坐标系原点在旋转坐标系中的位置，有Xo1=-Xc;Yo1=-Yc。

5.根据权利要求1所述的多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，所述的第三阶段标定，映射标定，标定第一相机组图像坐标系与输出坐标系间的夹角α1，算法如下：

映射标定中，线段L的位置姿态不变，即线段L在旋转坐标系中的向量角β不变，β=β1；

标定第一相机组输出坐标系与旋转坐标系间的位置，算法如下：

映射标定中，点Q在旋转坐标系中位置不变，即Xc=Xc’;Yc=Yc’。

6.根据权利要求1所述的多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，映射标定之前先完成第一相机组的图像内部参数标定，计算出像素尺寸系数。

7.根据权利要求1所述的多相机的标定及对位贴合方法，其特征在于，对位贴合过程包括：第二相机组计算出要贴合物的中心A1，第一相机组计算出目标物的中心A2；计算出要贴合物与目标物的偏差角，要贴合物中心与目标物中心偏差距离A， 偏移距离A(Xa,Ya)旋转偏差角后的点B(Xb,Yb)，为一次对位贴合的偏移量，计算算法为：

。