CN106204583B - 一种标定相机转动角的方法 - Google Patents

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Abstract

一种标定相机转动角的方法，其特征在于执行所述方法的标定系统包括大场景相机、待标定的相机、棋盘格标定板和能精密控制旋转角度的转轴，所述相机固定在转轴上；以转轴的轴向为水平方向，大场景相机的成像方向和相机的初始成像方向大致相同，所述方法包括以下步骤：步骤1)标定相机和大场景相机的内部参数；步骤2)初始成像；步骤3)转动成像；步骤4)标定计算。

Description

一种标定相机转动角的方法
技术领域
本发明涉及机器视觉、图像处理及三维测量领域，具体通过机器视觉技术标定相机绕转轴转动角度的方法。
背景技术
随着信息时代的到来，利用彩色数字相机和深度相机采集场景的颜色和三维信息在各个行业得到越来越广泛的应用。但此类相机只能得到采集到一个方向的数据信息。为了得到大范围或360度场景的信息，需要移动或转动相机采集系列的二维或三维数据。特别是在室内，常通过相机绕着旋转台转动已知角度得到较大视场范围的数据。通过转换不同视角得到的数据到同一个坐标系中并加以合成，最终得到较大视场或360度场景的信息。在此过程中，精确确定相机绕一固定轴转动的角度起着决定性作用，直接影响最后合成结果的好坏。为了简化此过程，可把相机固定在一个自动转动的旋转台上。通过事先标定旋转台每次转动的角度，可获得相机从不同视角采集数据之间的关系。因此，精确、简易标定相机转动的角度对后期数据拼接计算起着重要的作用。在申请人检索的范围内，相机转动的相关文献信息如下：
1.P.Chen,M.Dai,K.Chen,Z.S.Zhang在“基于约束全局优化方法的转台旋转轴标定”(Rotation axis calibration of a turntable using constrainedglobaloptimization,Optik,2014,125:4831-4836)文章中，提出了利用相机和棋盘格标定转轴的轴心和方向矢量的方法。该方法将棋盘格标定板固定在转台上，并在转台旋转360°过程中利用相机拍照得到棋盘格角点的坐标，通过对角点坐标进行最小二乘法拟合得到圆心坐标即转轴中心位置，然后对角点坐标进行平面拟合得到的法向量即转轴的方向矢量。但这种方法适用于相机与旋转轴分离的情况，即相机可直接拍摄到旋转轴上的棋盘格标定板。同时此方法仅标定了转轴中心和方向矢量。
2.J.F.Li,M.Chen,X.B.Jin,Y.Chen等在“基于机器人的多轴三维激光扫描系统的标定”(Calibration of a multiple axes 3-D laserscanning system consisting ofrobot,portable scannerandturntable,Optik,2011,122:324–329)文章中，提出了通过安装一个标准球体与已知直径的转盘，完成对转动轴的校准。通过计算标准球体在几个不同角度和高度的中心位置，以及每个轨迹圆的中心来确定旋转轴的方向。这种方法同样仅适用于相机和转轴分离的情况。同时，标定依赖于高精度设备，装置复杂、测量时间长、适应范围较小。
3.李怀泽，沈会良，程岳在“基于旋转多视角深度配准的三维重建方法”(计算机应用,2012,32(12):3365-3368)文章中，提出使用棋盘格标定板进行转台标定的方法。将棋盘格标定板固定在转台上，在转台旋转过程中利用相机拍照得到棋盘格角点的三维坐标。通过对角点坐标进行最小二乘法拟合得到圆心坐标即为转轴中心位置；通过对角点坐标进行平面拟合得到的法向量即转轴的方向矢量。但该方法没有考虑到当双目相机的有效视场较小时，棋盘格标定板的旋转角度有限导致拟合的空间平面误差增大的问题，并且仅标定了转轴中心和方向矢量。同样，该方法针对相机直接看到转轴的情况。
4.李鹏飞，张文涛，熊显名在“基于线结构光的三维测量系统转轴快速标定方法”(微型机与应用,2015,34(4):73-75)中，提出了一种基于圆锥体参照物的快速标定方法，完成旋转台转轴的标定。该方法将一个圆锥体的参照物固定放置在旋转平台上，控制旋转台每隔一定角度旋转一次并采集每个位置的图像。对图像预处理后，提取圆锥体的亚像素边缘。通过拟合圆锥体边缘直线，计算得到两条边缘直线的空间直线方程，并利用Levenberg-Marquardt迭代法计算出空间中距离两条边缘直线最近的点作为圆锥体的顶点。然后根据得到的所有顶点拟合出所在的空间平面及空间圆的圆心。通过平面的法向量和圆心点建立起旋转轴的直线方程，完成旋转台的转轴标定。该标定方法依赖电机旋转精度和圆锥体边缘的精确提取，精度难以保证，并且仅得到了转轴中心和方向矢量。该方法不能标定相机固定在转轴上的情况。
通过以上文献可以看出：已有的转轴标定方法都是针对相机和转轴分离的情况。但当相机固定在转轴上时，相机和转轴一块转动。同时，相机无法从不同角度直接采集固定在转轴上的棋盘格标定板图像。因此，在保证标定精度的情况下，如何活性、快速、准确地标定相机和转轴之间的关系，降低标定成本是一个急需解决的技术难题。
发明内容
针对已有技术无法标定转轴上相机和转轴间关系的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种简易、精确直接标定二者之间关系方法。该标定方法通过另外一个大场景相机和一块高精度的棋盘格标定平板，快速、准确的标定出相机和与其相连转轴之间的夹角。该标定方法具有精度高、成本低、使用方便、推广容易等一系列优点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是提供一种标定相机转动角的方法，其特征在于执行所述方法的标定系统包括大场景相机、待标定的相机、棋盘格标定板和能精密控制旋转角度的转轴，所述相机固定在转轴上；以转轴的轴向为水平方向，大场景相机1的成像方向和相机2的初始成像方向大致相同，所述方法包括以下步骤：
步骤1)标定相机和大场景相机的内部参数
棋盘格标定板事先任意摆放在相机2和大场景相机1前几个任意位置并采集棋盘格标定板图像，用以分别标定相机2和大场景相机1的内部参数；
步骤2)初始成像
相机和大场景相机均指向初始成像方向，棋盘格标定板3放置于相机2前方的初始位置2′时，相机2和大场景相机1同时对此位置的棋盘格标定板进行成像；
步骤3)转动成像
大场景相机1保持不动，将棋盘格标定板置于初始位置上方或下方的测试位置，并将相机2从初始成像方向向测试位置方向转动，使棋盘格标定板的平面大致垂直大场景相机光轴与相机光轴的角平分线方向，相机2和大场景相机1分别对位于测试位置的棋盘格标定板成像；
步骤4)标定计算
由于大场景相机1保持不动，根据步骤2)中相机2拍摄的位于初始位置和步骤3)中相机2拍摄的位于测试位置的棋盘格标定板图像和相机2的内部参数，确定相机2的俯仰转动角。
所述的一种标定相机转动角的方法，其特征是所述步骤4)具体包括以下步骤
设在测试位置处的棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P1，在初始位置处棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P2，大场景相机1的相机坐标系原点坐标为Psv,拍摄测试位置处棋盘格标定板的相机2的相机坐标系原点坐标为Px1，拍摄初始位置处棋盘格标定板的相机2的相机坐标系原点坐标为Px2。通过标定可以得到位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系与位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系分别到大场景相机1的相机坐标系和相机2的相机坐标系的坐标转换关系如下(1)～(4)所示，
Rsc1P1+Tsc1＝Psv (1)
Rsc2P2+Tsc2＝Psv (2)
Rxc1P1+Txc1＝Px1 (3)
Rxc2P2+Txc2＝Px2 (4)
式(1)～(4)中，Rsc1、Tsc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rsc2、Tsc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；Rxc1、Txc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rxc2、Txc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
由式(1)和(2)可得测试位置处棋盘格标定板3的世界坐标系到初始位置处棋盘格标定板3的世界坐标系的坐标变换关系如式(5)所示，即
由式(3)～(5)可得相机在拍摄位于初始位置的棋盘格标定板时的相机坐标系与拍摄位于测试位置的棋盘格标定板时的相机坐标系之间的坐标变换关系如式(6)所示，即
根据式(6)的旋转矩阵可得到相机2在拍摄初始位置和测试位置的棋盘格标定板时转轴旋转的角度即相机的俯仰转动角。
与现有技术相比，本发明提供的标定相机转动角的方法为基于机器视觉的方法，其优点如下：
1.调节简单，使用方便：本发明对标定系统没有严格的制造要求及装配要求，大大减少了标定前的调节工作量、节省了调节时间，提高了标定效率；
2.结构简单，成本较低，便于推广：本发明仅用一个大场景相机和一个棋盘格标定板，即可标定相机随转轴转动的角度，因此成本节省、推广容易。
附图说明
图1为一种标定相机转动角的方法标定系统的结构示意图；其中，(a)为俯视角度标定系统示意图，(b)为仰视角度标定系统示意图。
图中，1、大场景相机，2、相机，3、棋盘格标定板，4、转轴，2′、初始位置，1′、上方位置，3′、下方位置。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本申请权利要求的保护范围不受具体实施例的限制。
用于本发明标定相机转动角的方法的标定系统(简称系统，参见图1)，包括：大场景相机1、待标定的相机2、棋盘格标定板3、能精密控制旋转角度的转轴4，所述相机固定在转轴上且能够精密调节转动角度。以转轴的轴向为水平方向，大场景相机1的成像方向和相机2的初始成像方向大致相同。所述大场景相机1、相机2、棋盘格标定板3和步进电机均为市购产品。
本发明提供的标定相机转动角的方法包括如下具体步骤：
步骤1)：标定相机和大场景相机的内部参数
棋盘格标定板事先任意摆放在相机2和大场景相机1前几个任意位置并采集棋盘格标定板图像，用以分别标定相机2和大场景相机1的内部参数。
步骤2)：初始成像
相机和大场景相机均指向初始成像方向，棋盘格标定板3放置于相机2前方的初始位置2′时，相机2和大场景相机1同时对此位置的棋盘格标定板进行成像。
步骤3)：转动成像
大场景相机1保持不动，将棋盘格标定板置于初始位置上方或下方的测试位置，并将相机2从初始成像方向向测试位置方向转动，使棋盘格标定板的平面大致垂直大场景相机光轴与相机光轴的角平分线方向，相机2和大场景相机1分别对位于测试位置的棋盘格标定板成像。
步骤4)：标定计算
由于大场景相机1保持不动，根据步骤2)中相机2拍摄的位于初始位置和步骤3)中相机2拍摄的位于测试位置的棋盘格标定板图像和相机2的内部参数，确定相机2的俯仰转动角，具体包括以下步骤
设在测试位置处的棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P1，在初始位置处棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P2，大场景相机1的相机坐标系原点坐标为Psv,拍摄测试位置处棋盘格标定板的相机2的相机坐标系原点坐标为Px1，拍摄初始位置处棋盘格标定板的相机2的相机坐标系原点坐标为Px2。通过标定可以得到位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系与位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系分别到大场景相机1的相机坐标系和相机2的相机坐标系的坐标转换关系如下(1)～(4)所示，
Rsc1P1+Tsc1＝Psv (1)
Rsc2P2+Tsc2＝Psv (2)
Rxc1P1+Txc1＝Px1 (3)
Rxc2P2+Txc2＝Px2 (4)
式(1)～(4)中，Rsc1、Tsc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rsc2、Tsc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；Rxc1、Txc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rxc2、Txc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
由式(1)和(2)可得测试位置处棋盘格标定板3的世界坐标系到初始位置处棋盘格标定板3的世界坐标系的坐标变换关系如式(5)所示，即
由式(3)～(5)可得相机在拍摄位于初始位置的棋盘格标定板时的相机坐标系与拍摄位于测试位置的棋盘格标定板时的相机坐标系之间的坐标变换关系如式(6)所示，即
根据式(6)的旋转矩阵可得到相机2在拍摄初始位置和测试位置的棋盘格标定板时转轴旋转的角度。
实施例
以位于初始位置上方的测试位置为上方位置1’,以位于初始位置下方的测试位置为下方位置3’，采用步进电机控制转轴的精确转动，当拍摄位于上方位置的棋盘格标定板时，相机的实际转动角度A＝20°，当拍摄位于下方位置的棋盘格标定板时，相机的实际转动角度B＝20°，分别以本发明提供的方法对拍摄位于上方位置和下方位置的标定板时相机的转动角度进行标定，结果如表1所示
表1、相机转动角标定结果(单位，度)
A B
实际旋转角度 20 20
标定结果 20.0959 19.9249
由结果可知，步进电机控制的相机转动角度与标定结果误差在0.0959°左右，说明本文提出的标定相机转动角方法精度较高。

Claims (2)

1.一种标定相机转动角的方法，其特征在于执行所述方法的标定系统包括大场景相机、待标定的相机、棋盘格标定板和能精密控制旋转角度的转轴，所述相机固定在转轴上；以转轴的轴向为水平方向，大场景相机的成像方向和相机的初始成像方向大致相同，所述方法包括以下步骤：
步骤1)标定相机和大场景相机的内部参数
棋盘格标定板事先任意摆放在相机和大场景相机前几个任意位置并采集棋盘格标定板图像，用以分别标定相机和大场景相机的内部参数；
步骤2)初始成像
相机和大场景相机均指向初始成像方向，棋盘格标定板放置于相机前方的初始位置时，相机和大场景相机同时对此位置的棋盘格标定板进行成像；
步骤3)转动成像
大场景相机保持不动，将棋盘格标定板置于初始位置上方或下方的测试位置，并将相机从初始成像方向向测试位置方向转动，使棋盘格标定板的平面大致垂直大场景相机光轴与相机光轴的角平分线方向，相机和大场景相机分别对位于测试位置的棋盘格标定板成像；
步骤4)标定计算
由于大场景相机保持不动，根据步骤2)中相机拍摄的位于初始位置的棋盘格标定板图像和相机的内部参数和步骤3)中相机拍摄的位于测试位置的棋盘格标定板图像和相机的内部参数，确定相机的俯仰转动角。
2.如权利要求1所述的一种标定相机转动角的方法，其特征是所述步骤4)具体包括以下步骤：
设在测试位置处的棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P1，在初始位置处棋盘格标定板的世界坐标系的原点坐标为P2，大场景相机的相机坐标系原点坐标为Psv,拍摄测试位置处棋盘格标定板的相机的相机坐标系原点坐标为Px1，拍摄初始位置处棋盘格标定板的相机的相机坐标系原点坐标为Px2；通过标定可以得到位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系与位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系分别到大场景相机的相机坐标系和相机的相机坐标系的坐标转换关系如下(1)～(4)所示，
Rsc1P1+Tsc1＝Psv (1)
Rsc2P2+Tsc2＝Psv (2)
Rxc1P1+Txc1＝Px1 (3)
Rxc2P2+Txc2＝Px2 (4)
式(1)～(4)中，Rsc1、Tsc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rsc2、Tsc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到大场景相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；Rxc1、Txc1分别为位于测试位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，Rxc2、Txc2分别为位于初始位置的棋盘格标定板的世界坐标系到相机的相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
由式(1)和(2)可得测试位置处棋盘格标定板的世界坐标系到初始位置处棋盘格标定板的世界坐标系的坐标变换关系如式(5)所示，即
由式(3)～(5)可得待标定的相机在拍摄位于初始位置的棋盘格标定板时的相机坐标系与拍摄位于测试位置的棋盘格标定板时的相机坐标系之间的坐标变换关系如式(6)所示，即
根据式(6)的旋转矩阵可得到相机在拍摄初始位置和测试位置的棋盘格标定板时转轴旋转的角度即相机的俯仰转动角。
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