CN106289086A - 一种用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，采用单轴电动位移平台对双相机的相对位置关系进行校准，提高双目立体视觉系统的标定精度和光学标识点的三维坐标测量精度，以实现对光学标识点间距离精确测量的目的。该方法包括以下步骤：采用标定板对双目立体视觉系统进行标定，得到两个相机的内部参数矩阵、畸变参数矩阵、第二相机相对于第一相机的旋转矩阵和平移向量；采用单轴电动位移平台对单个光学标识点进行已知距离平移，利用该已知距离完成对双目立体视觉系统的校准；采用校准后的双目立体视觉系统，根据双目立体视觉基本原理，对直接基准尺上两标识点间距离进行精确测量。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种利用数字图像处理技术和相机标定技术对光学标识点间距离精确测量方法。
背景技术
随着光学设备和图像处理技术的不断发展，光学测量技术被广泛应用于工业测量、大地测绘等领域。在这些测量中，由基准尺来提供测量所需的长度基准，而其长度是通过两个光学标识点中心的距离确定的。基准尺长度的精确性直接影响到测量结果的准确性，为了保证在工程测量过程中获取数据的质量，则必须要对基准尺上光学标识点间的距离进行精确标定。
目前大多数标识点间距标定方法采用激光干涉测长仪、显微镜及导轨组合装置，其要求将基准尺放置在与激光干涉测长仪和显微镜所在导轨平行的支架上，移动显微镜使其视场从一个标识点移动到另一个标识点，通过人眼观察对准标识点或图像处理技术提取标识点中心坐标，通过激光干涉测长仪测量显微镜移动的距离来标定基准尺的长度。尽管激光测长仪具有较高的精度，但基于该装置的测量为一维测量，若基准尺与导轨的平行度无法保证，则对基准尺精确度会产生较大的影响。
发明内容
技术问题：本发明提供一种装置简便，操作简单，用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法。
技术方案：本发明的用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，包括以下步骤：
1)双目立体视觉系统的标定：将双相机置于光学防振平台上，使得两相机光轴夹角为10°至130°，将标定板置于光学标识点所在平面位置，通过两个相机同时采集不同姿态的标定板图片，对双目立体视觉系统进行初标定，得到第一相机和第二相机的内部参数矩阵K1、K2，镜头畸变参数矩阵D1、D2，第二相机相对于第一相机的旋转矩阵R＝[Rx Ry Rz]和平移向量t＝[tx ty tz]T，所述内部参数矩阵为(i＝1，2.)，其中Fi，x、Fi，y为第i个相机的水平方向和竖直方向等效焦距，si为倾斜因子，ci，x、ci，y为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标；
2)双目立体视觉系统的校准：将位移平台置于光学防振平台上，在所述位移平台的可移动滑块上安置单个光学标识点，通过控制位移平台上的可移动滑块使该光学标识点发生已知位移，利用经过所述步骤1)标定的双目立体视觉系统分别计算平移前后的该光学标识点的三维坐标，从而获得初标定的双目立体视觉系统计算所得的光学标识点平移距离，利用位移台平移的已知位移和计算所得的光学标识点平移距离完成对双目立体视觉系统的校准，得到更精确的双目立体视觉系统的参数；
3)双目立体视觉系统的精度验证：将可移动滑块置于位移平台行程中间，将所述步骤2)中安置于可移动滑块上的光学标识点取下，并将含有光学标识点的基准尺中部水平放置于可移动滑块上，控制可移动滑块先朝左端移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺右端光学标识点移动的距离，类似地再将滑块从中间位置向右移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺左端光学标识点移动的距离；
4)光学标识点间距离的测量：使用所述步骤2)校准后的双目立体视觉系统，根据双目立体视觉基本原理，对水平放置在可移动滑块上的基准尺两端的光学标识点的三维坐标进行测量，计算基准尺上两光学标识点间距离。
进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中的标定板类型包括但不仅限于棋盘标定板，如圆点标定板、编码标定板等。
进一步的，本发明方法中，步骤1)中两相机光轴夹角为30°。
进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，镜头畸变参数矩阵包括6阶径向畸变参数k1、k2、k3、k4、k5、k6和2阶切向畸变参数矩阵p1、p2。
进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中，使得光学标识点发生已知精确位移的装置包括但不仅限于单轴电动位移平台，如单轴手动位移平台，多轴电动位移平台等。
本发明通过采用单轴电动位移平台对双相机的相对位置关系进行校准，提高双目立体视觉系统的标定精度和光学标识点的三维坐标测量精度，以实现对光学标识点间距离精确测量的目的。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明测量装置简单。与其他标定方法相比，本发明装置仅由两个工业相机、光学防振平台、单轴电动位移平台和标定板组成，不需要显微镜、激光干涉测长仪、大理石导轨、气浮运动平台等装置，更为简单且易于实现。
(2)操作简单方便。相比于其他标识点间距离测量装置，本发明在测量过程中无需对光学标识点进行对准，更为简单方便，同时也消除了由于人工对准造成的误差，本发明自动进行标识点的识别、校准和三维坐标及距离的测量，更加高效和可靠，且易于进行多次测量验证。
(3)三维空间测量。现有的光学标识点间距离测量要求基准尺与气浮运动平台的导轨和激光干涉测长仪保持严格的平行，否则将对测量结果造成较大的影响，而本发明直接进行光学标识点的三维空间坐标测量，对基准尺的摆放无严格的平行度要求，只要求标识点所在平面与相机光轴夹角尽量垂直即可，不会因基准尺的放置问题影响测量结果。
附图说明
图1为棋盘标定板，是已知尺寸的标准件。
图2为本发明装置示意图。
其中有：1.第一相机，2.第二相机，3.单轴电动位移平台，4.可移动滑块，5.光学标识点，6.基准尺。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本说明作进一步的说明。
搭建双目立体视觉系统，将两个工业相机固定在光学防振平台上，根据待测量的光学标识点间的距离确定相机的视场、间距，并使得两相机夹角在25°左右，将单轴电动位移平台放置在待测光学标识点所在平面。
用于光学标识点间距离标定的双相机测量方法包括以下步骤：
1)双目立体视觉系统的初标定：将图1所示棋盘格标定板置于光学标识点所在平面位置，使用移动工作站控制两相机同步采集标定板图像，获取标定板在不同姿态下的系列照片，采用计算机视觉领域广泛应用的张正友平板标定法完成对该系统的初标定，得到第一相机和第二相机的内部参数矩阵K1、K2，镜头畸变参数矩阵D1、D2，第二相机相对于第一相机的旋转矩阵R＝[Rx Ry Rz]和平移向量t＝[tx ty tz]T，所述内部参数矩阵为(i＝1，2.)，其中Fi，x、Fi，y为第i个相机的水平方向和竖直方向等效焦距，si为倾斜因子，ci，x、ci，y为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标。
2)双目立体视觉系统的校准：在位移平台上安置单个光学标识点，通过控制位移平台使该光学标识点发生已知精确位移，运用数字图像处理技术分别获取平移前、后经过偏心差校正的光学标识点中心坐标，并使用初标定的双目立体视觉系统参数对该光学标识点的三维坐标进行计算，进而获得初标定系统计算所得的平移距离，利用位移台平移的已知位移和计算所得的平移距离，基于光束法平差的原理，对初标定系统参数进行进一步地优化，完成对双目立体视觉系统的校准，得到更精确的双目立体视觉系统的参数。
3)双目立体视觉系统的精度验证：将单轴电动位移平台的可移动滑块置于行程中间，取下所述步骤2)中安置于可移动滑块上的光学标识点，并将含有光学标识点的基准尺中部水平放置于可移动滑块上，控制滑块先朝左端移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺右端光学标识点移动的距离，类似地再将滑块从中间位置向右移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺左端光学标识点移动的距离；
4)光学标识点间距离的测量：使用校准后的双目立体视觉系统，根据双目立体视觉基本原理，对3)中水平放置在可移动滑块上的基准尺两端的光学标识点的三维坐标进行测量，计算得到基准尺上两光学标识点间的精确距离。
上述实施例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和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)双目立体视觉系统的标定：将双相机置于光学防振平台上，使得两相机光轴夹角为10°至130°，将标定板置于光学标识点所在平面位置，通过两个相机同时采集不同姿态的标定板图片，对双目立体视觉系统进行初标定，得到第一相机和第二相机的内部参数矩阵K1、K2，镜头畸变参数矩阵D1、D2，第二相机相对于第一相机的旋转矩阵R＝[Rx Ry Rz]和平移向量t＝[tx ty tz]T，所述内部参数矩阵为其中Fi，x、Fi，y为第i个相机的水平方向和竖直方向等效焦距，si为倾斜因子，ci，x、ci，y为镜头的光轴与靶面交点的像素坐标；
2)双目立体视觉系统的校准：将位移平台置于光学防振平台上，在所述位移平台的可移动滑块上安置单个光学标识点，通过控制位移平台上的可移动滑块使该光学标识点发生已知位移，利用经过所述步骤1)标定的双目立体视觉系统分别计算平移前后的该光学标识点的三维坐标，从而获得初标定的双目立体视觉系统计算所得的光学标识点平移距离，利用位移台平移的已知位移和计算所得的光学标识点平移距离完成对双目立体视觉系统的校准，得到更精确的双目立体视觉系统的参数；
3)双目立体视觉系统的精度验证：将可移动滑块置于位移平台行程中间，将所述步骤2)中安置于可移动滑块上的光学标识点取下，并将含有光学标识点的基准尺中部水平放置于可移动滑块上，控制可移动滑块先朝左端移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺右端光学标识点移动的距离，类似地再将滑块从中间位置向右移动基准尺长度一半的距离，测量基准尺左端光学标识点移动的距离；
4)光学标识点间距离的测量：使用所述步骤2)校准后的双目立体视觉系统，根据双目立体视觉基本原理，对水平放置在可移动滑块上的基准尺两端的光学标识点的三维坐标进行测量，计算基准尺上两光学标识点间距离。
2.根据权利要求1所述的用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其特征在于，所述步骤1)中的标定板为棋盘标定板、圆点标定板或编码标定板。
3.根据权利要求1所述的用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其特征在于，所述步骤1)中两相机光轴夹角为30°。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，镜头畸变参数矩阵包括6阶径向畸变参数k1、k2、k3、k4、k5、k6和2阶切向畸变参数矩阵p1、p1。
5.根据权利要求1、2或3所述的用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其特征在于，所述位移平台为单轴电动位移平台、单轴手动位移平台或多轴电动位移平台。
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