CN106352806A - 一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，步骤如下：根据视场尺寸W×H、屏幕尺寸w_s×h_s生成标定板的尺寸w_b×h_b，根据标定板的尺寸w_b×h_b、屏幕单位像元尺寸p及标定板行列数M×N参数生成标定板图案；将生成的标定板图案1:1显示到屏幕上；调整摄像机后，将显示有标定板图案的屏幕当作标定板对左右相机进行标定；利用双相机记录标定板的图像和双相机标定方法即可完成标定。本发明既保证了三维数字图像相关中标定结果的精度，又大幅度降低了成本。

Description

一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法

技术领域

本发明涉及一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，属于立体视觉三维数字图像形貌和变形测量领域。

背景技术

数字图像相关方法是上世纪八十年代初发展起来的一种非接触式光学测量方法，现已在实验研究和工程测量中广泛应用。数字图像相关方法起源于二维数字图像相关方法，但二维数字图像相关方法要求：1)被测物体表面是平面；2)被测物体仅发生面内变形；3)摄像机靶面与被测物体表面平行。然而，实际的工程测量中，离面运动很难避免，并且会严重影响二维数字图像相关的测量精度。为了解决这些问题，近几年来三维数字图像相关方法被发展起来。三维数字图像相关方法引入双目立体视觉原理，通过预先对左右相机进行双相机标定，确定世界坐标系与图像坐标系间的映射关系，从而消除离面运动对测量结果的影响，且对曲表面试件同样适用。采用三维数字图像相关能够得到高精度的测量结果，但该测量结果会受到标定结果的影响。而影响标定结果的主要因素是标定板的制作精度。目前常见的标定板制作方法有打印、精密光刻加工等方法。打印方法制作标定板的精度受限于打印精度，一般在数十微米到数百微米；精密光刻加工的标定板精度可以达到亚微米量级，但制作成本较高。三维数字图像相关测量中迫切需要一种精度高且成本低的标定板。

中国专利“平面显示器生成标定板的方法”(申请号200610027982.9)提出了平面显示屏生成标定板的方式。该专利仅提出了平面显示器生成标定板的方法，并未对利用该方法生成的标定板测量结果的精度进行分析。然而，基于立体视觉的三维数字图像相关方法对标定结果的精度要求更高，从而才能得到可靠的三维重建结果和变形测量结果。

发明内容

本发明的目的是：针对现有标定板制作的精度及成本问题，提供一种精度高且成本低的立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法标，既保证了三维数字图像相关中标定结果的精度，又大幅度降低了成本。

根据以上发明构思，本发明采用的技术方案如下：

一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，操作步骤如下：

(1)首先根据需要观测的视场尺寸W×H、屏幕尺寸w_s×h_s确定标定板的尺寸w_b×h_b，再根据屏幕尺寸w_s×h_s、标定板的尺寸w_b×h_b、屏幕单位像元尺寸p及标定板行列数M×N参数生成标定板图案；

(2)将步骤(2)中生成的标定板图案1:1显示到屏幕上；

(3)调整摄像机后，将显示有标定板图案的屏幕当作标定板对左右相机进行标定；

(4)利用双相机记录标定板的图像和双相机标定方法即可完成标定。

所述步骤(1)中，标定板的尺寸w_b×h_b应小于屏幕尺寸w_s×h_s，同时为了得到较为可靠的双相机标定结果，标定板的尺寸w_b×h_b应不小于视场尺寸W×H的一半，即：

$\frac{1}{2}W\&times;H\&le;w_b\&times;h_b<w_s\&times;h_s---\left(1\right)$

因此，针对不同的视场尺寸W×H，需要生成不同尺寸w_b×h_b的标定板。根据标定板的尺寸w_b×h_b、屏幕的像元尺寸p及标定板的行列数M×N等参数，可以自适应生成标定板上圆点的尺寸s及中心位置(x_i,y_i)。屏幕对应的像素尺寸为：

$w_s^{\left(pix\right)}=\frac{w_s}{p},h_s^{\left(pix\right)}=\frac{h_s}{p}---\left(2\right)$

标定板对应的像素尺寸为：

$w_b^{\left(pix\right)}=\frac{w_b}{p},h_b^{\left(pix\right)}=\frac{h_b}{p}---\left(3\right)$

假设且M≥N，令相邻两圆点之间的距离：

$D_b^{\left(pix\right)}=min\{\frac{w_b^{\left(pix\right)}}{M},\frac{h_b^{\left(pix\right)}}{N}\}=\frac{1}{p}min\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\}---\left(4\right)$

圆点的直径：

$d_b^{\left(pix\right)}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{p}min\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\}---\left(5\right)$

其中，α表示占空比，一般取0.25～0.35。

根据公式(1-5)即可针对不同的视场尺寸、屏幕尺寸生成对应的标定板图案。

图1显示了屏幕像元尺寸为63μm、屏幕像素尺寸为1920×1080、标定板像素尺寸为1440×1080、行列数为12×9、间距为120像素时生成的标定板图案，可用于100×100mm²左右的视场。这样，就可以将显示有标定板图案的屏幕作为一种新型的标定板使用。由于屏幕的加工精度很高(亚微米量级)，屏幕显示生成的标定板同样能够达到很好的精度。图1中存在3个成直角三角形的空心圆点，精确测定这三点两两之间的距离并用于双相机标定算法中，可以使标定结果更加精确。

本发明与现有技术相比的优点在于：中国专利“平面显示器生成标定板的方法”(申请号200610027982.9)仅说明了平面显示器生成标定板的方法的可行性，并未对其测量精度进行分析讨论。本发明结合近年来(手机、平板、墨水屏等)屏幕加工精度高的特点，利用屏幕显示预先生成的标定板图案，即可将显示有标定板图案的屏幕当作一种新型的标定板使用，既保证了三维数字图像相关测量中双相机标定的精度，又大幅度降低了标定板的制作成本。通过实施案例证明了采用利用屏幕生成标定板的标定方法的重投影误差小于采用传统打印生成的标定板进行标定时的重投影误差，并且采用立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法的三维重建精度优于采用传统打印生成的标定板时的重建精度，测量精度最高可达视场的十万分之一。

附图说明

图1为用于显示在屏幕上的标定板图案；根据视场尺寸、屏幕尺寸、屏幕单位像元尺寸及标定板行列数等参数生成合适的标定板图案；

图2为标定过程中左相机拍摄得到的图片及圆心识别算法找到的圆心位置,(a)中的标定板为在泡沫铝平板上打印生成，行列数为12×9，间距为9mm；(b)中的标定板将图1中的标定板图案利用屏幕显示生成，行列数为12×9，间距为7.56mm；

图3为采用两种标定板标定时的重投影误差。(a)采用打印标定板和屏幕显示标定板各作十次标定得到的重投影误差；(b)十次标定结果重投影误差的平均值及标准差。

图4为使用两种标定板测量标准距离时的结果，(a)分别采用打印标定板和屏幕显示标定板的十次标定结果测量标准距离得到的结果；(b)十次标定测量得到的距离的平均值及标准差。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明在标定系统上的优势做进一步说明，但不限制本发明。

实施案例1：采用屏幕显示生成的标定板进行双相机标定并利用三维数字图像相关算法测量标准距离。测试过程如下：

a)根据需要观测的视场尺寸100×100mm²和屏幕尺寸120.96×68.04mm²确定标定板的尺寸范围为70×70～120.96×68.04mm²，一般来说，需要根据观测视场的尺寸选取满足公式(1)所示的屏幕尺寸；

b)再根据公式(4)，利用标定板的尺寸范围70×70～120.96×68.04mm²、屏幕单位像元尺寸63μm及标定板行列数12×9参数确定标定板图案上相邻两点之间的水平或者竖直距离

c)根据公式(5)确定圆点的直径：取α＝0.25，有

d)根据公式(2)和(3)确定标定板图案中标定板对应的像素尺寸及整个图像的像素尺寸并生成标定板图案，如图1所示；

e)将步骤a)至d)生成的标定板图案1:1显示到屏幕上；

f)摆放好相机和显示屏标定板，调节左右相机使标定板上的图案在左右相机内均清晰成像；

g)设置标定算法中需要使用的参数：标定板图案上圆点的间距及行列数；

h)采集一帧图像并对其进行圆心识别，识别成功则保存图像，反之不保存；

i)无论识别成功与否，改变标定板的位置和姿态，重复步骤(e)，直至成功识别的图像数达到最低值；

j)利用步骤(d)设置的标定板的信息以及步骤(e)通过圆心识别得到的所有的图像位置坐标，采用传统的双相机标定方法即可完成标定，得到相机的内外参数。

k)保持左右相机不动，重复步骤(d)至步骤(g)，进行下一次标定，直至得到十次标定的结果；

l)将带有标准距离的标记点试件放入左右相机视场内并记录一组图像做标记点圆心识别并对其进行坐标重建，得到分别采用十次标定进行坐标重建的结果。

图3给出了的采用打印和屏幕显示两种方法生成的标定板标定时的重投影误差，说明了采用屏幕显示标定板得到的标定结果优于采用打印生成标定板的标定结果。图4给出了使用两种标定板测量标准距离时的结果，可以看到采用屏幕显示生成的标定板得到的结果更接近标准值，且更为稳定。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)首先根据需要观测的视场尺寸W×H、屏幕尺寸w_s×h_s确定标定板的尺寸w_b×h_b，再根据屏幕尺寸w_s×h_s、标定板的尺寸w_b×h_b、屏幕单位像元尺寸p及标定板行列数M×N参数生成标定板图案；

(2)将步骤(2)中生成的标定板图案显示到屏幕上；

(3)调整摄像机后，将显示有标定板图案的屏幕当作标定板对左右相机进行标定；

(4)利用双相机记录标定板的图像和双相机标定方法即可完成标定。

2.根据权利要求1所述的立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，其特征在于：所述步骤(1)具体实现为：

(1)标定板的尺寸w_b×h_b小于屏幕尺寸w_s×h_s，且标定板的尺寸w_b×h_b不小于视场尺寸W×H的一半，即：

$\frac{1}{2}W\&times;H\&le;w_b\&times;h_b<w_s\&times;h_s---\left(1\right)$

(2)根据标定板的尺寸w_b×h_b、屏幕的像元尺寸p及标定板的行列数M×N参数，可以自适应生成标定板上圆点的尺寸s及中心位置(x_i,y_i)；

屏幕对应的像素尺寸为：

$w_s^{\left(pix\right)}=\frac{w_s}{p},h_s^{\left(pix\right)}=\frac{h_s}{p}---\left(2\right)$

标定板对应的像素尺寸为：

$w_b^{\left(pix\right)}=\frac{w_b}{p},h_b^{\left(pix\right)}=\frac{h_b}{p}---\left(3\right)$

假设且M≥N，令相邻两圆点之间的距离：

$D_b^{\left(pix\right)}=\min \left\{\frac{w_b^{\left(pix\right)}}{M},\frac{h_b^{\left(pix\right)}}{N}\right\}=\frac{1}{p}\min \left\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\right\}---\left(4\right)$

圆点的直径：

$d_b^{\left(pix\right)}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{p}min\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\}---\left(5\right)$

其中，α表示占空比，这样根据公式(1-5)即可针对不同的视场尺寸、屏幕尺寸生成对应的标定板图案。

3.根据权利要求1所述的立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，针对不同的视场尺寸W×H，需要生成不同尺寸w_b×h_b的标定板。

4.根据权利要求1所述的立体视觉三维数字图像相关测量的高精度标定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，α表示占空比的范围取0.25～0.35。