CN107705335A - 标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法，包括八个步骤，本发明属于方位标定技术领域，本发明是一种很简单的相机外参标定算法，通过同心圆阵列标定板的同心圆轮廓图像来标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机的相对旋转，通过计算同心圆圆心来标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机的相对平移。本方法精确度高，并且可在实践中直接进行测量相机中特征兴趣点的三维重建。

Description

标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法
技术领域
本发明属于方位标定技术领域，具体是指一种标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法。
背景技术
相机标定是很多计算机视觉应用的基本任务，比如在运动检测以及三维重建方面。主流的相机校准方法主要分为两类，一是利用各种维度的校准物进行相机校准，二是直接利用目标对象的运动或场景中隐含的几何约束进行自动相机校准。在基于物体的标定方法中，流行的标定方法需要使用高精度的、特制的标定图像，如黑白棋格、圆等。在工业视觉集成系统中，作为单独的两个硬件模块，线扫激光测距仪和测量相机需要分别先标定内外参数，再标定它们之间相对方位关系，也即外部参数。由于线扫激光测距仪和测量相机的装配往往垂直于机械观测平台，它们测量的物体往往不能被同时观测到，这给它们之间的方位标定带来了很大困难。
发明内容
为解决上述现有难题，本发明提供了一种方法，用来解决非共视域的线扫激光测距仪和测量相机之间的方位标定问题。在线扫激光测距仪和测量相机的内部参数已标定的情况下，通过利用已知尺寸的同心圆阵列标定板以及其上的圆心坐标，相对于线扫激光测距仪和测量相机分别部分可见，分别恢复线扫激光测距仪、测量相机坐标系下的圆心三维坐标，继而可以准确计算两个坐标系相对于同心圆阵列标定板坐标的方位关系，即标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机的外部参数。
本发明采用的技术方案如下：标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法，包括如下步骤：
(1)在标定板上设置按阵列分布的标志同心圆，其中三个角位的三环圆起到定位作用，帮助线扫激光测距仪和测量相机确定标定板上非共视域部分的圆；
(2)将标定板放置于线扫激光测距仪和测量相机的视场，对标定板进行拍摄，线扫激光测距仪和测量相机分别获得部分标定板图像，这是由于线扫激光测距仪和测量相机都相对于测量机械平台垂直，线扫激光测距仪和测量相机不能同时观测到标定板的相同部分；
(3)测量相机与平台垂直度测量：对测量相机拍摄到的标定板图像进行图像滤波、阈值分割、边界提取、轮廓跟踪、椭圆边界拟合，获取同心圆边界椭圆矩阵表达，利用已经标定的测量相机内参系数K，和同心圆图像两个中任意一个椭圆矩阵C，获得椭圆锥Q，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R1；
(4)线扫激光测距仪相机与平台垂直度测量：对线扫激光测距仪相机拍摄到的标定板图像进行以上操作，利用已经标定测量相机内参系数，椭圆矩阵表达，获得椭圆锥方程，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R2；
(5)测量相机和线扫激光测距仪相机的相对旋转由inv(R1)*R2得到；
(6)测量相机和标定板相对平移恢复：通过测量相机中同心圆轮廓C1、C2获得inv(C1)*C2的三个特征根和三个特征向量，其中三个特征根中有两个相等一个不等，即γ1＝γ2≠γ3，不等特征根对应的特征向量即为同心圆圆心图像，因此已知标定物圆心在三维空间中的位置，以现有的张正友方法(Z.Zhang.A flexible new technique for cameracalibration.PAMI,22(11),2000.)可标定测量相机和标定物4x4的3D平移T1矩阵；
(7)线扫激光测距仪和标定板相对平移恢复：通过线扫激光测距仪中同心圆轮廓，利用步骤(6)中的方法，可标定线扫激光测距仪和标定物4x4的3D平移T2矩阵；
(8)结合步骤(6)和步骤(7)中的平移计算，计算测量相机和线扫激光测距仪相对平移inv(T1)*T2，从而标定测量相机和线扫激光测距仪的相对平移。
采用上述方案本发明取得有益效果如下：本发明标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法是一种很简单的相机外参标定算法，通过同心圆阵列标定板的同心圆轮廓图像来标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机的相对旋转，通过计算同心圆圆心来标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机的相对平移。本方法精确度高，并且可在实践中直接进行测量相机中特征兴趣点的三维重建。
附图说明
图1为同心圆标定板示意图；
图2为线扫激光测距仪和测量相机工作设置示意图；
图3为同心圆标定板和图像之间的关系示意图。
其中，1、测量相机，2、线扫激光测距仪，3、标定板，4、工作台。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法，包括如下步骤：
(1)如图1所示，在标定板上设置按阵列分布的标志同心圆，其中三个角位的三环圆起到定位作用，帮助线扫激光测距仪和测量相机确定标定板上非共视域部分的圆；
(2)如图2所示，将标定板3放置于线扫激光测距仪2和测量相机1的视场，对标定板3进行拍摄，线扫激光测距仪2和测量相机1分别获得部分标定板3图像；这是由于线扫激光测距仪2和测量相机1都相对于测量机械平台垂直，线扫激光测距仪2和测量相机1不能同时观测到标定板3的相同部分；
(3)测量相机与平台垂直度测量：对测量相机拍摄到的标定板图像进行图像滤波、阈值分割、边界提取、轮廓跟踪、椭圆边界拟合，获取同心圆边界椭圆矩阵表达，利用已经标定的测量相机内参系数K，和同心圆图像两个中任意一个椭圆矩阵C，获得椭圆锥Q(如图3所示)，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R1；
(4)线扫激光测距仪相机与平台垂直度测量：对线扫激光测距仪相机拍摄到的标定板图像进行以上操作，利用已经标定测量相机内参系数，椭圆矩阵表达，获得椭圆锥方程，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R2；
(5)测量相机和线扫激光测距仪相机的相对旋转由inv(R1)*R2得到；
(6)测量相机和标定板相对平移恢复：通过测量相机中同心圆轮廓C1、C2获得inv(C1)*C2的三个特征根和三个特征向量，其中三个特征根中有两个相等一个不等，即γ1＝γ2≠γ3，不等特征根对应的特征向量即为同心圆圆心图像，因此已知标定物圆心在三维空间中的位置，可标定测量相机和标定物4x4的3D平移T1矩阵；
(7)线扫激光测距仪和标定板相对平移恢复：通过线扫激光测距仪中同心圆轮廓，利用步骤(6)中的方法，可标定线扫激光测距仪和标定物4x4的3D平移T2矩阵；
(8)结合步骤(6)和步骤(7)中的平移计算，计算测量相机和线扫激光测距仪相对平移inv(T1)*T2，从而标定测量相机和线扫激光测距仪的相对平移。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.标定非共视域线扫激光测距仪和测量相机方位的方法，其特征在于线扫激光测距仪和测量相机没有公共视野，标定物部分在线扫激光测距仪视域内，部分在测量相机视域内，包括如下步骤：
(1)在标定板上设置按阵列分布的标志同心圆，其中三个角位的三环圆起到定位作用，帮助线扫激光测距仪和测量相机确定标定板上非共视域部分的圆；
(2)将标定板放置于线扫激光测距仪和测量相机的视场，对标定板进行拍摄，线扫激光测距仪和测量相机分别获得部分标定板图像，这是由于线扫激光测距仪和测量相机都相对于测量机械平台垂直，线扫激光测距仪和测量相机不能同时观测到标定板的相同部分；
(3)测量相机与平台垂直度测量：对测量相机拍摄到的标定板图像进行图像滤波、阈值分割、边界提取、轮廓跟踪、椭圆边界拟合，获取同心圆边界椭圆矩阵表达，利用已经标定的测量相机内参系数K，和同心圆图像两个中任意一个椭圆矩阵C，获得椭圆锥Q，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R1；
(4)线扫激光测距仪相机与平台垂直度测量：对线扫激光测距仪相机拍摄到的标定板图像进行以上操作，利用已经标定测量相机内参系数，椭圆矩阵表达，获得椭圆锥方程，并对其进行特征向量分解并合成旋转矩阵R2；
(5)测量相机和线扫激光测距仪相机的相对旋转由inv(R1)*R2得到；
(6)测量相机和标定板相对平移恢复：通过测量相机中同心圆轮廓C1、C2获得inv(C1)*C2的三个特征根和三个特征向量，其中三个特征根中有两个相等一个不等，即γ1＝γ2≠γ3，不等特征根对应的特征向量即为同心圆圆心图像，因此已知标定物圆心在三维空间中的位置，可标定测量相机和标定物4x4的3D平移T1矩阵；
(7)线扫激光测距仪和标定板相对平移恢复：通过线扫激光测距仪中同心圆轮廓，利用步骤(6)中的方法，可标定线扫激光测距仪和标定物4x4的3D平移T2矩阵；
(8)结合步骤(6)和步骤(7)中的平移计算，计算测量相机和线扫激光测距仪相对平移inv(T1)*T2，从而标定测量相机和线扫激光测距仪的相对平移。
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