CN109118545B - 基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法，基于包括了旋转平台、双目摄像头的三维成像系统，旋转平台上固定有设置有至少一个标志点的标靶；双目摄像头包括第一、第二摄像头；其方法包括：在至少两个预设的旋转角度下，通过第一、第二摄像头采集第一、第二图像，获取第一、第二图像中标志点的像素坐标；根据标志点在世界坐标系下的世界坐标和第一、第二图像中标志点的像素坐标、旋转角度进行标定，获取标定参数，标定参数包括旋转参数、与第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、第一、第二摄像头之间的像素坐标变换关系。采用本发明，可提高基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定的准确率。

Description

基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定方法及系统

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法及系统。

背景技术

相机标定是图像处理技术中非常重要的技术，在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定。

基于双目三维摄像头的测量技术是计算机三维检测技术的一个重要组成部分，利用左右两个摄像头构成三角测量关系，对空间中特征点进行重建其三维坐标。

而由于物体自身遮挡，为了获得物体360度完整的三维表面数据，需要在三维成像系统中集成旋转轴，通过控制旋转轴的旋转来获取不同视角下被测物体表面的三维数据，然后将不同视角下的深度像匹配到同一个坐标系下。而基于机器视觉的三维重建中，利用旋转轴进行三维数据不同视角的匹配是一种常用的技术手段。一般来讲，基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定中，是通过已标定的双目视觉系统对固定在旋转轴上的特征点进行三维重建，利用不同旋转角度下的三维重建结果进行旋转轴的标定。也就是说，是先进行了双目系统的标定，然后基于双目系统标定的结果进行旋转轴的标定，这就会导致在整个标定的过程中参数在两个优化迭代的过程中会出现误差累积，在存在误差的情况下，可能导致最终标定结果的误差较大。

综上，在相关技术方案中，双目系统的旋转轴的相机标定的相关技术方案存在误差累积导致的误差过大的问题，导致了基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定的准确率不足。

发明内容

基于此，在本实施例中，特提出了一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法及系统。

一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法，所述方法基于包括了旋转平台、双目摄像头的三维成像系统，其中，

所述旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点；

所述双目摄像头包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头中一个为左摄像头，另一个为右摄像头；

所述方法包括：

在至少两个预设的旋转角度下，通过所述第一摄像头和第二摄像头分别采集包含有所述标靶的第一图像和第二图像，获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标；

根据所述至少一个标志点的在世界坐标系下的世界坐标和所述第一图像中标志点的像素坐标、所述第二图像中的标志点的像素坐标、所述至少一个旋转角度对所述三维成像系统进行标定，获取所述三维成像系统的标定参数，所述标定参数包括旋转参数、与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、和/或所述第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系。

可选的，在一个实施例中，所述根据所述至少一个标志点的在世界坐标系下的世界坐标和所述第一图像中标志点的像素坐标、所述第二图像中的标志点的像素坐标、所述至少一个旋转角度对所述三维成像系统进行标定的步骤，还包括：

基于旋转平台建立辅助坐标参考系，建立世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、建立辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系和第二摄像头对应的第二相机坐标系之间的变换关系；

根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第一理论像素坐标；

根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第二理论像素坐标；

根据所述至少一个标志点在第一图像中的像素坐标、在第二图像中的像素坐标和第一理论像素坐标、第二理论像素坐标对所述三维成像系统进行标定。

可选的，在一个实施例中，所述根据所述至少一个标志点在第一图像中的像素坐标、在第二图像中的像素坐标和第一理论像素坐标、第二理论像素坐标对所述三维成像系统进行标定，还包括：

根据标志点在第一图像中的像素坐标与第一理论像素坐标的差、以及标志点在第二图像中的像素坐标与第二理论像素坐标的差，构造与三维成像系统对应的优化目标函数，所述优化目标函数中包括待优化的标定参数；

根据所述标定参数的初始值，迭代计算得到在所述优化目标函数最小的情况下标定参数所对应的参数值，作为所述标定参数的目标值。

可选的，在一个实施例中，所述根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第一理论像素坐标；根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第二理论像素坐标，还包括：

针对每一个标志点，根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，确定与该标志点对应的辅助坐标；

根据辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系，确定与该标志点对应的第一理论像素坐标；

根据辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系之间的变换关系，确定与该标志点对应的第二理论像素坐标。

可选的，在一个实施例中，所述基于旋转平台建立辅助坐标参考系的步骤，还包括：

以所述旋转平台的旋转轴上任一点为圆点O_a，以所述旋转方向为Z_a轴，以垂直于所述Z_a轴且经过O_a的平面为旋转平面，将所述旋转平面作为所述辅助坐标参考系的X_aY_a平面。

可选的，在一个实施例中，所述获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标，还包括：

对所述第一图像进行特征识别，获取所述第一图像中的所有标志点图像区域；

获取该标志点图像区域的中心点的坐标作为所述标志点的第一像素坐标；

和/或，

对所述第二图像进行特征识别，获取所述第二图像中的所有标志点图像区域；

获取该标志点图像区域的中心点的坐标作为所述标志点的第二像素坐标。

可选的，在一个实施例中，所述与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数还包括与所述第一摄像头和第二摄像头对应的畸变参数。

可选的，在一个实施例中，所述获取所述标定系统的标定参数之后，还包括：

获取第一摄像头和第二摄像头在预设的旋转采集角度下采集的第一目标图像和第二目标图像；

根据所述标定参数以及所述辅助坐标参考系与第一相机坐标系、第二相机坐标系之间的变换关系、第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系，获取所述第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的像素坐标在所述辅助坐标参考系下的参考坐标，

根据所述旋转采集角度和所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，获取与第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的世界坐标，生成与所述第一目标图像和第二目标图像对应的三维点云数据。

一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定系统，所述系统包括数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台以及与所述数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台连接处理器和存储器；

所述旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点；

所述第一摄像头、第二摄像头用于在不同的旋转角度下，分别采集包含有所述标靶的第一图像和第二图像；

所述数控电机用于控制所述旋转平台按照预设的旋转角度进行旋转；

所述处理器用于获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标；根据所述至少一个标志点的在世界坐标系下的世界坐标和所述第一图像中标志点的像素坐标、所述第二图像中的标志点的像素坐标、所述至少一个旋转角度对所述三维成像系统进行标定，获取所述三维成像系统的标定参数，所述标定参数包括旋转参数、与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、和/或所述第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系；

所述存储器用于存储所述第一摄像头、第二摄像头采集的图像、和/或存储所述处理器计算得到的结果数据，所述结果数据至少包括标定参数；

所述存储器还用于存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器上存储的计算机程序以实现如前所述的方法。

可选的，在一个实施例中，所述第一摄像头、第二摄像头还用于采集第一目标图像和第二目标图像；所述处理器还用于获取第一摄像头和第二摄像头在预设的旋转采集角度下采集的第一目标图像和第二目标图像；根据所述标定参数以及所述辅助坐标参考系与第一相机坐标系、第二相机坐标系之间的变换关系、第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系，获取所述第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的像素坐标在所述辅助坐标参考系下的参考坐标，根据所述旋转采集角度和所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，获取与第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的世界坐标，生成与所述第一目标图像和第二目标图像对应的三维点云数据。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法和系统之后，针对包含了两个摄像头的双目系统的相机标定以及三维点云重建，基于旋转平台进行标定，并在具体的标定过程中，建立基于旋转平台的辅助坐标参考系，然后根据系统对应的旋转参数、摄像头对应的设备内外参建立辅助坐标参考系与世界坐标系、相机坐标系之间的对应关系，确定标靶上的标志点对应的世界坐标以及对应的辅助坐标、像素坐标，最终根据采集到的图像中的标志点对应的像素坐标(即为观测值)以及根据各个坐标系之间的对应关系计算得到的理论坐标(即为理论值)来对系统的旋转轴以及双目系统的相机内外参进行标定。也就是说，在一次计算中完成了对于双目摄像头以及旋转轴的标定，避免了对应的误差在两个标定过程依次进行中的误差累积，提高了标定的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中旋转平台上设置的标靶上的标志点分布的示意图；

图2为一个实施例中旋转角度与左右相机之间的对应关系的示意图；

图3为一个实施例中建立旋转轴及双目摄像头的三维成像系统的坐标系变换的示意图；

图4为一个实施例中基于前述方法进行的三维数据重建的图像示意图；

图5为一个实施例中基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如前所述，为了解决前述提到的双目系统和旋转轴的相机标定的相关技术方案存在误差累积导致的误差过大导致的基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定的准确率不足的技术问题，在本发明中，提供了一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法来提高基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定的准确率。

具体的，在本实施例中，上述基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法的实现基于包括了旋转平台、双目摄像头的三维成像系统。其中，所述双目摄像头包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头中一个为左摄像头，另一个为右摄像头，且旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点。

例如，在如图1所示的应用场景中，给出了标靶中的一个实例。在其他实施例中，标靶上的标志点的排列还可以是其他形状，但是需要满足可以根据标志点之间的位置关系来确定对应的旋转角度。旋转平台是可以绕一旋转轴进行旋转的，且旋转平台的旋转可以是在数控电机的驱动下，按照预设的旋转角度进行旋转，也就是说，通过数控电机实现对于旋转平台的旋转角度的精确的控制。进一步的，在本实施例中，旋转平台的旋转角度需要满足标靶在对应的旋转角度下标靶上的标志点在双目系统的两个摄像头的有效视场内，通过第一摄像头和第二摄像头采集到的标靶的图像中能识别出其中的标志点。

需要说明的是，在本实施例中，标靶上的标志点一般不止一个，例如，可以设置为4个、6个、8个，具体可以根据标志点的具体图样以及特征来进行确认。在一个可选的实施例中，为了提高后续对于参数优化迭代过程中有足够的数据进行迭代，可以优选为8个或8个以上的标志点。在另一个实施例中，在标志点为其他图样(例如，包含了方向特征的方形、菱形图样)的情况下，标志点的个数可以相应减少，甚至为1个。

如图2所示，通过数控电机控制旋转平台，按照预设的旋转角度进行旋转，并通过第一摄像头和第二摄像头采集标靶对应的图像，即为第一图像和第二图像。具体的，分别在0°、12°、24°、-12°、-24°时，其对应的弧度制为0，

采集五次标靶对应的第一图像和第二图像。

需要说明的是，在本实施例中，一般旋转角度不止一个，例如，可以是如前所述的5个，也可以是3个或者其他的旋转角度，但是旋转角度采样是为了建立左右摄像头对应的相机坐标系与辅助坐标系之间的变换关系，因此，为了该两个坐标系之间的变换关系建立的准确性，旋转角度一般采用多个，并且可以根据坐标系之间的变换关系建立的具体需求采用不同数量的旋转角度，在本实施例中不进行限定。

然后分别对第一图像和第二图像进行图像识别，获取第一图像和第二图像中的特征信息，从而确定第一图像以及第二图像中的标志点对应的图像区域(标志点对应了不止一个像素点，而是对应了与多个像素点组成的像素的集合或图像区域)。在本实施例中，优选标志点为一圆形图样(在其他实施例中也可以是三角形、矩形等其他图样)，通过圆心定位确定标志点对应的图像区域对应的中心位置，获取中心位置对应的坐标(该坐标为中心位置对应的像素点在第一图像或第二图像中的像素坐标)，即为标志点对应的第一像素坐标和第二像素坐标。因为标志点之间需要满足一定的位置关系，因此通过不同拓扑关系，可以确定标靶的旋转角度。

另外，通过第一图像和第二图像中标志点的像素坐标，也可以确定左右两摄像头获取的图像中标志点的像素坐标与世界坐标之间的对应关系，即：

其中

分别为左右两相机为序号为j的标志点在i个旋转角度γ_i时的像素坐标，

为该标志点在标靶上对应的世界坐标。具体的，其中世界坐标是已知的，而标志点在第一图像和第二图像中的像素坐标如前所述可以通过图像识别来获取，因此，可以确定多个标志点的像素坐标以及对应的世界坐标之间的对应关系。

如图3所示，基于旋转平台建立辅助坐标参考系O_a-X_aY_aZ_a：其原点O_a建立在旋转轴上的任意一点，将旋转方向定义为Z_a轴，垂直于Z_a轴且通过辅助坐标参考系的原点O_a的平面定义为旋转平面，该旋转平面为辅助坐标参考系的X_aY_a平面，从而建立了辅助坐标参考系O_a-X_aY_aZ_a。

通过

将世界坐标系下的

坐标变换到辅助坐标参考系为

其中旋转矩阵

的自由度为3。旋转向量R的自由为3，为保证参数的独立性，利用旋转向量r_3×1,来代替旋转矩阵R_3×3，因而旋转矩阵R_o表示为r_o，从世界坐标系到辅助坐标系的旋转平移变换可表示为Θ_o(R_o,T_o)＝Θ_o(r_o,T_o)。

其中，世界坐标系为标靶上的标志点所在的坐标系，对应的为O_w-X_wY_wZ_w。

也即，世界坐标系到辅助坐标参考系之间的对应关系如下：

通过数控电机控制旋转平台的旋转可视为绕辅助坐标参考系中的Z_a轴旋转，例如，其5次旋转角度可以是0，

每次旋转后其辅助坐标参考系下的标定为：

其中旋转变换

且绕Z_a轴旋转的旋转角度可以为

在该实施例中，第i次旋转角度下，序号为j的标志点通过辅助坐标参考系与左摄像头对应的左相机坐标系的旋转平移变换(R_l,T_l)可得在左摄像头对应的左相机坐标系下的表达为

也就是说，在左摄像头下，其对应的像素坐标与辅助坐标参考系下的对应关系如下：

进一步的，利用左右相机的变换参数R_s,T_s，其在右摄像头对应的右相机坐标系的表示为

据此可以实现左右摄像头对应的像素坐标时间的旋转平移变换。

也就是说，在右摄像头下，其对应的像素坐标与辅助坐标参考系下的对应关系如下：

根据左右摄像头对应的设备内参数，确定其对应的内参投影矩阵，得到左右摄像头下标志点

在理想的小孔模型下，齐次表达如下：

其中，K_l＝((f_l1,0,0)^T,(γ_l，f_l2，0)^T,(u_l,v_l,1)^T)、K_r＝((f_r1,0,0)^T,(γ_r，f_r2，0)^T,(u_r,v_r,1)^T)为左右摄像头对应的内参投影矩阵，且f_l1,f_l2,u_l,v_l,f_r1,f_r2,u_r,v_r为左右摄像头对应的设备参数。

从而得到标志点在摄像头拍摄下的理想像素坐标分别为

另外，因为相机存在一定的镜头畸变(径向畸变等)，考虑镜头畸变在摄像头成像中非线性模型的像素坐标为：

其中

分别左右相机的镜头畸变，综合内参数投影矩阵和畸变，将可以将左右摄像头对应的设备内参数记为：

以左右摄像头中非线性畸变模型得到标志点在左右摄像头中对应的理论像素坐标与实际通过图像处理得到的实际的像素坐标之间的差异作为目标优化函数，并具体为一非线性最小化目标优化函数。

具体，对应的非线性最小化目标优化函数如下：

其中，N为标靶固定于转台上变换角度的次数(也即在标定的过程中旋转角度的数量)，上标i表示第i个旋转角度，M为标靶上设置的标志点的个数，并且，对应的标志点的三维坐标是已知的，其序号记为上标j；

τ＝(θ_l,θ_r,Θ_o,Θ_l,Θ_s)为待优化的参数向量，θ_l为左摄像头的内参数(包括畸变)，θ_r为右摄像头内参(包括畸变)，Θ_o(R_o,T_o)为世界坐标系到辅助坐标参考系之间的变换关系，Θ_l(r_l,T_l)辅助坐标参考系中位姿j与左摄像头对应的相机坐标系之间的变换关系，Θ_s(r_s,T_s)为双目系统的结构参数，用来标识左摄像头对应的相机坐标系到右摄像头对应的相机坐标系之间的变换关系；

其中旋转矩阵R_o、R_l、R_s只有三个自由度，分别用旋转向量r_o、r_l、r_s来表示；

Rⁱ，

为已知参量，其中为

序号j的标志点世界坐标，Rⁱ为旋转变换对应的变换矩阵；

为标志点在做摄像头机中实际的像素坐标，

分别为左右摄像头重投影下得到的的理论像素坐标。

上式针对目标优化函数的优化问题为典型的非线性最小二乘问题，通过迭代优化确定其中对应的参数τ＝(θ_l,θ_r,Θ_o,Θ_l,Θ_s)，其中θ_l,θ_r,Θ_s为左右摄像头内参和双目系统结构参数，Θ_l,为左摄像头对应的设备外参，Θ_o为辅助坐标参考系与世界坐标系之间变换关系。其中旋转参数的标定的过程可以理解为辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系的标定，而包含了双目摄像头的双目系统的标定可以理解为与第一、第二摄像头对应的相机内外参以及第一、第二摄像头之间的变换关系的标定。

也就是说，办本实施例中，通过非线性最小二乘在一次全局优化中确定参数向量τ＝(θ_l,θ_r,Θ_o,Θ_l,Θ_s)中所有的参数，可以同时优化得到双目系统的结构参数(θ_l,θ_r,Θ_s)，系统外参Θ_l，辅助坐标参考系旋转平移变换Θ_o。也就是说，在本实施例中给出的标定方案中，通过一次对于目标优化函数的迭代优化，确定了旋转轴标定以及包含了左右摄像头的双目系统的相机标定，即将基于旋转轴的双目系统成像的标定中的两组关键参数(旋转轴标定、双目系统的相机标定)在一个优化迭代过程中完成，避免了两次优化迭代的过程中误差的累积，实现了不同旋转角度下上述基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统标定，提高了系统的旋转轴标定和双目相机标定的准确性。

并且，对于上述三维成像系统来讲，根据标定结果，可以重建在不同的旋转角度下采集到的图像的三维重建结果的自动匹配。

根据辅助坐标参考系与左摄像头对应的相机坐标系之间变换关系Θ_l，得到在不同的旋转角度所拍摄得到图像对应的三维点云与世界坐标直接的旋转平移变换关系，实现不同旋转角度得到的三维点云的自动匹配，具体如下：

对于在不同的旋转角度下采集到的图像，根据标定结果确定的左右摄像头对应的相机坐标系之间的变换关系，将右摄像头的相机坐标系下的图像变换到左摄像头的相机坐标系下，完成右摄像头采集到的图像在左摄像头对应的相机坐标系下的三维数据重建；

通过辅助坐标系与左相机坐标系之间变换关系Θ_l，将实现在不同旋转角度对应的位置i，其旋转角度θ_i得到的点云数据Yⁱ变换值辅助坐标系下表达，如：

在辅助坐标参考系下，将θ_i角度时重建得到的三维点云，根据旋转角度，绕Z_a轴旋转-θ_i可将不同角度得到的三维点云数据，匹配到旋转角度为0时的辅助坐标表达，从而完成自动匹配。

在一个具体的实施例中，对于上述给出的标定方法进行实验证明：

测试本发明所述的方法的系统包括主动条纹投影双目成像单元、由数控电机驱动的旋转平台和用于控制和数据处理的计算机系统。

具体，如图4所示，在旋转角度0、

下分别通过左右摄像头采集图像，然后通过左右摄像头之间的变换关系，将右摄像头采集的图像转换至左摄像头下的像素表示(即为在左相机坐标系下进行图像的重建)，图4中4a部分为旋转平台分别在0、

时，在左摄像头对应的左相机坐标系下重建的三维点云Y¹，Y²。

图4中4b部分为利用标定结果Θ_l(r_l,T_l)，建立坐标变换

将上述在左相机坐标系下重建的三维点云变换到辅助坐标下，表示为

图4中4c部分为将在辅助坐标系下的三维点云

分别按照对应的旋转角度绕轴旋转

角度，完成三维点云之间的自动匹配和拼接之后的图像，具体如下：

其中，R¹＝[cos(0),sin(0),0；-sin(0),cos(0),0；0,0,1]＝[1,0,0；0,1,0；0,0,1]，

根据图4的结果可见本实施例中的标定方法在旋转轴标定和自动匹配上的有效性。

在另一个具体的实施例中，如图5所示，还提出了一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定系统，包括数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台以及与所述数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台连接处理器和存储器；

所述旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点；

所述第一摄像头、第二摄像头用于在不同的旋转角度下，分别采集包含有所述标靶的第一图像和第二图像；

所述数控电机用于控制所述旋转平台按照预设的旋转角度进行旋转；

所述处理器用于获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标；根据所述至少一个标志点的在世界坐标系下的世界坐标和所述第一图像中标志点的像素坐标、所述第二图像中的标志点的像素坐标、所述至少一个旋转角度对所述三维成像系统进行标定，获取所述三维成像系统的标定参数，所述标定参数包括旋转参数、与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、和/或所述第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系；

所述存储器用于存储所述第一摄像头、第二摄像头采集的图像、和/或存储所述处理器计算得到的结果数据，所述结果数据至少包括标定参数；

所述存储器还用于存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器上存储的计算机程序以实现如前所述的方法。

在一个可选的实施例中，所述第一摄像头、第二摄像头还用于采集第一目标图像和第二目标图像；

所述处理器还用于获取第一摄像头和第二摄像头在预设的旋转采集角度下采集的第一目标图像和第二目标图像；根据所述标定参数以及所述辅助坐标参考系与第一相机坐标系、第二相机坐标系之间的变换关系、第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系，获取所述第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的像素坐标在所述辅助坐标参考系下的参考坐标，根据所述旋转采集角度和所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，获取与第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的世界坐标，生成与所述第一目标图像和第二目标图像对应的三维点云数据。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

采用了上述基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法和系统之后，针对包含了两个摄像头的双目系统的相机标定以及三维点云重建，基于旋转平台进行标定，并在具体的标定过程中，建立基于旋转平台的辅助坐标参考系，然后根据系统对应的旋转参数、摄像头对应的设备内外参建立辅助坐标参考系与世界坐标系、相机坐标系之间的对应关系，确定标靶上的标志点对应的世界坐标以及对应的辅助坐标、像素坐标，最终根据采集到的图像中的标志点对应的像素坐标(即为观测值)以及根据各个坐标系之间的对应关系计算得到的理论坐标(即为理论值)来对系统的旋转轴以及双目系统的相机内外参进行标定。也就是说，在一次计算中完成了对于双目摄像头以及旋转轴的标定，避免了对应的误差在两个标定过程依次进行中的误差累积，提高了标定的精度。

在上述实施例中，可以全部或部分的通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定方法，其特征在于，所述方法基于包括了旋转平台、双目摄像头的三维成像系统，其中，

所述旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点；

所述双目摄像头包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头中一个为左摄像头，另一个为右摄像头；

所述方法包括：

在至少两个预设的旋转角度下，通过所述第一摄像头和第二摄像头分别采集包含有所述标靶的第一图像和第二图像，获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标；

基于旋转平台建立辅助坐标参考系，建立世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、建立辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系和第二摄像头对应的第二相机坐标系之间的变换关系；

根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第一理论像素坐标；

根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第二理论像素坐标；

根据所述至少一个标志点在第一图像中的像素坐标、在第二图像中的像素坐标和第一理论像素坐标、第二理论像素坐标对所述三维成像系统进行标定，获取所述三维成像系统的标定参数，所述标定参数包括旋转参数、与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、和/或所述第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少一个标志点在第一图像中的像素坐标、在第二图像中的像素坐标和第一理论像素坐标、第二理论像素坐标对所述三维成像系统进行标定，还包括：

根据标志点在第一图像中的像素坐标与第一理论像素坐标的差、以及标志点在第二图像中的像素坐标与第二理论像素坐标的差，构造与三维成像系统对应的优化目标函数，所述优化目标函数中包括待优化的标定参数；

根据所述标定参数的初始值，迭代计算得到在所述优化目标函数最小的情况下标定参数所对应的参数值，作为所述标定参数的目标值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第一理论像素坐标；根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第二理论像素坐标，还包括：

针对每一个标志点，根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，确定与该标志点对应的辅助坐标；

根据辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系，确定与该标志点对应的第一理论像素坐标；

根据辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系之间的变换关系，确定与该标志点对应的第二理论像素坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于旋转平台建立辅助坐标参考系的步骤，还包括：

以所述旋转平台的旋转轴上任一点为圆点O_a，以所述旋转方向为Z_a轴，以垂直于所述Z_a轴且经过O_a的平面为旋转平面，将所述旋转平面作为所述辅助坐标参考系的X_aY_a平面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标，还包括：

对所述第一图像进行特征识别，获取所述第一图像中的所有标志点图像区域；

获取该标志点图像区域的中心点的坐标作为所述标志点的第一像素坐标；

和/或，

对所述第二图像进行特征识别，获取所述第二图像中的所有标志点图像区域；

获取该标志点图像区域的中心点的坐标作为所述标志点的第二像素坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数还包括与所述第一摄像头和第二摄像头对应的畸变参数。

7.根据权利要求1至6任一所述的方法，其特征在于，所述获取所述标定系统的标定参数之后，还包括：

获取第一摄像头和第二摄像头在预设的旋转采集角度下采集的第一目标图像和第二目标图像；

根据所述标定参数以及所述辅助坐标参考系与第一相机坐标系、第二相机坐标系之间的变换关系、第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系，获取所述第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的像素坐标在所述辅助坐标参考系下的参考坐标，

根据所述旋转采集角度和所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，获取与第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的世界坐标，生成与所述第一目标图像和第二目标图像对应的三维点云数据。

8.一种基于旋转轴和双目摄像头的三维成像系统的标定系统，其特征在于，所述系统包括数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台以及与所述数控电机、第一摄像头、第二摄像头、旋转平台连接处理器和存储器；

所述旋转平台上固定有预设的标靶，所述标靶上设置有至少一个标志点；

所述第一摄像头、第二摄像头用于在不同的旋转角度下，分别采集包含有所述标靶的第一图像和第二图像；

所述数控电机用于控制所述旋转平台按照预设的旋转角度进行旋转；

所述处理器用于获取第一图像中标志点的像素坐标，获取所述第二图像中的标志点的像素坐标；基于旋转平台建立辅助坐标参考系，建立世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、建立辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系和第二摄像头对应的第二相机坐标系之间的变换关系；根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第一摄像头对应的第一相机坐标系之间的变换关系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第一理论像素坐标；根据所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系、辅助坐标参考系与第二摄像头对应的第二相机坐标系确定与所述标志点的世界坐标对应的像素坐标作为第二理论像素坐标；根据所述至少一个标志点在第一图像中的像素坐标、在第二图像中的像素坐标和第一理论像素坐标、第二理论像素坐标对所述三维成像系统进行标定，获取所述三维成像系统的标定参数，所述标定参数包括旋转参数、与所述第一摄像头和第二摄像头对应的设备内参数、设备外参数、和/或所述第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系；

所述存储器用于存储所述第一摄像头、第二摄像头采集的图像、和/或存储所述处理器计算得到的结果数据，所述结果数据至少包括标定参数；

所述存储器还用于存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器上存储的计算机程序以实现如权利要求1至7中任一所述的方法。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一摄像头、第二摄像头还用于采集第一目标图像和第二目标图像；

所述处理器还用于获取第一摄像头和第二摄像头在预设的旋转采集角度下采集的第一目标图像和第二目标图像；根据所述标定参数以及所述辅助坐标参考系与第一相机坐标系、第二相机坐标系之间的变换关系、第一摄像头与第二摄像头之间的像素坐标变换关系，获取所述第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的像素坐标在所述辅助坐标参考系下的参考坐标，根据所述旋转采集角度和所述世界坐标系与辅助坐标参考系之间的变换关系，获取与第一目标图像和第二目标图像的所有像素点对应的世界坐标，生成与所述第一目标图像和第二目标图像对应的三维点云数据。

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