CN109978960B - 基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄影测量的高精度屏幕‑相机位姿标定方法，首先利用双目测量系统确定屏幕上贴点在屏幕坐标系下的坐标；再确定标定板上图案在相机坐标系下的三维坐标；其次利用摄影测量系统获取屏幕上贴标记点的圆心及标定板上图案的圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD、摄影测量坐标系到标定板坐标系的转换矩阵^cal[RT]_phg、标定板坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_cal；最后计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵。本方法克服了传统标定方法中存在的未考虑到平面镜的平整度、采集到的标定图像变形严重的问题，实现了高精度屏幕‑相机位姿标定。

Description

基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法

技术领域

本发明涉及标定领域，具体涉及一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法。

背景技术

相位测量偏折术(条纹偏折测量系统)主要应用于镜面/类镜面物体表面缺陷检测，因其高精度、非接触、低成本的特点得到广泛的研究与应用，条纹偏折测量系统包括屏幕和相机，屏幕-相机位姿的高精度标定会影响最终系统的精度。目前，针对屏幕-相机位姿的标定主要分为平面镜法和辅助相机法，平面镜法利用平面镜获得屏幕的位姿，根据是否需要标定板分为两种，需要标定板的标定方法需要在标定时调整标定板，使标定板与平面镜重合，以标定板在相机坐标系下的位姿代替平面镜的位姿；不需要标定板的标定方法或需要在平面镜表面贴标记点，或需要在标定过程中挪动平面镜位姿，这两种方法均未考虑到平面镜的平面精度，特别是对于大视场的标定，平面镜的精度难以保证，给标定引入误差，且标定操作不便，难以实现自动化；另一种辅助相机法则需要引入额外的一台辅助相机和一块标定板，将标定板置于系统相机工作范围内，利用待测相机拍摄标定板图案，同时，利用辅助相机同时拍摄显示器显示的标定图案和标定板图案，经辅助相机和标定板的坐标系转换，实现屏幕和待测相机的位姿关系标定，这种方法原理简单、理论精度高，但在实际操作的过程中，由于待测屏幕和相机的位置关系已经固定，且待测相机无法拍摄待测屏幕，按照上述要求布置标定板和辅助相机时，辅助相机光轴与标定板法向量和显示器法向量之间夹角均过大，导致采集到的标定图案均不理想，标志点提取误差较大，难以保证转站精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，适用于对相位测量偏折术(PMD)测量系统的工业现场标定，该标定方法克服了传统屏幕-相机标定方法存在的缺陷，标定精度高，提高了整个测量系统的测量精度。

技术方案如下：

一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)利用相机拍摄标定板，所述标定板上图案为圆环或圆，标定板坐标系记为Oxyz_cal；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、标定板周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及标定板上图案的圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

6)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据标定板上图案的圆心分别在摄影测量坐标系和标定板坐标系的三维坐标，求出摄影测量坐标系到标定板坐标系的转换矩阵^cal[RT]_phg；

根据标定板上图案的圆心在标定板坐标系和相机坐标系下的三维坐标或利用图像与标定板的单应性关系(要求标定板上至少有4个点)，求出标定板坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_cal；

7)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_cal×^cal[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。

进一步，所述标定板上图案、屏幕上贴的反光标记点、摄影测量系统内的编码点至少存在于摄影测量系统获取的两张图片中。

进一步，所述标定板上图案、屏幕上显示的图案与屏幕上贴反光标记点一样。

进一步，步骤4)中标定板置于相机镜头正前方。

进一步，摄影测量系统包括：一台用于采集图像的智能、高精度专业相机、一套用于测算的系统软件、一套基准尺、一组编码点；使用时，相机从两个或多个位置拍摄基准尺和散布的编码点，获取在不同视角下的图像，系统软件通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(即视差)来获取被测标志点的三维坐标，实现位置/坐标系转换。

一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)在双目相机有效视场内布置若干(>＝3)个圆形或环形反光标志点I，双目相机拍摄该反光标志点I，获得其在相机坐标系下的三维坐标；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、反光标志点I周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及反光标志点I圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

4)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据反光标志点I的圆心分别在摄影测量坐标系和相机坐标系下的坐标，求出摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_phg；

5)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。

本发明提出一种实用的、适合工业现场的高精度屏幕-相机位姿标定方法，克服了传统标定方法存在如下缺陷：

1、利用平面镜进行标定，未考虑到平面镜的平整度，特别是大型平面镜，精度难以保证，引入标定误差，同时，标定过程中需要对平面镜或标定板进行调整，调整精度不易控制。

2、辅助相机拍摄角度受限，采集到的标定图像变形严重，难以在工业现场实现高精度标定。

3、屏幕亮度有限，摄影测量系统无法拍摄得到屏幕显示标定图案或提取到的标定图案圆心精度受限。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，其特征在于包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)利用相机拍摄标定板，具体实施时，标定板可放置于相机镜头的正前方，所述标定板上图案为圆环或圆，标定板坐标系记为Oxyz_cal；优选，标定板上图案、屏幕上显示的图案与屏幕上贴反光标记点一样，方便计算；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、标定板周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及标定板上图案的圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

标定板上图案、屏幕上贴的反光标记点、摄影测量系统内的编码点至少存在于摄影测量系统获取的两张图片中

6)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据标定板上图案的圆心分别在摄影测量坐标系和标定板坐标系的三维坐标，求出摄影测量坐标系到标定板坐标系的转换矩阵^cal[RT]_phg；

根据标定板上图案的圆心在标定板坐标系和相机坐标系下的三维坐标或利用图像与标定板的单应性关系(要求标定板上至少有4个点)，求出标定板坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_cal；

7)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_cal×^cal[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。

作为本发明的另一种实施方式，一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)在双目相机有效视场内布置若干(>＝3)个圆形或环形反光标志点I，双目相机拍摄该反光标志点I，获得其在相机坐标系下的三维坐标；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、反光标志点I周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及反光标志点I圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

4)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据反光标志点I的圆心分别在摄影测量坐标系和相机坐标系下的坐标，求出摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_phg；

5)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。

本标定方法具有如下优点：

1)相较于传统的平面镜标定方法而言，不会引入辅助工具(平面镜平面度)的精度误差。

2)标定过程简单有效，可实现自动化标定，易于推广至工业现场。

3)采用圆或圆环标定图案，特征点提取精度较传统的棋盘格精度更高。

4)相位偏折(PMD)测量系统为实现传感器小型化，往往将屏幕和相机紧凑固连在一起，辅助相机法若想同时采集屏幕显示图案和标定板图案，辅助相机需要与二者之间成很大的夹角进行拍摄，测量相机也需成一定角度拍摄标定板，采集到的图像畸变严重，将严重影响到特征点的提取精度，进一步影响到标定精度。本方法借助于摄影测量系统，可保证测量相机正对标定板进行采图，保证图像质量和提取精度，提高标定精度。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (5)

1.一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，所述屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，其特征在于包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)利用相机拍摄标定板，所述标定板上图案为圆环或圆，标定板坐标系记为Oxyz_cal；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、标定板周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及标定板上图案的圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

6)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据标定板上图案的圆心分别在摄影测量坐标系和标定板坐标系的三维坐标，求出摄影测量坐标系到标定板坐标系的转换矩阵^cal[RT]_phg；

根据标定板上图案的圆心在标定板坐标系和相机坐标系下的三维坐标或利用图像与标定板的单应性关系，求出标定板坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_cal；

7)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_cal×^cal[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。

2.如权利要求1所述基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，其特征在于：所述标定板上图案、屏幕上贴的反光标记点、摄影测量系统内的编码点至少存在于摄影测量系统获取的两张图片中。

3.如权利要求1所述基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，其特征在于：所述标定板上图案、屏幕上显示的图案与屏幕上贴反光标记点一样。

4.如权利要求1所述基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，其特征在于：步骤4)中标定板置于相机镜头正前方。

5.一种基于摄影测量的高精度屏幕-相机位姿标定方法，所述屏幕与相机的相对位置固定，定义屏幕坐标系Oxyz_LCD、相机坐标系Oxyz_cam，其特征在于包括如下步骤：

1)所述屏幕显示有多个圆形或环形的标定图案，确定所述标定图案的圆心在屏幕坐标系Oxyz_LCD下的三维坐标；

2)在所述屏幕上贴多个反光标记点，所述反光标记点为圆形或环形，利用双目测量系统拍摄屏幕显示的标定图案及屏幕上贴的反光标记点，分别计算标定图案、反光标记点在双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标；

3)基于屏幕上同一标定图案在屏幕坐标系Oxyz_LCD及双目测量系统坐标系Oxyz_doucam下的坐标，求取双目测量系统坐标系到屏幕坐标系的转换矩阵^LCD[RT]_doucam；继而求取屏幕上贴反光标记点在屏幕坐标系下的坐标；

4)在双目相机有效视场内布置至少3个圆形或环形反光标志点I，双目相机拍摄该反光标志点I，获得其在相机坐标系下的三维坐标；

5)将摄影测量系统的基准尺、编码点分别放置在屏幕、反光标志点I周围，利用摄影测量系统获取屏幕上贴反光标记点的圆心及反光标志点I圆心在摄影测量系统坐标系Oxyz_phg下的三维坐标；

6)根据屏幕上贴反光标记点的圆心在摄影测量系统下的三维坐标及其在屏幕坐标系下的坐标，求出屏幕坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵^phg[RT]_LCD；

根据反光标志点I的圆心分别在摄影测量坐标系和相机坐标系下的坐标，求出摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵^cam[RT]_phg；

7)计算屏幕坐标系到相机坐标系的转换矩阵：

^cam[RT]_LCD＝^cam[RT]_phg×^phg[RT]_LCD。