CN111275770A - 基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，首先，分别获取两个双目立体视觉系统视场内一维靶标上标记点的三维坐标，并利用角度传感器测得特定靶标图像拍摄时的角度间隔；其次，根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和顶点坐标；然后，利用测得的角度间隔，计算两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差；最后，根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，计算两个双目立体视觉系统坐标系间的旋转平移关系，完成全局标定。该发明无需立体视觉系统间有公共视场，且操作方便，标定速度快，精度高，有较强的实用性。

Description

基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法

技术领域

本发明涉及立体视觉技术领域，具体涉及一种基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法。

背景技术

在利用摄像机进行立体视觉标定时，常常会有视场范围的限制，相机之间不存在或只存在很小的重叠视场，特别是针对高精度、大视场的工业测量，通常需要多个相机组建一个具有更大视场范围的测量系统，如何对非重叠视场的相机进行高精度的全局标定就成为了多相机测量系统的关键。

目前，多采用的全局标定方法有：

(1)借助高精度的经纬仪或激光跟踪仪等三维测量设备，直接获得各相机的空间位置，从而将所有相机坐标系统一到同一坐标系下。此方法能达到较高的精度，但是操作过程十分繁琐，常常在可利用空间较小的工业测量现场有很大的局限性；

(2)利用光学特性，如光的折射，建立相应的折射模型，但需要覆盖标定目标的同一区域；或通过镜面的反射，间接观测公共靶标，但标定精度会随着相机间距离的增加而下降；

(3)重构大平面标定物，获取每个小靶标中的局部特征信息，根据小靶标间的相对位置关系，计算各相机间的变换矩阵，但求解中需要获取靶标的多场景信息，且标定结果不够稳定；

(4)通过跟踪移动的目标，计算目标退出相机视场和进入另一个相机视场的时间差，从而得到两相机间的位置关系，但标定时需要更多的场景信息，这在工业测量中往往难以获取，并且精度仍需要提高。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，旨在解决现有全局标定技术存在的操作繁琐、测量视场局限性大等问题。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，所述方法包括以下步骤，

(1)、分别获取两个双目立体视觉系统视场内一维靶标上标记点的三维坐标，并利用角度传感器获得特定靶标图像拍摄时的角度间隔；

(2)、根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和圆锥顶点坐标；

(3)、利用测得的角度间隔，计算两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差；

(4)、根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，把第二个双目立体视觉系统采集的标记点三维坐标通过旋转平移变换，转换到第一个双目立体视觉系统坐标系下。

优选的，所述步骤(2)中根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，双目立体视觉系统采集的各相位标记点均在锥面上，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和圆锥顶点坐标，具体包括以下步骤：

(2.1)、在第一个双目立体视觉系统内选取9个均匀分布的标记点，粗拟合圆锥求解锥面方程的9个参数，求得圆锥轴线

和圆锥顶点O_c1的初始解；

(2.2)、通过Levenberg-Marquardt优化算法，将该系统内所有标记点带入目标函数，使得点到拟合锥面的距离之和最小，得到优化后的圆锥轴线

和圆锥顶点O₁；

(2.3)、对第二个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，根据步骤(2.1)和(2.2)，同理可得圆锥轴线

和圆锥顶点O₂。

优选的，所述步骤(3)中利用角度传感器获得的角度间隔记为

第i号相位在第一个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_i，第j号相位在第二个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_j，两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差记为

则

优选的，所述步骤(4)中根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，把第二个双目立体视觉系统中的标记点三维坐标通过旋转平移变换，转换到第一个双目立体视觉系统坐标系下，实现两个双目立体视觉系统的统一，从而完成全局标定，具体包括以下步骤：

(4.1)、把

旋转至与

平行，其旋转矩阵记为R₁；

(4.2)、把O₂平移至与O₁重合，其平移矩阵记为T；

(4.3)、把第二个双目立体视觉系统坐标系绕第一个双目立体视觉系统的圆锥轴线旋转

其旋转矩阵记为R₂；

(4.4)、综合上述步骤，第二个双目立体视觉系统中任一标记点三维齐次坐标

转换到第一个双目立体视觉系统坐标系的齐次坐标记为P_ij′：P_ij′＝R₂[R₁，T]P_ij。

与现有技术相比，本发明的优点是：

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的工作流程图。

图2为本发明实施例中设计的一维靶标图像。

图3为本发明实施例中整体装置示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本实施例中实验环境由某直升机研究所提供，选取直升机刚性桨叶中的其中一片作为一维靶标，具体实施方案如下：

(1)分别获取两个双目立体视觉系统视场内一维靶标上标记点的三维坐标，并利用角度传感器获得特定靶标图像拍摄时的角度间隔，具体包括以下步骤：

(1.1)安装角度传感器，确定测量视场，根据桨叶长度，在桨叶下方的承重台上布置双目立体视觉系统。本实施例中桨叶长度为2.1m，相机置于桨叶下方5m处，每个双目立体视觉系统的视场大小为4.6m*2.3m，两个双目立体视觉系统能够覆盖整个旋翼视场；

(1.2)标记点设计，本实施例中采用对噪声不敏感的圆形标记点，其大小和间距在能够满足定位精度的前提下尽可能小，这样可以在一维靶标上多布置一些标记点，增加有效数据量，从而提高标定精度。本实施例中的标记点设计如图2所示，标记点贴于桨叶1/4弦线位置上，标记点直径为44mm，两标记点间间距为90mm，共布置18个标记点；

(1.3)标定高速摄像机，确定每组相机间立体视觉标定参数；

(1.4)通过倍频装置等间隔采集桨叶旋转运动图像，存入计算机，桨叶旋转示意图如图3所示，O为桨毂中心位置，{l₁，l₂，...，l_m}为桨叶旋转时所在位置，{p₁₁，p₂₁，...，p_n1，...，p_nm}为标记点所在位置。本实施例中桨叶转速50rpm，桨叶每间隔20度采集一次旋翼图像，桨叶旋转一圈共采集18个位置；

(1.5)对桨叶图像进行处理，提取圆心像素坐标，并利用步骤(1.3)得到的标定参数，计算四目立体视觉系统各子系统视场内的标记点三维坐标；

(1.6)对标记点三维信息进行预处理，本实施例通过采集100圈桨叶旋转运动图像以消除随机误差。首先将同一位置下相同标记点的100个坐标值按从小到大的顺序进行排序，剔除前20％和后20％，将剩余60％数据的平均值作为该标记点的坐标值；

(2)根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，双目立体视觉系统采集的各相位标记点均在锥面上，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和圆锥顶点坐标，具体包括以下步骤：

(2.1)在第一个双目立体视觉系统内选取9个均匀分布的标记点，粗拟合圆锥求解锥面方程的9个参数，求得第一个双目立体视觉系统的圆锥轴线

和圆锥顶点O_c1的初始解，过程如下：

设圆锥轴线初始解

圆锥顶点初始解O_c1(x₁，y₁，z₁)，则其方程可表示为：

设圆锥母线方程为：

联立公式(1)和公式(2)，可得锥面方程：

F₁(x，y，z)＝0# (3)

(2.2)通过Levenberg-Marquardt优化算法，将该系统内所有标记点带入目标函数，使得点到拟合锥面的距离之和最小，得到优化后的圆锥轴线

和圆锥顶点O₁；

(2.3)对第二个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，根据步骤(2.1)和(2.2)，同理可得圆锥轴线

和圆锥顶点O₂。

(3)利用角度传感器获得的角度间隔，计算两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差。其中，角度间隔记为

第i号相位在第一个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_i，第j号相位在第二个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_j，两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差记为

则

本实施例中，选取第8个相位和第11个相位作为特定相位，即两相位间的隔间

再根据步骤(1)得到的标记点三维坐标，计算得出

(4)根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，把第二个双目立体视觉系统中的标记点三维坐标通过旋转平移变换，转换到第一个双目立体视觉系统坐标系下，实现两个双目立体视觉系统的统一，从而完成全局标定，具体包括以下步骤：

(4.1)把

旋转至与

平行，其旋转矩阵记为R₁，本实施例中

(4.2)把O₂平移至与O₁重合，其平移矩阵记为T，本实施例中T＝(-175.960，2496.628，4.296)；

(4.3)把第二个双目立体视觉系统坐标系绕第一个双目立体视觉系统的圆锥轴线旋转

其旋转矩阵记为R₂，本实施例中

(4.4)综合上述步骤，第二个双目立体视觉系统中任一标记点三维齐次坐标

转换到第一个双目立体视觉系统坐标系的齐次坐标记为P_ij′：P_ij′＝R₂[R₁，T]P_ij。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，

(1)、分别获取两个双目立体视觉系统视场内一维靶标上标记点的三维坐标，并利用角度传感器获得特定靶标图像拍摄时的角度间隔；

(2)、根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和圆锥顶点坐标；

(3)、利用测得的角度间隔，计算两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差；

(4)、根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，把第二个双目立体视觉系统采集的标记点三维坐标通过旋转平移变换，转换到第一个双目立体视觉系统坐标系下。

2.根据权利要求1所述的基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，其特征在于：所述步骤(2)中根据一维靶标旋转运动形成的圆锥特性，双目立体视觉系统采集的各相位标记点均在锥面上，分别对两个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，计算圆锥轴线方向和圆锥顶点坐标，具体包括以下步骤：

(2.1)、在第一个双目立体视觉系统内选取9个均匀分布的标记点，粗拟合圆锥求解锥面方程的9个参数，求得圆锥轴线

和圆锥顶点O_c1的初始解；

(2.2)、通过Levenberg-Marquardt优化算法，将该系统内所有标记点带入目标函数，使得点到拟合锥面的距离之和最小，得到优化后的圆锥轴线

和圆锥顶点O₁；

(2.3)、对第二个双目立体视觉系统采集的标记点进行圆锥拟合，根据步骤(2.1)和(2.2)，同理可得圆锥轴线

和圆锥顶点O₂。

3.根据权利要求1所述的基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用角度传感器获得的角度间隔记为

第i号相位在第一个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_i，第j号相位在第二个双目立体视觉系统坐标系中的方位角记为θ_j，两个双目立体视觉系统在垂直圆锥轴线方向的角度偏差记为

则

4.根据权利要求1所述的基于一维靶标旋转运动的四目立体视觉系统全局标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据两个锥面物理上属于同一个锥面的关系，把第二个双目立体视觉系统中的标记点三维坐标通过旋转平移变换，转换到第一个双目立体视觉系统坐标系下，实现两个双目立体视觉系统的统一，从而完成全局标定，具体包括以下步骤：

(4.1)、把

旋转至与

平行，其旋转矩阵记为R₁；

(4.2)、把O₂平移至与O₁重合，其平移矩阵记为T；

(4.3)、把第二个双目立体视觉系统坐标系绕第一个双目立体视觉系统的圆锥轴线旋转

其旋转矩阵记为R₂；

(4.4)、综合上述步骤，第二个双目立体视觉系统中任一标记点三维齐次坐标

转换到第一个双目立体视觉系统坐标系的齐次坐标记为P_ij′：P_ij′＝R₂[R₁，T]P_ij。

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