CN111981984B - 一种基于双目视觉的旋转轴标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，涉及旋转测量技术领域，利用标定相机在转台正上方标定高精度旋转轴参数，根据双目相机的外参矩阵，把标定相机坐标系下的旋转轴参数转换到测量相机坐标系下，测量相机能够在任意位姿下，根据旋转轴参数重建物体的三维形貌。

Description

一种基于双目视觉的旋转轴标定方法
技术领域
本发明涉及旋转测量技术领域，特别涉及一种基于双目视觉的旋转轴标定方法。
背景技术
近年来，结构光三维成像技术得到迅速发展。旋转测量技术已在军事、工业、医学诊断等领域有着广泛的应用，而旋转测量过程中都需要标定旋转轴参数。
结构光系统一次只能测得物体的一个侧面，为了获得物体完整的空间几何和表面纹理信息，通常需要从物体的不同角度进行测量，从而产生了旋转扫描方式。对于旋转类零件的测量，利用附加的高精度旋转平台来旋转零件，便可以获取完整的表面信息。不同角度测量时的坐标系不同，需要将各角度测得的数据进行必要的坐标转换，将数据统一在同一坐标系中实现最终的三维点云拼接。
在进行旋转轴标定时，现有的标定方法为：标定板或者粘贴标志点跟随转台旋转，相机根据特征点的坐标解算旋转轴参数。如果采用一个相机完成测量，相机既要高精度标定旋转轴参数，又要采集物体三维轮廓重建所需的大量照片，相机的设定角度及位姿极大地限制了旋转轴参数测量及重建形貌的效果，例如可能会造成物体顶部、凹陷处点云数据的缺失，影响逆向工程实施和测量结果分析。旋转平台转轴标定参数的精度会严重影响物体表面测量精度，对保证旋转扫描工件质量非常重要。
针对此现象，本申请提供一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，利用标定相机在转台正上方标定高精度旋转轴参数，根据双目相机的外参矩阵，把标定相机坐标系下的旋转轴参数转换到测量相机坐标系下，测量相机能够在任意位姿下，根据旋转轴参数重建物体的三维形貌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，利用标定相机在转台正上方标定高精度旋转轴参数，根据双目相机的外参矩阵，把标定相机坐标系下的旋转轴参数转换到测量相机坐标系下，测量相机能够在任意位姿下，根据旋转轴参数重建物体的三维形貌。
本发明提供了一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，包括以下步骤：
S1：将棋盘格标定板倾斜固定在旋转台的顶部，并将标定相机设置在旋转台的上方，将测量相机和线激光器设置在旋转台的侧方；
S2：转动所述旋转台，利用所述标定相机和测量相机拍摄若干张所述棋盘格标定板不同姿态的图像；
S3：利用MATLAB软件单目标定箱对所述标定相机和测量相机进行单目标定，得到所述标定相机和测量相机的内参和外参；
S4：计算出任意角度下所述棋盘格标定板上特征点在标定相机坐标系中的三维坐标；
S5：对任一特征点的轨迹圆进行圆心拟合，在轨迹圆每间隔120°的位置进行取点，然后进行圆拟合，利用三点外接圆方法求取圆心坐标；
S6：对若干个外接圆圆心坐标求取均值，得到该特征点的轨迹圆圆心坐标；
S7：通过所有的轨迹圆圆心坐标，利用最小二乘法得出拟合旋转轴的直线参数；
S8：计算所有轨迹圆圆心到拟合直线的距离，借此剔除异常点后重新拟合直线方程，作为旋转轴直线的参数；
S9：利用MATLAB双目标定工具箱标定标定相机和测量相机的外参矩阵(R,T)，任意选取所述标定相机坐标系中旋转轴直线上的两个点，根据公式Pc＝RPl+T计算上述两点在所述测量相机坐标系中的三维坐标，根据转换后的两点坐标，标准化得到转轴的方向向量(m,n,k)和转轴中心(tx,ty,tz)，完成旋转轴参数的标定；
其中，Pl为标定相机坐标系下转轴直线上的点坐标，Pc为测量相机坐标系下转轴直线上的点坐标。
进一步地，所述步骤S2中当所述棋盘格标定板跟随所述旋转台旋转时，每隔17.143°的角度，所述标定相机采集一次所述棋盘格标定板的图像，所述旋转台旋转一周共采集21幅图像。
进一步地，所述步骤S4采用如下公式计算特征点在标定相机坐标系中的三维坐标：
Figure BDA0002656479880000031
其中，RC是相机内部的旋转参数矩阵，TC是相机内部的平移参数矩阵，(XC，YC，ZC)是特征点在相机坐标系下的坐标，(XW，YW)是特征点在棋盘格标定板中的坐标。
进一步地，所述步骤S5采用如下公式求取外接圆的圆心坐标：
Figure BDA0002656479880000032
其中，
A1＝y1z2-y1z3-z1y2+z1y3+y2z3-y3z2；
B1＝-x1z2+x1z3+z1x2-z1x3-x2z3+x3z2；
C1＝x1y2-x1y3-y1x2+y1x3+x2y3-x3y2；
D1＝-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x3y1z2-x2y3z1+x3y2z1；
A2＝y2z3-y2z1-z2y3+z2y1+y3z1-y1z3；
B2＝-x2z3+x2z1+z2x3-z2x1-x3z1+x1z3；
C2＝x2y3-x2y1-y2x3+y2x1+x3y1-x1y3；
D2＝-x2y3z1+x2y1z3+x3y2z1-x1y2z3-x3y1z2+x1y3z2；
A3＝y3z1-y3z2-z3y1+z3y2+y1z2-y2z1；
B3＝-x3z1+x3z2+z3x1-z3x2-x1z2+x2z1；
C3＝x3y1-x3y2-y3x1+y3x2+x1y2-x2y1；
D3＝-x3y1z2+x3y2z1+x1y3z2-x2y3z1-x1y2z3+x2y1z3。
进一步地，所述步骤S7的最小二乘法拟合公式为：
a0+a1xi+a2yi+a3zi＝0 (3)
Figure BDA0002656479880000041
其中，xiyizi(i＝1,2,…,n)是数据集中的坐标，(a0,a1,a2,a3)是直线方程中取的四个参数。
进一步地，所述步骤S8中设置点到直线的阈值为0.005mm，若点到直线的距离大于0.005mm，则将此点作为异常点剔除。
进一步地，应用一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的标定系统，包括：倾斜固定在旋转台表面的棋盘格标定板，所述旋转台上方安装标定相机，所述标定相机用于全周采集所述棋盘格标定板上的特征点轨迹，所述旋转台侧方安装测量相机和激光器，由计算机电连接控制所述旋转台的工作状态，所述计算机电连接所述标定相机和测量相机，用于接收处理拍摄到的图片。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提供了一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，利用了两个相机工作，将标定相机设置在转台上方，测量相机设置在侧方，能够把标定相机标定的旋转轴参数转换到测量相机坐标系中。其中标定相机标定旋转轴参数的结果精度非常高，对后续测量精度提供了有效保证。根据双目标定工具箱标定标定相机和测量相机的外参矩阵，把旋转轴直线上的点坐标转换到测量相机坐标系中，标准化得到实际测量的转轴参数。将双目视觉坐标转换参数方法引入到转轴标定中，使用的直线拟合方式对圆心设置了阈值，采用了阈值法剔除较大偏差点，保证了标定精度，实现了全周采集特征点坐标，特征点运动轨迹拟合得到圆心坐标，进行空间拟合得到旋转轴参数，本发明中的测量相机不受标定轴参数位置的影响，可以设置在适宜进行三维重建的位置，利于测量被测工件的全部形貌。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的旋转轴标定系统图；
图2为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的单目转轴标定特征点拟合圆心结果图；
图3为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的双目转轴标定特征点拟合圆心结果图；
图4为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的有阈值拟合直线图；
图5为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的无阈值拟合直线图；
图6为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的单目转轴标定图；
图7为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的无阈值双目转轴标定图；
图8为本发明实施例提供的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的有阈值双目转轴标定图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
目前现有技术中的旋转轴标定方法主要包括侧方转轴标定法、全周转轴标定法、顶部旋转轴标定法三类方法。
(1)侧方转轴标定法
相机与标定板大致处于同一水平位置，标定板垂直固定于转台上，转动转台，每旋转一定角度拍摄一张图像。从位置1到位置N拍摄的图像必须保证标定板上的方格在摄像机视场范围内，其中q1至qn是标定板上某一角点的运动轨迹。通过对方格角点的坐标进行空间圆拟合，根据最小二乘法拟合得到旋转轴参数。此方法由于只利用了某一圆弧上面的点位来拟合圆心坐标，产生的误差较大。
(2)全周转轴标定法
制作透明标定板，竖直固定在旋转台正中央，标定板跟随旋转台旋转360度，相机在侧方拍摄所需要的图像，根据特征点的轨迹拟合旋转轴轴参数。这种方法存在标定板材质折射的误差，且当标定板旋转到与相机视角垂直时，存在采集特征点的盲区。
(3)顶部旋转轴标定
相机设置在顶部，标定板倾斜放置在旋转台上，可以实现标定板的全周运动采集，并且获得高精度的旋转轴参数。但是对于测量物体而言，只是使用一个相机且在转台上方，在测量物体时不方便，很难满足实际测量需求。
如果相机放置于侧面，则只能拍摄标定板在一定旋转角度内的图像，大大降低了旋转轴标定的精度。在实际测量中，相机既要标定高精度旋转轴参数，又要采集物体三维重建轮廓所需的大量照片，相机的设定角度及位姿极大地限制了重建形貌的效果，例如可能会造成物体顶部、凹陷处点云数据的缺失，影响逆向工程实施和测量结果分析。因此采用双目相机标定、测量的方法更加符合实际测量的需求。
参照图1-8，本发明提供了一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，包括以下步骤：
S1：将棋盘格标定板倾斜固定在旋转台的顶部，并将标定相机设置在旋转台的上方，将测量相机和线激光器设置在旋转台的侧方，其中，所述标定板棋盘格的图案必须处于所述标定相机和测量相机的视场范围内；
S2：转动所述旋转台，利用所述标定相机和测量相机拍摄若干张所述棋盘格标定板不同姿态的图像；
S3：利用MATLAB软件单目标定箱对所述标定相机和测量相机进行单目标定，得到所述标定相机和测量相机的内参和外参，进行此标定的目的是在试件测量时，激光器和两个相机组成的系统都能够实现物体轮廓的测量，则测量相机系统测量的点云空洞可利用上方相机系统测量的点云进行补充；
S4：计算出任意角度下所述棋盘格标定板上特征点(即标定板上的黑白格角点)在标定相机坐标系中的三维坐标；
S5：对任一特征点的轨迹圆进行圆心拟合，在轨迹圆每间隔120°的位置进行取点，然后进行圆拟合，利用三点外接圆方法求取圆心坐标；
S6：对若干个外接圆圆心坐标求取均值，得到该特征点的轨迹圆圆心坐标；
S7：通过所有的轨迹圆圆心坐标，利用最小二乘法得出拟合旋转轴的直线参数；
S8：计算所有轨迹圆圆心到拟合直线的距离，借此剔除异常点后重新拟合直线方程，作为旋转轴直线的参数；
S9：利用MATLAB双目标定工具箱标定标定相机和测量相机的外参矩阵(R,T)，任意选取所述标定相机坐标系中旋转轴直线上的两个点，根据公式Pc＝RPl+T计算上述两点在所述测量相机坐标系中的三维坐标，根据转换后的两点坐标，标准化得到转轴的方向向量(m,n,k)和转轴中心(tx,ty,tz)，完成旋转轴参数的标定；
其中，Pl为标定相机坐标系下转轴直线上的点坐标，Pc为测量相机坐标系下转轴直线上的点坐标。
实施例1
所述步骤S2中当所述棋盘格标定板跟随所述旋转台旋转时，每隔17.143°的角度，所述标定相机采集一次所述棋盘格标定板的图像，所述旋转台旋转一周共采集21幅图像。
实施例2
所述步骤S4采用如下公式计算特征点在标定相机坐标系中的三维坐标：
Figure BDA0002656479880000081
其中，RC是相机内部的旋转参数矩阵，TC是相机内部的平移参数矩阵，(XC，YC，ZC)是特征点在相机坐标系下的坐标，(XW，YW)是特征点在棋盘格标定板中的坐标。
实施例3
利用同一特征点在各个旋转角度下的坐标，所述步骤S5采用如下公式求取外接圆的圆心坐标(x0,y0,z0)：
Figure BDA0002656479880000082
其中，
A1＝y1z2-y1z3-z1y2+z1y3+y2z3-y3z2；
B1＝-x1z2+x1z3+z1x2-z1x3-x2z3+x3z2；
C1＝x1y2-x1y3-y1x2+y1x3+x2y3-x3y2；
D1＝-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x3y1z2-x2y3z1+x3y2z1；
A2＝y2z3-y2z1-z2y3+z2y1+y3z1-y1z3；
B2＝-x2z3+x2z1+z2x3-z2x1-x3z1+x1z3；
C2＝x2y3-x2y1-y2x3+y2x1+x3y1-x1y3；
D2＝-x2y3z1+x2y1z3+x3y2z1-x1y2z3-x3y1z2+x1y3z2；
A3＝y3z1-y3z2-z3y1+z3y2+y1z2-y2z1；
B3＝-x3z1+x3z2+z3x1-z3x2-x1z2+x2z1；
C3＝x3y1-x3y2-y3x1+y3x2+x1y2-x2y1；
D3＝-x3y1z2+x3y2z1+x1y3z2-x2y3z1-x1y2z3+x2y1z3。
共得到7个圆心坐标，将此7个圆心坐标取均值，得到该特征点的轨迹圆圆心坐标。由于棋盘格标定板存在若干行和列的特征点，对每一个特征点的轨迹进行拟合计算都可以得到一个圆心坐标。
为避免相机畸变、转台机械振动等影响因素造成的测量误差，用于拟合圆心的三个点分别在角点旋转轨迹上间隔120°。由于每个特征点会拟合出多个圆心，计算多个圆心坐标的平均值作为特征点轨迹最终中心点，极大提高了算法的鲁棒性。
实施例4
多个特征点的最终轨迹中心坐标形成了一个数据集，线性最小二乘法可以计算坐标到拟合直线方程式(3)的最小误差的平方和，接着根据式(4)得到转轴直线方程的系数(a0,a1,a2,a3)的最优解。
所述步骤S7的最小二乘法拟合公式为：
a0+a1xi+a2yi+a3zi＝0 (3)
Figure BDA0002656479880000101
其中，xiyizi(i＝1,2,…,n)是数据集中的坐标，
Figure BDA0002656479880000102
是直线方程中取的四个参数。通过所有的轨迹圆圆心坐标，利用最小二乘法拟合旋转轴直线参数。
实施例5
所述步骤S8中设置点到直线的阈值为0.005mm，若点到直线的距离大于0.005mm，则将此点作为异常点剔除。在线性拟合旋转轴参数过程中，有时轨迹中心点偏离直线距离过大。为了确保直线拟合的精度。设置了点到直线的阈值为0.005mm，将点到直线的距离与阈值相比较去除异常点。保留距离小于阈值的点，重新用于拟合直线方程。设置阈值后用于拟合轴线的特征点更加集中在轴线周围，使得轴线参数更加接近真实值。
实施例6
参照图1，应用一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的标定系统，包括：
倾斜固定在旋转台表面的棋盘格标定板，所述旋转台上方安装标定相机，所述标定相机用于全周采集所述棋盘格标定板上的特征点轨迹，高精度获取转台旋转轴的参数，双目视觉转换技术可以实现旋转轴参数在相机坐标系中的转换，所述旋转台侧方安装测量相机和激光器，由计算机电连接控制所述旋转台的工作状态，所述计算机电连接所述标定相机和测量相机，用于接收处理拍摄到的图片。所述激光器在旋转轴标定过程中不产生作用，在测量物体的三维形貌时需要用到所述激光器，所述激光器和测量相机组成一个测量系统，所述激光器和标定相机组成另一个测量系统，在旋转轴标定完成后实现对物体的三维测量。在测量中，以所述激光器与测量相机组成的测量系统为主，以所述标定相机与激光器组成的测量系统为辅。包含所述测量相机的测量系统所得到的点云有空洞时可利用包含所述标定相机的测量系统进行补充。所述标定相机和测量相机的拍摄角度不同，拍摄图像相互进行补充。
实施例7
参照图2-8，为了验证双目视觉转换旋转轴标定的精度，实验对比了两种标定方法的结果。图2显示了单目标定法利用一定旋转角度范围内特征点拟合圆心的结果，图3显示了本文提出的双目标定方法由全周特征点拟合圆心的结果。图2中的坐标轴为相机坐标系，单位为mm；图3中的坐标轴为双目相机中标定相机坐标系，单位为mm。
根据双目视觉标定方法得到多个圆心，图4、图5分别为无阈值、有阈值的轴线拟合结果。设置阈值后用于拟合轴线的特征点更加集中轴线上，使得轴线参数更加接近真实值。旋转轴线是一条空间直线，为了看清点与直线的关系，此图为点和直线投影到某个面上的结果，横纵坐标单位为mm。
通过实验数据的计算，图6显示了单目转轴标定中各轨迹点圆心与拟合轴线的标准偏差为0.1051，如图7所示，本发明提出标定方法中各未设阈值各轨迹点圆心到直线拟合的标准偏差为0.0026，图8显示了去除偏差较大点后的标准偏差为0.0014。数据对比可知，本发明提出设置阈值双目视觉转轴标定方法拟合轴线的偏差远低于单目标定方法，设置阈值后用于拟合轴线的特征点更加集中轴线上，使得轴线参数更加接近真实值，转轴标定精度有了明显的提高，能够用于测量要求较高的轴类物体的三维重建，相较于单目转轴标定方法应用范围更广。图6-8中横坐标为特征点最终轨迹圆心序号，纵坐标为圆心与拟合轴线的标准偏差，纵坐标单位为mm。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将棋盘格标定板倾斜固定在旋转台的顶部，并将标定相机设置在旋转台的上方，将测量相机和线激光器设置在旋转台的侧方；
S2：转动所述旋转台，利用所述标定相机和测量相机拍摄若干张所述棋盘格标定板不同姿态的图像；
S3：利用MATLAB软件单目标定箱对所述标定相机和测量相机进行单目标定，得到所述标定相机和测量相机的内参和外参；
S4：计算出任意角度下所述棋盘格标定板上特征点在标定相机坐标系中的三维坐标；
S5：对任一特征点的轨迹圆进行圆心拟合，在轨迹圆每间隔120°的位置进行取点，然后进行圆拟合，利用三点外接圆方法求取圆心坐标；
S6：对若干个外接圆圆心坐标求取均值，得到该特征点的轨迹圆圆心坐标；
S7：获得所有特征点的轨迹圆圆心坐标，利用最小二乘法得出拟合旋转轴的直线参数；
S8：计算所有轨迹圆圆心到拟合直线的距离，借此剔除异常点后重新拟合直线方程，作为旋转轴直线的参数；
S9：利用MATLAB双目标定工具箱标定标定相机和测量相机的外参矩阵(R,T)，任意选取所述标定相机坐标系中旋转轴直线上的两个点，根据公式Pc＝RPl+T计算上述两点在所述测量相机坐标系中的三维坐标，根据转换后的两点坐标，标准化得到转轴的方向向量(m,n,k)和转轴中心(tx,ty,tz)，完成旋转轴参数的标定；
其中，Pl为标定相机坐标系下转轴直线上的点坐标，Pc为测量相机坐标系下转轴直线上的点坐标；
所述步骤S2中当所述棋盘格标定板跟随所述旋转台旋转时，每隔17.143°的角度，所述标定相机采集一次所述棋盘格标定板的图像，所述旋转台旋转一周共采集21幅图像；
所述步骤S5采用如下公式求取外接圆的圆心坐标：
Figure FDA0003566635490000021
其中，
A1＝y1z2-y1z3-z1y2+z1y3+y2z3-y3z2；
B1＝-x1z2+x1z3+z1x2-z1x3-x2z3+x3z2；
C1＝x1y2-x1y3-y1x2+y1x3+x2y3-x3y2；
D1＝-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x3y1z2-x2y3z1+x3y2z1；
A2＝y2z3-y2z1-z2y3+z2y1+y3z1-y1z3；
B2＝-x2z3+x2z1+z2x3-z2x1-x3z1+x1z3；
C2＝x2y3-x2y1-y2x3+y2x1+x3y1-x1y3；
D2＝-x2y3z1+x2y1z3+x3y2z1-x1y2z3-x3y1z2+x1y3z2；
A3＝y3z1-y3z2-z3y1+z3y2+y1z2-y2z1；
B3＝-x3z1+x3z2+z3x1-z3x2-x1z2+x2z1；
C3＝x3y1-x3y2-y3x1+y3x2+x1y2-x2y1；
D3＝-x3y1z2+x3y2z1+x1y3z2-x2y3z1-x1y2z3+x2y1z3；
所述步骤S8中设置点到直线的阈值为0.005mm，若点到直线的距离大于0.005mm，则将此点作为异常点剔除。
2.如权利要求1所述的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤S4采用如下公式计算特征点在标定相机坐标系中的三维坐标：
Figure FDA0003566635490000031
其中，RC是相机内部的旋转参数矩阵，TC是相机内部的平移参数矩阵，(XC，YC，ZC)是特征点在相机坐标系下的坐标，(XW，YW)是特征点在棋盘格标定板中的坐标。
3.如权利要求1所述的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤S7的最小二乘法拟合公式为：
a0+a1xi+a2yi+a3zi＝0 (3)
Figure FDA0003566635490000032
其中，( xi，yi，zi) ，i＝1，2，…n是数据集中的坐标， a0,a1,a2,a3 是直线方程中取的四个参数。
4.应用于权利要求1所述的一种基于双目视觉的旋转轴标定方法的标定系统，其特征在于，包括：倾斜固定在旋转台表面的棋盘格标定板，所述旋转台上方安装标定相机，所述标定相机用于全周采集所述棋盘格标定板上的特征点轨迹，所述旋转台侧方安装测量相机和激光器，由计算机电连接控制所述旋转台的工作状态，所述计算机电连接所述标定相机和测量相机，用于接收处理拍摄到的图片。
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