CN112465914B - 基于非共同视场下的相机阵列标定方法 - Google Patents

基于非共同视场下的相机阵列标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非共同视场下的相机阵列标定方法，涉及非接触式光学测量领域。具体包括搭建相机阵列系统；调整标定板位置，拍摄标定板图片；分别对相机组进行标定，得到相机各自的相对空间关系变换矩阵；通过标定结果进行坐标转换；对标定结果进行验证。本方法的优点在于以双相机作为一个相机组，通过含有共同视场的相机组建立空间约束关系，借由理论分析并推导出非共同视场下相机之间的空间关系转换矩阵，提出一种可以利用多次标定结果和多台相机的相对空间位置关系矩阵等要素实现针对大型柔性结构非共同视场下相机阵列的标定方法。

Description

基于非共同视场下的相机阵列标定方法
技术领域
本发明涉及非接触式光学测量领域，尤其涉及一种基于非共同视场下的相机阵列标定方法。
背景技术
在数字图像相关方法以及三维形变重建中，相机标定发挥的作用极为重要，标定结果对三维重建和结构变形都有直接影响。传统的单目或双目相机系统都受到一定的视场范围限制，为了满足大型柔性结构的工业测量要求，通常需要多个相机组建一个具有更大视觉空间范围的相机阵列。当采用多相机组成的测量系统对大型工件进行非接触测量时，由于工件尺寸大，相机之间不存在或只存在很小的共同视场，现有的解决方法多需要去求解标定靶标之间的位置空间关系，实用性较低并且会引入附加系统误差，因此，如何对非共同视场的相机阵列进行高精度的全局标定就成为了一个亟需解决的实际工程问题。
发明内容
本发明的目的在于利用多次标定结果和多台相机的相对空间位置关系矩阵等要素实现针对大型柔性结构非共同视场下相机阵列的标定方法。
为达到上述技术目的，本发明提供一种基于非共同视场下的相机阵列标定方法，包括以下步骤：
(1)将n台相机搭建成相机阵列系统，调整相机相互的位置角度，使得n台相机中相邻的两台相机存在共同视场并构成一个相机组，其中n≥3；
(2)调整标定板的位置，使得标定板分别在各个相机组的共同视场内可见，分别拍摄各相机组共同视场范围中的标定板图像；
(3)利用相机标定程序分别对上述标定板图像进行处理，完成各个相机的标定，得到n台相机各自的相对空间关系变换矩阵[Rn Tn]；
(4)结合上述的标定结果与相机组中双相机的共同视场范围条件，首先计算出含有共同视场下的各个相机组之间的空间关系转换矩阵，之后由于各个相机组的相对空间位置关系稳定不变，根据基于相邻相机之间的空间约束条件推导出非共同视场下，即非相邻相机之间的空间关联参数矩阵，通过迭代运算建立任意非共同视场下两台相机的相对空间转换关系；
(5)选取相机组中的一台相机作为基准相机，所述基准相机的光心坐标系作为全局坐标系，将相机阵列中其他相机的光心坐标系通过之前建立的空间转换关系统一至全局坐标系，完成非共同视场下相机阵列的标定。
优选的，步骤(1)中，将n台相机分别安装于三角支架上，并与同步触发器以及计算机采集系统相连接，搭建相机阵列系统。
优选的，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)将标定板分别置于各个相机组的共同视场内，通过放大计算机图像采集画面，调整相机的光圈和焦距，使得采集画面中的标定板上的特征点清晰可见，无模糊现象；
(22)取标定板上左上角点为标定板空间坐标原点，原点经过的横向格线为该空间位置下的X轴，原点经过的纵向格线为该空间位置下的Y轴，原点所在的垂直于标定板平面的直线为该空间位置下的Z轴，所述标定板的正平面在各个相机组的共同视场范围内，将标定板在空间内分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转预设角度，每次旋转后利用同步触发器及计算机采集系统进行图片抓取，获取在各个相机组的共同视场范围中的标定板不同姿态下的图片，并将上述图片保存至计算机；
(23)对拍摄到的图片进行去噪处理，并对图片进行统一编号。
优选的，所述步骤(3)中使用相机标定程序，分别对所有的相机进行标定，调节各个相机的重投影误差小于0.05，得到n台相机各自的空间关系变换矩阵[Rn Tn]；
共同视场下的各相机组的空间关系：
Figure BDA0002794044220000021
上式中分别消去S1、S2、…、Sn-1可以得到：
Figure BDA0002794044220000022
Figure BDA0002794044220000031
其中，B对应标定板上特征点的相机光心坐标，R是相机的空间旋转矩阵，T是相机的空间平移矩阵，其下标对应相机编号，上标#用以区分同一台相机在相邻两个不同的相机组中的空间转换矩阵，S对应标定板上特征点的世界坐标，其下标对应相机组编号。
进一步优选的，根据得到的n-1个相机组之间的相对空间转换关系，由于相邻的两台相机存在共同视场且相对空间位置关系不变，推导出非共同视场下的相机的相对空间转换关系：
Figure BDA0002794044220000032
结合共同视场下的各相机组的空间关系和非共同视场下的相机的相对空间转换关系，建立出相机阵列中任意两台相机之间的空间转换关系。
有益效果
本发明以双相机作为一个相机组，通过含有共同视场的相机组建立空间约束关系，借由理论分析并推导出非共同视场下相机之间的空间关系转换矩阵，提出一种可以利用多次标定结果和多台相机的相对空间位置关系矩阵等要素获得相机阵列中非共同视场下的相机之间的位置关系的标定方法，能够实现针对大型柔性结构的全场非接触测量，具有实际的工程意义。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明提供的试验场景示意图；
图3是本发明采集到的清晰标定板图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种基于非共同视场下的相机阵列标定方法，包括以下步骤，如图1所示：
将n台相机搭建成相机阵列系统，调整相机相互的位置角度，使得n台相机中相邻的两台相机存在共同视场并构成一个相机组，其中n≥3，如图2所示；
调整标定板的位置，使得标定板分别在各个相机组的共同视场内可见，分别拍摄各相机组共同视场范围中的标定板图像；
利用相机标定程序分别对上述标定板图像进行处理，完成各个相机的标定，得到n台相机各自的相对空间关系变换矩阵[Rn Tn]；
结合上述的标定结果与相机组中双相机的共同视场范围条件，首先计算出含有共同视场下的各个相机组之间的空间关系转换矩阵，之后由于各个相机组的相对空间位置关系稳定不变，根据基于相邻相机之间的空间约束条件推导出非共同视场下，即非相邻相机之间的空间关联参数矩阵，通过迭代运算建立任意非共同视场下两台相机的相对空间转换关系；
选取相机组中的一台相机作为基准相机，所述基准相机的光心坐标系作为全局坐标系，将相机阵列中其他相机的光心坐标系通过之前建立的空间转换关系统一至全局坐标系，完成非共同视场下相机阵列的标定。
具体实施例，以三台相机为例，搭建一定视场范围内的相机阵列，利用本发明提出的方法计算出<1,3>相机组的空间关系矩阵数值，并与直接在共同视场下常规标定所得到的<1,3>相机组的空间关系矩阵数值进行对比。
步骤1，将三台相机分别安装于相机三角支架上，并与同步触发器以及计算机采集系统相连接，搭建相机阵列系统。根据计算机采集系统显示的相机视场范围，调整三台相机相互的位置角度，使得三台相机中相邻的两台相机有一定的共同视场并构成一个相机组，分别对三台相机编号为1，2，3。
步骤2，调整光源以及标定板的位置，使得标定板分别在各个相机组(<1,2>、<2,3>，共2个相机组)的共同视场内清晰可见，分别拍摄各相机组视场范围中的标定板图像Image 1、Image 2，并将图像保存至计算机，所述Image 1、Image 2内均含有20组(共40张)不同姿态下的标定板图像，具体包括以下步骤：
(21)将标定板分别置于各个相机组的共同视场内，通过放大计算机图像采集画面，调整相机光圈和焦距等参数，使得采集画面中的标定板上的特征点清晰可见，无模糊现象，如图3所示；
(22)取标定板上左上角点为标定板空间坐标原点，原点经过的横向格线为该空间位置下的X轴，原点经过的纵向格线为该空间位置下的Y轴，原点所在的垂直于标定板平面的直线为该空间位置下的Z轴，在保证标定板正平面能够一直保持在各个相机组视场范围下的前提下，分别将标定板在空间内绕X轴、Y轴、Z轴旋转一定角度，每次旋转后利用同步触发器及计算机采集系统进行图片抓取，获取各个相机组视场范围中的标定板图像Image 1、Image 2，并将图像保存至计算机，每个相机组在共同视场下至少拍摄20组(共40张)标定板不同姿态下的图片；
(23)对拍摄到的图片进行预处理，删除不符合标准，如模糊，残缺的图片，并对图片进行统一编号处理。
步骤3，利用步骤2拍摄得到的标定板的图片结合编写的相机标定程序对相机进行标定，最后进行相对空间关系转化，具体包括以下步骤：
(31)使用相机标定程序，分别对所有的相机进行标定，并调节各个相机组的重投影误差小于0.05，分别得到三台相机各自的空间关系变换矩阵[R1 T1]、[R2 T2]、[R2 #T2 #]、[R3 T3]，首先可以得到含有共同视场下的各相机组的空间关系：
Figure BDA0002794044220000051
Figure BDA0002794044220000052
上式中分别消去S1、S2可以得到：
Figure BDA0002794044220000053
Figure BDA0002794044220000054
其中，B对应标定板上特征点的相机光心坐标，R是相机的空间旋转矩阵，T是相机的空间平移矩阵，其下标对应相机编号，上标#用以区分同一台相机在相邻两个不同的相机组中的空间转换矩阵，S对应标定板上特征点的世界坐标，其下标对应相机组编号；
(32)根据(31)结果可以得到2个相机组之间的相对空间转换关系，根据相机阵列的特点，基于相邻相机之间的空间约束条件可以推导出非共同视场下<1,3>相机组的相对空间转换关系：
Figure BDA0002794044220000055
再利用共同视场下常规标定方法计算<1,3>相机组的空间关系矩阵并进行对比，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002794044220000056
Figure BDA0002794044220000061
(33)根据(31)(32)结果，可以建立相机阵列中任意两台相机之间的空间转换关系，根据实际试验需要，可以选取相机1作为基准相机，该相机的光心坐标系作为全局坐标系，将相机阵列中相机2与相机3的光心坐标系通过之前建立的空间转换关系统一至全局坐标系，完成非共同视场下相机阵列的标定。
表1为n＝3时，本发明提出的方法计算的<1,3>相机组的空间关系矩阵数值与直接在共同视场下常规标定所得到的<1,3>相机组的空间关系矩阵数值对比，可以看到，数值误差在可接受的范围以内，满足试验要求，该结果证实了本发明用于实际针对大型柔性结构非共同视场下的相机阵列标定分析的可行性与有效性。
显然，所描述的实施例仅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的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于非共同视场下的相机阵列标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将n台相机搭建成相机阵列系统，调整相机相互的位置角度，使得n台相机中相邻的两台相机存在共同视场并构成一个相机组，其中n≥3；
(2)调整标定板的位置，使得标定板分别在各个相机组的共同视场内可见，分别拍摄各相机组共同视场范围中的标定板图像；
(3)利用相机标定程序分别对上述标定板图像进行处理，完成各个相机的标定，得到n台相机各自的相对空间关系变换矩阵[Rn Tn]；
(4)结合上述的标定结果与相机组中双相机的共同视场范围条件，首先计算出含有共同视场下的各个相机组之间的空间关系转换矩阵，之后由于各个相机组的相对空间位置关系稳定不变，根据基于相邻相机之间的空间约束条件推导出非共同视场下，即非相邻相机之间的空间关联参数矩阵，通过迭代运算建立任意非共同视场下两台相机的相对空间转换关系；
(5)选取相机组中的一台相机作为基准相机，所述基准相机的光心坐标系作为全局坐标系，将相机阵列中其他相机的光心坐标系通过之前建立的空间转换关系统一至全局坐标系，完成非共同视场下相机阵列的标定。
2.根据权利要求1所述基于非共同视场下的相机阵列标定方法，其特征在于，步骤(1)中，将n台相机分别安装于三角支架上，并与同步触发器以及计算机采集系统相连接，搭建相机阵列系统。
3.根据权利要求1所述非共同视场下的相机阵列标定方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)将标定板分别置于各个相机组的共同视场内，通过放大计算机图像采集画面，调整相机的光圈和焦距，使得采集画面中的标定板上的特征点清晰可见，无模糊现象；
(22)取标定板上左上角点为标定板空间坐标原点，原点经过的横向格线为该空间位置下的X轴，原点经过的纵向格线为该空间位置下的Y轴，原点所在的垂直于标定板平面的直线为该空间位置下的Z轴，所述标定板的正平面在各个相机组的共同视场范围内，将标定板在空间内分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转预设角度，每次旋转后利用同步触发器及计算机采集系统进行图片抓取，获取在各个相机组的共同视场范围中的标定板不同姿态下的图片，并将上述图片保存至计算机；
(23)对拍摄到的图片进行去噪处理，并对图片进行统一编号。
4.根据权利要求1所述基于非共同视场下的相机阵列标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中使用相机标定程序，分别对所有的相机进行标定，调节各个相机的重投影误差小于0.05，得到n台相机各自的空间关系变换矩阵[Rn Tn]；
共同视场下的各相机组的空间关系：
Figure FDA0002794044210000021
上式中分别消去S1、S2、…、Sn-1可以得到：
Figure FDA0002794044210000022
其中，B对应标定板上特征点的相机光心坐标，R是相机的空间旋转矩阵，T是相机的空间平移矩阵，其下标对应相机编号，上标#用以区分同一台相机在相邻两个不同的相机组中的空间转换矩阵，S对应标定板上特征点的世界坐标，其下标对应相机组编号。
5.根据权利要求4所述基于非共同视场下的相机阵列标定方法，其特征在于，根据得到的n-1个相机组之间的相对空间转换关系，由于相邻的两台相机存在共同视场且相对空间位置关系不变，推导出非共同视场下的相机的相对空间转换关系：
Figure FDA0002794044210000023
结合共同视场下的各相机组的空间关系和非共同视场下的相机的相对空间转换关系，建立出相机阵列中任意两台相机之间的空间转换关系。
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