CN113052913A - 一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，涉及视觉测量技术领域。提出了一种逻辑清晰、步骤有序且结果精确的用于二组组合视觉测量的高精度标定方法，并可在大尺度物体的测量过程中，利用标定后的中转位姿有效提高实际的测量精度。按以下步骤进行标定：S1、标定装置的现场布置与标定数据采集；S2、基于组合数据传输的标定模型建立；S3、基于Kronecker积和最小二乘原理的中转位姿求解与优化；S4、利用标定结果对被测对象进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。避免了由于不同测量系统尺度差异所造成的标定精度低的问题，从而提高了中转位姿的标定精度。通过标定后的中转位姿，即可有效提高实际的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及视觉测量技术领域，具体指代一种用于组合视觉测量系统的高精度标定方法。
背景技术
大尺度物体的高精度三维测量和逆向重建对基于视觉和光学的测量方法提出了更高要求，即满足较大的测量视场下同时需要保证较高的测量精度。单一的视觉测量系统很难满足大视场和高精度的需求，而利用组合视觉系统既保证了测量范围可拓展，同时保证了局部的测量精度，成为大尺寸物体测量的有效方式。
二级组合视觉测量系统由大视场双目视觉系统、小视场双目视觉系统和中转靶标组成。大视场视觉系统固定放置，用于空间定位，可构建全局坐标系。小视场视觉系统可以在测量空间内任意移动，小视场测量的数据通过中转靶标变换到全局坐标系下，实现不同测量位置的数据统一。
在组合测量系统中，中转靶标安装在小视场测量设备上，除了两组测量设备自身需要标定外，中转靶标坐标系和小视场测量坐标系的变换最为重要，其是一个固定的变换矩阵，影响全局数据变换的精度，也是联系两个测量设备的中转桥梁。中转位姿的标定是确定中转靶标与小视场视觉系统的变换矩阵，其在大视场高精度测量方面具有重要作用。
已有的公开的成果中，虽然涉及了组合视觉测量标定，但其标定精度远达不到高精度的测量要求，且标定方法在原理上具有本质性的缺陷。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种逻辑清晰、步骤有序且结果精确的用于二组组合视觉测量的高精度标定方法，并可在大尺度物体的测量过程中，利用标定后的中转位姿有效提高实际的测量精度。
本发明的技术方案为：按以下步骤进行标定：
S1、标定装置的现场布置与标定数据采集；
S2、基于组合数据传输的标定模型建立；
S3、基于Kronecker积和最小二乘原理的中转位姿求解与优化；
S4、利用标定结果对被测对象进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
所述标定装置包括大视场视觉系统4、小视场视觉测量系统3、中转靶标2以及标准棋盘格5；
步骤S1为：固定放置大视场视觉系统4以及标准棋盘格5，中转靶标2固定安装在小视场视觉系统3上，移动小视场视觉系统3从不同角度拍摄标准棋盘格5；同时，利用大视场视觉系统4采集中转靶标2的图像，并重建中转靶标2在大视场视觉系统4坐标系下的位姿。
具体来说：大视场视觉系统GVS由两个工业相机组成，其固定放置，这两个工业相机具有较大的视场和较高的空间定位精度。小视场视觉系统LVS同样由两个工业相机组成，但是这两个工业相机具有较小的测量范围。小视场视觉系统LVS上固定安装中转靶标。中转靶标具有特定的形状，其上具有视觉系统可识别和测量的编码特征点，且特征点可以被三维重建，并可根据其几何关系确定中转靶标自身的坐标系。将大视场视觉系统GVS以及标准棋盘格固定安装在一个位置，并保证其在大视场视觉系统GVS的可见范围内。标准棋盘格为平面棋盘格，其由十字角点组成，角点之间的距离是精度极高的标准值，可作为视觉系统标定的标准化参考。
步骤S2为；根据组合测量数据融合的准则，小视场视觉系统3测量得到的三维数据首先经过中转靶标2变换到靶标坐标系，然后经过标准棋盘格5变换到大视场测量坐标系。利用标准棋盘格5与大视场视觉系统4在位置上相对固定的关系，建立基于数据传输的链式变换方程；每个视角均建立一个方程，最终建立中转位姿标定的方程组。
具体来说：固定放置大视场视觉系统GVS和标准棋盘格后，任意移动小视场视觉系统LVS。在每个位置处，利用小视场视觉系统LVS测量标准棋盘格，获得标准棋盘格原点在小视场视觉系统LVS坐标系下的坐标，记作
i表示位置索引，空间点是利用双目视觉原理计算的。在i个位置处，大视场视觉系统GVS测量中转靶标上的特征点，计算得到中转靶标相对于大视场视觉系统GVS的相对位姿
其中
和
分别表示
的旋转矩阵和平移向量。由于大视场视觉系统GVS和标准棋盘格的相对位置始终保持不变，不论小视场视觉系统LVS在任意位置，标准棋盘格坐标系原点在GVS下的坐标不变，记为P0。则利用不变关系，如图3所示，可建立数据传输的矩阵方程：
其中n表示LVS移动的位置。
和
即是需要求解的旋转矩阵和平移向量，即中转靶标与LVS的中转位姿。
步骤S3为：由于中转位姿包含在两次位姿变换的过程中，首先利用Kronecker积对方程的形式进行转换，构建已于求解的线性方程组；然后根据最小二乘原理得到方程组的最小二乘解，最终对原始方程组进行优化，得到较高精度的中转位姿矩阵，完成标定。
具体来说：基于Kronecker积和最小二乘原理的中转位姿求解与优化
为简化表达，记
公式(1)中第i个方程可以表示为
使用Kronecker积，公式(2)式可以改写为
其中
是
和
的Kronecker积。令
其中I3＝diag(1,1,1)。则公式(1)可写为
Ax＝b (4)
利用最小二乘原理可以获得公式(4)的最小二乘解。进一步，对中转位姿进行优化，
k＝1,...,Nc表示标定板上角点的索引，
表示标定板上第k个点在第i个位置下的坐标。利用公式(5)即可求得中转位姿的最优解。
步骤S4为：利用标定好的视觉系统、中转位姿等参数，对大尺寸物体进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
具体来说：实际测量时如图1所示，可将标准棋盘格5替换为待测物体1，固定放置大视场视觉系统4以及待测物体1，中转靶标2保持连接在小视场视觉系统3上，移动小视场视觉系统3从不同角度拍摄待测物体1；同时，利用大视场视觉系统4采集中转靶标2的图像。对大尺寸物体进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
本发明首先构建系统标定平台，对两组视觉系统进行标定，安装好中转靶标，并固定放置棋盘格靶标板。然后利用小视场视觉系统从不同角度测量靶标板，得到靶标板原点坐标。在每个位置处，GVS统测量中转靶标，获得中转靶标相对于GVS的相对位姿。利用标定板与GVS固定关系建立方程组。然后利用最小二乘原理求解方程组，得到中转位姿。最后利用标定的中转位姿进行物体的高精度三维测量。
本发明只需要利用小视场视觉系统LVS和大视场视觉系统GVS在各自的测量范围内进行测量，然后利用本文模型和求解方法进行求解，即可实现组合视觉系统的标定。具体优点如下：
一、本发明的标定方法操作简单，实际标定时只需要从不同视角拍摄同一棋盘格，再利用求解的模型进行优化求解即可。
二、本发明的方法避免了由于不同测量系统尺度差异所造成的标定精度低的问题，从而提高了中转位姿的标定精度。
三、通过标定后的中转位姿，即可在大尺度物体的实际测量过程中，有效提高实际的测量精度。
附图说明
图1是二级组合视觉测量系统在实际测量时的使用状态参考图，
图2是二级组合视觉测量系统在实际测量时的使用状态参考图，
图3是二级组合视觉系统坐标系变换示意图，
图4为二级组合视觉系统中转位姿标定流程图，
图5为利用标定结果进行人脸面具组合测量的结果图。
图中1是待测物体，2是中转靶标，3是小视场视觉系统，4是大视场视觉系统，5是标准棋盘格。
{C}为棋盘格标定板坐标系；{Li}、{Li+1}分别表示LVS在第i个和第i+1个拍摄视点处的测量坐标系；{Ti}、{Ti+1}分别表示在第i个和第i+1个拍摄视点处中转靶标坐标系；{G}表示GVS测量坐标系；
表示第i个位置处靶标相对于GVS的姿态；
即是需要标定的中转位姿；
表示第i个位置靶标板相对于LVS测量坐标系的位姿。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
附图1为二级组合视觉测量系统原理图。工作时，大视场视觉系统GVS固定放置，中转靶标随着小视场视觉系统LVS移动，如附图1所示，在位置1时，小视场视觉系统LVS测量数据在自身坐标系下，通过中转靶标和大视场视觉系统GVS，最终数据统一到大视场视觉系统GVS测量坐标系下。当小视场视觉系统LVS移动到位置2处时，同样可以得到该位置处的局部测量数据，并通过中转靶标统一到大视场视觉系统GVS系统下。所以从小视场视觉系统LVS到中转靶标的中转位姿是数据统一的关键参数，需要精确标定以实现高精度测量融合。
本标定的流程如附图4所示。本发明的提出了一种用于二级组合视觉测量系统中转位姿标定的方法，有效的实现了中转位姿的高精度计算，且操作简单。该方法具体是通过LVS从不同角度拍摄固定放置的棋盘格靶标板，重建靶标板原点；同时计算中转靶标在GVS下的位姿矩阵；然后利用以上数据建立基于数据传输的方程组，利用Kronecker积进行方程组变换，最终基于最小二乘原理求解方程最优解。
本发明如图1-5所示，S1、标定装置的现场布置与标定数据采集；
本发明利用标准棋盘格作为标准件。具体的，组合视觉系统的参数如附表1所示。GVS测量范围是1-3m，LVS工作距离为0.5m。标定前，GVS固定放置，标定板放置距离GVS2 m左右的位置，保持标定棋盘格与GVS相对位置不变。中转靶标固定安装在LVS上。由于固定安装的关系，中转靶标坐标系与LVS坐标系的相对位姿，即中转位姿，保持不变。布置好相对位置后，只需要移动LVS从不同角度拍摄棋盘格即可。标定过程的布置场景如附图2所示。
表1
S2、基于组合数据传输的标定模型建立；
固定放置GVS和棋盘格靶标板后，任意移动LVS。在每个位置处，利用LVS测量棋盘格靶标板，获得靶标板原点在LVS坐标系下的坐标，记作PLi，i表示位置索引，空间点是利用双目视觉原理计算的。在i个位置处，GVS测量中转靶标上的特征点，计算得到中转靶标相对于GVS的相对位姿
其中
和
分别表示
的旋转矩阵和平移向量。由于GVS和棋盘格标定板的相对位置始终保持不变，不论LVS在任意位置，棋盘格标定板坐标系原点在GVS下的坐标不变，记为P0。根据附图3所示的所有坐标系的数据转换关系图，则利用不变关系，可建立数据传输的矩阵方程
其中n表示LVS移动的位置。
和
即是需要求解的旋转矩阵和平移向量，即中转靶标与LVS的中转位姿。
S3、基于Kronecker积和最小二乘原理的中转位姿求解与优化；
为简化表达，记
公式(6)中第i个方程可以表示为
使用Kronecker积，公式(2)可以改写为
其中
是
和
的Kronecker积。令
其中I3＝diag(1,1,1)。则公式(1)可写为
Ax＝b (9)
利用最小二乘原理可以获得公式(4)的最小二乘解。进一步，对中转位姿进行优化，
k＝1,...,Nc表示标定板上角点的索引，
表示标定板上第k个点在第i个位置下的坐标。利用公式(10)即可求得中转位姿的最优解。
S4、利用标定结果对被测对象进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
完成所有标定程序后，利用组合视觉系统对被测对象进行三维重建。若PLi表示i个测量视角的局部测量数据，其是在{Li}坐标系下的。将PLi(i＝0,1,2,…)统一到{G}。若i个测量视角下局部测量点在{G}坐标系下的坐标为PGi，则根据坐标变换
每个视角测量数据均变换到{G}坐标系下，测量结果直接融合，即PG＝{PG0,PG1,...,PGi,...}。最终的测量结果如图5所示，可以看到，利用标定后的中转位姿可以显著提高实际的测量精度，具有较好的实际意义。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，其特征在于，按以下步骤进行标定：
S1、标定装置的现场布置与标定数据采集；
S2、基于组合数据传输的标定模型建立；
S3、基于Kronecker积和最小二乘原理的中转位姿求解与优化；
S4、利用标定结果对被测对象进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
2.根据权利要求1所述的一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，其特征在于，所述标定装置包括大视场视觉系统(4)、小视场视觉测量系统(3)、中转靶标(2)以及标准棋盘格(5)；
步骤S1为：固定放置大视场视觉系统(4)以及标准棋盘格(5)，中转靶标(2)固定安装在小视场视觉系统(3)上，移动小视场视觉系统(3)从不同角度拍摄标准棋盘格(5)；同时，利用大视场视觉系统(4)采集中转靶标(2)的图像，并重建中转靶标(2)在大视场视觉系统(4)坐标系下的位姿。
3.根据权利要求1所述的一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，其特征在于，步骤S2为；根据组合测量数据融合的准则，小视场视觉系统(3)测量得到的三维数据首先经过中转靶标(2)变换到靶标坐标系，然后经过标准棋盘格(5)变换到大视场测量坐标系。利用标准棋盘格(5)与大视场视觉系统(4)在位置上相对固定的关系，建立基于数据传输的链式变换方程；每个视角均建立一个方程，最终建立中转位姿标定的方程组。
4.根据权利要求1所述的一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，其特征在于，步骤S3为：由于中转位姿包含在两次位姿变换的过程中，首先利用Kronecker积对方程的形式进行转换，构建已于求解的线性方程组；然后根据最小二乘原理得到方程组的最小二乘解，最终对原始方程组进行优化，得到较高精度的中转位姿矩阵，完成标定。
5.根据权利要求1所述的一种二级组合视觉测量系统中转位姿高精度标定方法，其特征在于，步骤S4为：利用标定好的视觉系统、中转位姿等参数，对大尺寸物体进行高精度三维重建，实现被测对象几何量的完整表达。
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