CN113175870B - 用于多目视觉传感器全局标定的全局标定靶标及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全局标定靶标，所述靶标包括相互垂直的两面，其中一面包括光刻孔靶标，另一面包括多个球槽，所述球槽用于放置激光跟踪仪跟踪球。本发明采用光刻圆孔靶标对双目传感器进行内外参数的快速标定，相对于采用传统棋盘格标定靶标能够大大提升相机内外参数标定精度；本发明利用激光跟踪仪进行多双目传感器的全局标定能够将各传感器测量局部三维坐标精准统一到一个全局坐标系中，使用本发明设计的融合二者标定样板的全局标定图标能够在短时间内快速精准标定多组双目传感器的内外参数并进行全局标定，大大降低多视觉传感器测量系统的标定难度并提升标定精度，进一步提升多视觉传感器测量系统测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及计算机视觉检测领域，特别涉及一种用于多目视觉传感器全局标定的全局标定靶标及标定方法。
背景技术
计算机视觉是一种机器视觉，是一种利用计算机通过若干幅二维图像构建三维现实环境的技术，双目视觉系统采用视差原理可以实现物体的三维测量，针对双目视觉系统的内外参数的确定成为双目视觉系统标定问题。如若采用多组双目视觉传感器测量大视场范围内的三维形貌，需在完成每个双目视觉传感器内外参数的标定后，统一各个双目视觉传感器的世界坐标，进而确定整个多目视觉传感系统的外部参数，整个视觉传感系统的内外参确定以及世界坐标统一的过程称之为全局标定。
对于单个双目视觉传感器的内外参数的确定，目前主流的方法有基于2D棋盘靶标的张氏标定法，以及基于平面圆孔靶标的圆孔标定法。棋盘格标定法操作简单，算法成熟；圆孔靶标标定法对环境阈值表现不敏感，精度较高。
由于多个双目传感器组成的视觉测量系统各个传感器建的重合视场很小，传统的基于单一标定靶标的全局标定不能使用常规的点统一方法来实现，因此需要探究易于实现的高精度快速的全局标定方法。
由测量原理可知，测量系统的全局校准是需要解决的关键问题之一，全局校准的精度将直接影响整个系统的测量精度。要完成视觉检测系统的全局校准，必须有一标准的三维测量设备，通常使用的校准方法中，三坐标测量设备必须具备较高精度、大测量范围、能柔性组建和适于工业现场使用等性能。常见的全局校准方法有基于经纬仪的全局标定方法和基于激光跟踪仪的全局标定方法。
激光跟踪仪的标定视觉系统可精确测量跟踪仪靶标球的空间坐标，但跟踪仪反射球无法精确触圆孔平面靶标的特征点，这使得两者没有共同的标定点。因此系统的全局校准不能使用常规的点统一方法来实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全局标定靶标及全局标定方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种全局标定靶标，所述靶标包括相互垂直的两面，其中一面包括光刻孔靶标，另一面包括多个球槽，所述球槽用于放置激光跟踪仪跟踪球。
其中，所述光刻孔靶标和球槽所在平面分别布置在呈90°弯折的机械工件两侧。
其中，所述全局标定靶标用于多目视觉传感器的全局标定。
作为本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述的全局标定靶标的全局标定方法，包括以下步骤：
根据测量需求设计光刻孔靶标的位置数量，在靶标制造时就确定好光刻孔靶标孔距、方向以及跟踪仪跟踪球槽的空间几何关系；
将靶标与双目传感器以机械结构刚性连接，使光刻靶标侧位于双目传感器共同视场内，跟踪球侧位于激光跟踪仪跟踪范围内保证无遮挡；
双目传感器采集光刻孔靶标图像、激光跟踪仪跟踪球球槽所在平面位置及姿态；
根据所述空间几何关系使用标定算法得到双目传感器内外几何参数以及多组双目传感器空间几何关系，完成全局标定。
其中，所述空间几何关系包括：获取光刻孔靶标和跟踪球球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系和跟踪仪坐标系中的平面方程。
其中，获取光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在跟踪仪坐标系中的平面方程包括：连续测量状态将跟踪球分别放置于设计好的靶标中的精密球槽中，利用测量软件记录的球心坐标序列，采用特征值法拟合出跟踪球球心平面方程。
其中，根据球心平面与靶标平面的相对关系，利用已求解得到的跟踪球球心平面方程反向解算出靶标平面方程。
其中，获取光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系中的平面方程包括：利用内参已标定的视觉系统求解靶标平面的外部参数，利用得到的外参计算出靶标平面的单位法向量和常数项，得到光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系中的平面方程。
其中，靶标与双目传感器的连接结构包括：机加工的固定机械结构、机加工的非固定机械结构、3D打印的固定尺寸结构件和3D打印的非固定结构件。
其中，双目传感器内外几何参数包括相机内参和两个单目传感器之间的外参；
所述相机内参包括以针孔相机模型标定的5个内部矩阵参数以及5个畸变参数；
所述两个单目传感器之间的外参包括两个单目传感器之间的3个旋转参数和3个平移参数。
基于上述技术方案可知，本发明的全局标定靶标及全局标定方法相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
(1)本发明采用光刻圆孔靶标对双目传感器进行内外参数的快速标定相对于采用传统棋盘格标定靶标能够大大提升相机内外参数标定精度；
(2)本发明利用激光跟踪仪进行多双目传感器的全局标定能够将各传感器测量局部三维坐标精准统一到一个全局坐标系中；
(3)使用本发明设计的融合二者标定样板的全局标定图标能够在短时间内快速精准标定多组双目传感器的内外参数并进行全局标定，大大降低多视觉传感器测量系统的标定难度并提升标定精度，进一步提升多视觉传感器测量系统测量精度。
附图说明
图1示出为高精度光刻孔和高精度跟踪球槽结合的全局标定靶标；
图2示出为采用新型标定靶标和激光跟踪仪的多相机高精度全局标定方法。
具体实施方式
本法明通过设计一种全新的标定靶标设计，通过获取公共平面在视觉系统和跟踪仪坐标系的平面方程系数来实现多目视觉测量系统的全局标定，同时通过单个标定靶标还能实现单个双目传感器的高精度参数标定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为高精度光刻孔和高精度跟踪球槽结合的全局标定靶标；所述靶标包括相互垂直的两面，其中一面包括光刻孔靶标，另一面包括多个球槽，所述球槽用于放置激光跟踪仪跟踪球。
其中，所述光刻孔靶标和球槽所在平面分别布置在呈90°弯折的机械工件两侧。
其中，所述全局标定靶标用于多目视觉传感器的全局标定。
本方案设计了一种新型靶标用于全局标定，如图1所示，靶标由相互垂直的两面组成：其中一面由采用光刻制成的靶标组成，另一面精密加工了四个球槽用于放置激光跟踪仪跟踪球，有很高的重复放置定位精度，孔靶标和球槽分别布置于高精度加工的机械结构两侧，采用精密加工工艺，提前确定孔靶标和球槽的空间几何关系，为了方便说明，图1所示光刻孔靶标和球槽所在平面分别布置在呈90°弯折的机械工件两面，这样设计在如图2布置时既可以同时标定双目传感器的内外参数，同时也不会造成激光跟踪仪与跟踪球之间的遮蔽，但实际几何关系可根据测试需求调整。
本方案采用一种如上所述的全局标定靶标的全局校准方法，如图2所示，使用图1所示的新型靶标，该方法通过获取公共平面在视觉系统和跟踪仪坐标系中的平面方程系数来实现两坐标系间转换关系的求解。
本发明公开的全局标定方法，包括以下步骤：
根据测量需求设计光刻孔靶标的位置数量，在靶标制造时就确定好光刻孔靶标孔距、方向以及跟踪仪跟踪球槽的空间几何关系；
将靶标与双目传感器以一定方式刚性连接，使光刻靶标侧位于双目传感器共同视场内，跟踪球侧位于激光跟踪仪跟踪范围内保证无遮挡；
双目传感器采集光刻孔靶标图像、激光跟踪仪跟踪球球槽所在平面位置及姿态；
根据所述空间几何关系使用标定算法得到双目传感器内外几何参数以及多组双目传感器空间几何关系，完成全局标定。
其中，所述空间几何关系包括：获取光刻孔靶标和跟踪球球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系和跟踪仪坐标系中的平面方程。
其中，获取光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在跟踪仪坐标系中的平面方程包括：连续测量状态将跟踪球分别放置于设计好的靶标中的精密球槽中，利用测量软件记录的球心坐标序列，采用特征值法拟合出跟踪球球心平面方程。
其中，根据球心平面与靶标平面的相对关系，利用已求解得到的跟踪球球心平面方程反向解算出靶标平面方程。
其中，获取光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系中的平面方程包括：利用内参已标定的视觉系统求解靶标平面的外部参数，利用得到的外参计算出靶标平面的单位法向量和常数项，得到光刻孔靶标和球槽所在的空间平面在视觉系统坐标系中的平面方程。
其中，靶标与双目传感器的连接方式包括：
机加工的固定机械结构，比如特定形状的支架；
机加工的非固定机械结构，比如可旋转活动的支架，在需要标定前将标定靶转到传感器之前，标定完成后转开；
3D打印的固定尺寸结构件，比如特定形状的支架。
3D打印的非固定结构件，比如可旋转活动的支架，在需要标定前将标定靶转到传感器之前，标定完成后转开；
其中，双目传感器内外几何参数包括：
主要包括相机内参，单个双目传感器两相机之间的外参；
相机内参包括以针孔相机模型标定的5个内部矩阵参数以及5个畸变参数；
单个双目传感器两相机之间的外参主要包括两相机之间的3个旋转参数和3个平移参数。
根据本发明进一步的实施例，首先，需要获取空间平面在两坐标系中的平面方程。视觉系统坐标系中，利用内参已标定的视觉系统求解靶标平面的外部参数，利用得到的外参可计算出靶标平面的单位法向量和常数项。跟踪仪坐标系中，连续测量状态将反射球分别放置于设计好的靶标中的精密球槽中，利用测量软件记录的球心坐标序列，采用特征值法拟合出反射球球心平面方程。球心平面与靶标平面相对关系已知。可反向解算出靶标平面方程。
设摄像机坐标系和激光跟踪仪坐标系分别为Oc-xcyczc和Ot-xtytzt对于空间中任意一点P，有
这里，Pc＝(xc，yc，zc，1)T，Pt＝(xt，yt，zt，1)TT分别为点P在摄像机坐标系和跟踪仪坐标系中的齐次坐标，R、T分别为摄像机坐标系到跟踪仪坐标系的旋转矩阵和平移矢量。
又设某一平面∏在摄像机坐标系和跟踪仪坐标系中的平面方程分别为
acxc+bcyc+cczc+dc＝0 (2)
atxt+btyt+ctzt+dt＝0 (3)
式中：nc＝(ac，bc，cc)Tnt＝(at，bt，ct)T分别为平面Π在摄像机和激光跟踪仪坐标系中的单位法向量dc、dt为常数项。则nc、nt满足关系：
nt＝R·nc (4)
使用多对同名法向量求解R可提高标定精度，其求解实际上转化为最小二乘问题。因此建立目标函数：
式(5)中R的求解是线性的，至少需要三对同名法向量。当使用多于三对同名法向量时，R可用最小二乘线性回归求得：
R＝Nt·Nc T·(Nc·Nc T)-1 (6)
其中，Nc＝(nc1，nc2，...，ncn)TNt＝(nt1，nt2，...，ntn)Tn为用于标定的法向量的数目，且n＞3。
考虑到旋转矩阵R的正交性，引入带有正交约束的最小二乘问题
由于正交约束的引入使得R的求解非线性，用式(8)确定的线性解作为初值，使用Levenberg-Marquardt非线性优化方法，求得旋转矩阵R的最优解。
对于平面Π上的任一点PΠ，其摄像机坐标系中的齐次坐标PΠ c与跟踪仪坐标系中的齐次坐标PΠ c同时满足式(9)-(11)。将式(9)代入式(10)并改写为式(12)矩阵形式：
令
由解析几何的知识可知，表示空间同一平面的充分必要条件为式13：
利用旋转矩阵的正交性，并注意到nc、nt为单位向量，可得k2＝1，即k＝+1。
令k＝1，故有
[atbtct]·T＝dc-dt (14)
由三个精度较高的球槽位置可求得跟踪球平面方程，从而由跟踪球平面与靶标平面的相对位置关系得到靶标平面方程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种全局标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据测量需求设计光刻孔靶标的位置数量，在全局标定靶标制造时就确定好光刻孔靶标孔距、方向以及跟踪仪跟踪球槽的空间几何关系，其中，所述全局标定靶标包括相互垂直的两面，其中一面包括所述光刻孔靶标，另一面包括多个球槽，所述球槽用于放置激光跟踪仪跟踪球；
将光刻孔靶标与双目传感器以机械结构刚性连接，使光刻孔靶标侧位于双目传感器共同视场内，跟踪球侧位于激光跟踪仪跟踪范围内保证无遮挡；
双目传感器采集光刻孔靶标图像，激光跟踪仪获取跟踪球球槽所在平面位置及姿态；
根据所述空间几何关系使用标定算法得到双目传感器内外几何参数以及多组双目传感器空间几何关系，完成全局标定；
其中，双目传感器内外几何参数包括相机内参和两个单目传感器之间的外参；所述相机内参包括以针孔相机模型标定的5个内部矩阵参数以及5个畸变参数；所述两个单目传感器之间的外参包括两个单目传感器之间的3个旋转参数和3个平移参数；
其中，所述空间几何关系包括：获取光刻孔靶标所在的空间平面和跟踪球球槽所在的空间平面分别在视觉系统坐标系和跟踪仪坐标系中的平面方程。
2.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，获取光刻孔靶标所在的平面和跟踪球球槽所在的空间平面分别在跟踪仪坐标系中的平面方程包括：连续测量状态将跟踪球分别放置于设计好的全局标定靶标中的精密球槽中，利用测量软件记录的球心坐标序列，采用特征值法拟合出跟踪球球心平面方程。
3.根据权利要求2所述的全局标定方法，其特征在于，根据球心平面与光刻孔靶标平面的相对关系，利用已求解得到的跟踪球球心平面方程反向解算出光刻孔靶标平面方程。
4.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，光刻孔靶标与双目传感器的连接结构包括：机加工的固定机械结构。
5.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，光刻孔靶标与双目传感器的连接结构包括机加工的非固定机械结构。
6.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，光刻孔靶标与双目传感器的连接结构包括3D打印的固定尺寸结构件。
7.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，光刻孔靶标与双目传感器的连接结构包括3D打印的非固定结构件。
8.根据权利要求1所述的全局标定方法，其特征在于，所述光刻孔靶标和球槽所在平面分别布置在呈90°弯折的机械工件两侧。
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