CN113643375A - 一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质 Download PDF

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CN113643375A CN202110750151.9A CN202110750151A CN113643375A CN 113643375 A CN113643375 A CN 113643375A CN 202110750151 A CN202110750151 A CN 202110750151A CN 113643375 A CN113643375 A CN 113643375A
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Abstract

本发明公开了一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质，该标定方法将两个工具相机、两个待标定相机和两个平面靶标之间的空间位姿转换关系分开标定，最终通过局部坐标系之间相互转换获得两个待标定相机之间的外部参数；特别的在标定两个工具相机之间的位姿转换关系时，仅需通过粒子群算法优化平移参数和旋转参数即可获得。本发明优化参数少，使得实际操作更简单，标定精度更高。

Description

一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及多相机外参数标定技术领域，具体涉及一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质。
背景技术
多相机坐标测量系统面临的首要问题是标定各相机局部坐标系与系统整体坐标系之间的转换关系，才能将多个相机局部坐标系下的测量结果统一到系统整体坐标系之内。通常会选择系统中某一个相机作为基准相机，该相机坐标系视为系统整体坐标系，这时需要准确标定系统中其他相机与基准相机的外参数。多相机坐标测量系统的外参数标定主要分为有公共视场和无公共视场两种情况。有公共视场情况下的外参数标定方法相对较为成熟，而当相机之间无公共视场时，由于无法进行特征点匹配，常规外参数标定方法不再适用。虽然可以在整个测量区域内布置多个控制点，同时使用双经纬仪或激光跟踪仪等精密测量设备将这些控制点统一到相同坐标系下。但是该方法需要布设大量的控制点，部分测量场景难以满足该条件，而且该方法具有作业强度大，工作效率低等缺点。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种无重叠视场多相机外参数标定方法、设备及存储介质，能够实现操作简单，标定精度高。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的第一方面，提供了一种无重叠视场多相机外参数标定方法，包括步骤：
在保证第一平面靶标和第二平面靶标的空间位姿不变、所述第一平面靶标位于第一待标定相机和第一工具相机的视场内、以及所述第二平面靶标位于第二待标定相机和第二工具相机的视场内的条件下，使所述第一工具相机从多个角度拍摄所述第一平面靶标，得到多张第一图像，使所述第二工具相机从多个角度拍摄所述第二平面靶标，得到多张第二图像，其中，所述第一工具相机和所述第二工具相机是固定连接在一起进行拍摄；
基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系；
基于所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，通过非线性优化方法计算所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系；
在保证所述第一工具相机和所述第二工具相机的相对位姿不变、所述第一平面靶标位于所述第一待标定相机和所述第一工具相机的视场内、以及所述第二平面靶标位于所述第二待标定相机和所述第二工具相机的视场内的条件下，移动所述第一平面靶标和所述第二平面靶标，并使所述第一工具相机和所述第一待标定相机分别拍摄移动位置后的所述第一平面靶标，分别得到多张第三图像和多张第四图像，使所述第二工具相机和所述第二待标定相机分别拍摄移动位置后的所述第二平面靶标，分别得到多张第五图像和多张第六图像；
基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系；
基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系；
基于所述第一位姿转换关系、所述第二位姿转换关系以及所述第三位姿转换关系，计算得到所述第一待标定相机与所述第二待标定相机之间的位姿转换关系。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，通过张正友标定方法计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系。
根据本发明的一些实施例，所述基于所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，通过非线性优化方法计算所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，获取所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一位姿转换关系的乘积相等关系；
基于所述乘积相等关系，将所述第一位姿转换关系分解成旋转参数和平移参数；
建立粒子群优化算法的目标函数；
通过所述粒子群优化算法优化所述旋转参数和所述平移参数，获得所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系。
本发明的一些实施例，所述基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，通过张正友标定方法计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系。
本发明的一些实施例，所述基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，通过张正友标定方法计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系。
本发明的第二方面，提供了一种无重叠视场多相机外参数标定设备，包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行本发明第一方面所述的无重叠视场多相机外参数标定方法。
本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机本发明第一方面所述的无重叠视场多相机外参数标定方法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供一种无重叠视场多相机外参数标定方法，本发明的标定方法将两个工具相机、两个待标定相机和两个平面靶标之间的空间位姿转换关系分开标定，最终通过局部坐标系之间相互转换获得待标定相机之间的外部参数，无需同时标定相机组、待标定相机和两个平面靶标之间的空间位姿转换关系，因此，本发明具有实际操作简单，标定精度高。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一个实施例的多相机外参数标定流程图；
图2为本发明一个实施例的标定原理示意图；
图3为本发明一个实施例的工具相机之间位姿转换关系标定原理图；
附图标记：第一待标定相机100、第二待标定相机101、第一平面靶标120、第二平面靶标121、第一工具相机130、第二工具相机131、相机支架140。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种无重叠视场多相机外参数标定方法，该方法可以有效解决实际操作复杂，标定精度低的问题。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，本实施例提供了一种无重叠视场多相机外参数标定方法，具体实施步骤如下：
参照图2，本发明使用一个标定装置，该装置包括第一待标定相机100、第二待标定相机101、第一平面靶标120、第二平面靶标121、第一工具相机130、第二工具相机131、相机支架140。其中，第一平面靶标120和第二平面靶标121用于提供特征点约束，实现第一工具相机130和第二工具相机131以及第一待标定相机100和第二待标定相机101之间的外部参数标定；第一工具相机130和第二工具相机131以及第一待标定相机100和第二待标定相机101分别用于拍摄第一平面靶标120和第二平面靶标121的图像；第一工具相机130和第二工具相机131可以分别自由旋转调整自身的拍摄视角；相机支架140可以拉伸和旋转，可以用于调整第一工具相机130和第二工具相机131的拍摄视角。
如图2所示，调整相机支架140的长度和角度、以及相机支架140上面的第一工具相机130和第二工具相机131的角度，使第一平面靶标120位于第一待标定相机100和第一工具相机130的视场内、以及第二平面靶标121位于第二待标定相机101和第二工具相机131的视场内，然后将第一工具相机130和第二工具相机131与相机支架140通过活动关节锁紧形成固定连接。
在保证第一平面靶标120和第二平面靶标121的空间位姿不变、第一平面靶标120位于第一待标定相机100和第一工具相机130的视场内、以及第二平面靶标121位于第二待标定相机101和第二工具相机131的视场内的条件下，通过移动相机支架140，使第一工具相机130从多个角度拍摄第一平面靶标120，得到多张第一图像
Figure BDA0003144154950000077
其中t为拍摄次序，t＝1......N,N≥3，N为总的拍摄次数，使第二工具相机131从多个角度拍摄第二平面靶标121，得到多张第二图像
Figure BDA0003144154950000078
通过平面靶标标志点提取算法处理第一图像
Figure BDA0003144154950000079
和第二图像
Figure BDA00031441549500000710
可以获得第一工具相机130和第二工具相机131的内参数。平面靶标标志点提取算法的具体求解方法可参见“Z.Zhang.A flexible new technique for camera calibration.IEEETransactions onPattern Analysis and Machine Intelligence.2000,22(11),1330–1334.”；
通过张正友标定方法分别处理第一图像
Figure BDA0003144154950000071
和第二图像
Figure BDA0003144154950000072
获得第一工具相机130在不同位姿时相对于第一平面靶标120的第一坐标系转换关系It 1、以及第二平面靶标121相对不同位姿下的第二工具相机131的第二坐标系转换关系Tt 2，张正友标定方法为本领域技术人员的公知，此处不再详细描述。
在第一平面靶标120和第二平面靶标121的空间位姿不变的情况下，它们之间的坐标系转换关系同样固定不变表示为
Figure BDA0003144154950000074
其中：
Figure BDA0003144154950000075
公式(1)中，
Figure BDA0003144154950000076
表示第一工具相机130和第二工具相机之间131的第一位姿转换关系。
由公式(1)，可以获取第一工具相机130和第二工具相机131在不同位姿时，第一坐标系转换关系、第二坐标转换关系以及第一位姿转换关系的乘积相等关系，关系表达式如下：
Figure BDA0003144154950000081
公式(2)中，t'＝1......N且t′≠t。式(2)中Tt 2、Tt 1、
Figure BDA0003144154950000086
和
Figure BDA0003144154950000087
为已知量，
Figure BDA0003144154950000088
和
Figure BDA0003144154950000089
分别代表不同拍摄次序下的第一工具相机130在不同位姿时相对第一平面靶标120的坐标系转换关系和第二平面靶标121相对不同位姿下的第二工具相机131的坐标系转换关系，
Figure BDA0003144154950000082
为未知量；
将
Figure BDA0003144154950000083
分解为旋转参数(θx,θy,θz)和平移参数(Δx,Δy,Δz)。
由于第二平面靶标121上的标志点在第一平面靶标120坐标系下的空间坐标不变，以此建立粒子群优化算法的目标函数，其表达式如下：
Figure BDA0003144154950000084
其中，
Figure BDA0003144154950000085
表示所有拍摄次序t＝1......N,N≥3内，第二平面靶标121上第i个标志点在第一平面靶标120坐标系下的空间坐标估计值，有N个估计值。S表示方差运算，用于计算空间坐标估计值的波动情况。
通过粒子群算法优化后的旋转参数和平移参数，可以计算得到第一工具相机130和第二工具相机131在不同位姿时，第一工具相机130和第二工具相机131之间最优的第一位姿转换关系，最优的第一位姿转换关系会使第二平面靶标121上标志点空间坐标的波动值之和最小。
获得最优的第一位姿转换关系后，在保证第一工具相机130和第二工具相机131的相对位姿不变、第一平面靶标120位于第一待标定相机100和第一工具相机130的视场内、以及第二平面靶标121位于第二待标定相机101和第二工具相机131的视场内的条件下，移动第一平面靶标120和第二平面靶标121，并使第一工具相机130和第一待标定相机100分别拍摄移动位置后的第一平面靶标120，分别得到多张第三图像
Figure BDA0003144154950000091
和多张第四图像
Figure BDA0003144154950000092
使第二工具相机131和第二待标定相机101分别拍摄移动位置后的第二平面靶标121，分别得到多张第五图像
Figure BDA0003144154950000093
和多张第六图像
Figure BDA0003144154950000094
利用张正友标定方法处理第三图像
Figure BDA0003144154950000095
获得第一工具相机130相对某一位姿下的第一平面靶标120的位姿转换关系
Figure BDA0003144154950000096
利用张正友标定方法处理第四图像
Figure BDA0003144154950000097
获得第一待标定相机100相对某一位姿下的第一平面靶标120的位姿转换关系
Figure BDA0003144154950000098
由
Figure BDA0003144154950000099
和
Figure BDA00031441549500000910
可以获得第一待标定相机100与第一工具相机130之间的第二位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000911
其关系表达式如下：
Figure BDA00031441549500000912
利用张正友标定方法处理第五图像
Figure BDA00031441549500000913
获得第二工具相机131相对某一位姿下的第二平面靶标121的位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000914
利用张正友标定方法处理第六图像
Figure BDA00031441549500000915
获得第二待标定相机101相对某一位姿下的第二平面靶标121的位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000916
由
Figure BDA00031441549500000917
和
Figure BDA00031441549500000918
可以获得第二待标定相机101与第二工具相机131之间的第三位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000919
其关系表达式如下：
Figure BDA00031441549500000920
根据获取的第一位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000921
第二位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000922
第三位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000923
带入公式(6)，最终获得第一待标定相机100和第二待标定相机101之间的位姿转换关系
Figure BDA00031441549500000924
Figure BDA0003144154950000101
本实施例中通过粒子群优化算法优化旋转参数和平移参数，获取两个工具相机之间最优的位姿转换关系，优化参数少，操作简单，标定精度高。本实施例的标定方法将两个工具相机、两个待标定相机和两个平面靶标之间的空间位姿转换关系分开标定，最终通过局部坐标系之间相互转换获得待标定相机之间的外部参数，无需同时标定相机组、待标定相机和两个平面靶标之间的空间位姿转换关系，因此，本实施例具有实际操作简单，标定精度高。
本发明的一个实施例，提供了一种无重叠视场多相机外参数标定设备，该设备可以是任意类型的智能终端，例如手机、平板电脑、个人计算机等。具体地，该设备包括：一个或多个控制处理器和存储器，这里以一个控制处理器为例。控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，这里以通过总线连接为例。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的无重叠视场多相机外参数标定设备对应的程序指令/模块。控制处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而实现上述方法实施例的无重叠视场多相机外参数标定方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该无重叠视场多相机外参数标定设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述一个或者多个控制处理器执行时，执行上述实施例中的无重叠视场多相机外参数标定方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行上述实施例中的无重叠视场多相机外参数标定方法。
通过以上的实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的共享条件下还可作出种种等同的变形或替换，这些等同的变形或替换均包括在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种无重叠视场多相机外参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
在保证第一平面靶标和第二平面靶标的空间位姿不变、所述第一平面靶标位于第一待标定相机和第一工具相机的视场内、以及所述第二平面靶标位于第二待标定相机和第二工具相机的视场内的条件下，使所述第一工具相机从多个角度拍摄所述第一平面靶标，得到多张第一图像，使所述第二工具相机从多个角度拍摄所述第二平面靶标，得到多张第二图像，其中，所述第一工具相机和所述第二工具相机是固定连接在一起进行拍摄；
基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系；
基于所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，通过非线性优化方法计算所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系；
在保证所述第一工具相机和所述第二工具相机的相对位姿不变、所述第一平面靶标位于所述第一待标定相机和所述第一工具相机的视场内、以及所述第二平面靶标位于所述第二待标定相机和所述第二工具相机的视场内的条件下，移动所述第一平面靶标和所述第二平面靶标，并使所述第一工具相机和所述第一待标定相机分别拍摄移动位置后的所述第一平面靶标，分别得到多张第三图像和多张第四图像，使所述第二工具相机和所述第二待标定相机分别拍摄移动位置后的所述第二平面靶标，分别得到多张第五图像和多张第六图像；
基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系；
基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系；
基于所述第一位姿转换关系、所述第二位姿转换关系以及所述第三位姿转换关系，计算得到所述第一待标定相机与所述第二待标定相机之间的位姿转换关系。
2.根据权利要求1所述的一种无重叠视场多相机外参数标定方法，其特征在于，所述基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第一图像和所述多张第二图像，通过张正友标定方法计算得到所述第一工具相机在不同位姿时相对于所述第一平面靶标的第一坐标系转换关系，以及所述第二平面靶标相对不同位姿下的所述第二工具相机的第二坐标系转换关系。
3.根据权利要求1所述的一种无重叠视场多相机外参数标定方法，其特征在于，所述基于所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，通过非线性优化方法计算所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述第一平面靶标与所述第二平面靶标的空间位姿固定不变，获取所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一坐标系转换关系、所述第二坐标转换关系以及所述第一位姿转换关系的乘积相等关系；
基于所述乘积相等关系，将所述第一位姿转换关系分解成旋转参数和平移参数；
建立粒子群优化算法的目标函数；
通过所述粒子群优化算法优化所述旋转参数和所述平移参数，获得所述第一工具相机和所述第二工具相机在不同位姿时，所述第一工具相机和所述第二工具相机之间最优的第一位姿转换关系。
4.根据权利要求1所述的一种无重叠视场多相机外参数标定方法，其特征在于，所述基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第三图像和所述多张第四图像，通过张正友标定方法计算得到所述第一待标定相机与所述第一工具相机之间的第二位姿转换关系。
5.根据权利要求1所述的一种无重叠视场多相机外参数标定方法，其特征在于，所述基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系，包括以下步骤：
基于所述多张第五图像和所述多张第六图像，通过张正友标定方法计算得到所述第二待标定相机与所述第二工具相机之间的第三位姿转换关系。
6.一种无重叠视场多相机外参数标定设备，其特征在于：包括至少一个控制处理器和用于与所述至少一个控制处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个控制处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个控制处理器执行，以使所述至少一个控制处理器能够执行权利要求1至5任一项所述的无重叠视场多相机外参数标定方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行权利要求1至5任一项所述的无重叠视场多相机外参数标定方法。
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