CN114266836A - 基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备 - Google Patents

基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于三维测量和图像处理领域，具体涉及了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备，旨在解决现有的振镜相机标定方法误差较大的问题。本发明包括：在空间中设置不同位姿的标定板；建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；随机选取空间标定点，记录振镜控制标定电压；基于振镜控制标定电压获取单应矩阵和三维空间点与振镜控制电压的映射关系；通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；进而计算两片反射镜的控制电压的误差，最小化误差完成振镜相机的主动标定。本发明通过建立空间点到振镜控制电压的非线性映射关系，采用线性近似与非线性优化的方式得到准确的振镜关系，降低了振镜标定的误差。

Description

基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备
技术领域
本发明属于三维测量和图像处理领域，具体涉及了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备。
背景技术
传统的接触式测量方法由于需要直接接触物体表面，故存在检测速度慢，感应元件老化磨损等诸多缺陷。非接触式测量方法相比之下，因为测量速度快，远距离测量等诸多优点，近年来得到了长足的发展。
在非接触式测量方法中，基于激光振镜的三维测量技术，由于扫描速度快，精度高，测量范围广，可重复性高等优点，被广泛应用于激光雷达，线激光测量等领域。
但是基于激光的振镜扫描方式本身不具备从外界获取物体信息的能力，只通过反射激光束进行测量。基于相机的振镜测量方法，可以主动的发现物体，获取物体的外观，颜色等特征，弥补了激光振镜主动性差的缺陷。
基于振镜相机的主动视觉测量系统利用双振镜偏转相机光轴，改变相机的相对位姿，实现二维扫描与追踪。D/A控制板会根据计算机输出的数字控制信号，转换成模拟控制电压，驱动振镜的反射镜偏转相应的角度。理论上，数字控制电压应当与振镜偏转角度有精准的线性映射关系。但是在实际应用场景中，由于器件响应特性，以及D/A控制精度原因，振镜偏转角度与数字电压的关系难以通过非接触手段进行测量。此外，振镜两片镜子之间的距离也会对相机光轴的偏转造成影响，产生测量误差。为了确保基于振镜相机的主动视觉测量精度，在使用之前，需要对振镜相机进行标定，得到空间点与振镜控制电压的映射关系。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有的振镜相机标定方法误差较大的问题，本发明提出一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，所述方法包括：
步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；
步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
在一些优选的实施方式中，所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 653683DEST_PATH_IMAGE002
其中，空间点P在世界坐标系内的齐次坐标为
Figure 305244DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 616140DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 417874DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 763404DEST_PATH_IMAGE006
分别为空间点P在世界坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；空间 点P在振镜坐标系内的坐标为
Figure 507238DEST_PATH_IMAGE007
，其中，
Figure 305430DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 910855DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 314154DEST_PATH_IMAGE010
分别为空间点P在振 镜坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；
Figure 838677DEST_PATH_IMAGE011
为旋转平移矩阵，其中R表示旋转 向量，t表示平移向量；
Figure 514377DEST_PATH_IMAGE012
表示tilt轴反射镜的数字控制电压，
Figure 782548DEST_PATH_IMAGE013
表示pan轴反射镜的 数字控制电压，
Figure 40354DEST_PATH_IMAGE014
表示tilt轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 876723DEST_PATH_IMAGE015
表示pan轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 915086DEST_PATH_IMAGE016
表示tilt轴反射镜的 偏转角度，
Figure 848931DEST_PATH_IMAGE017
表示pan轴反射镜的偏转角度，
Figure 23561DEST_PATH_IMAGE018
表示tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的 距离。
在一些优选的实施方式中，步骤S300，具体为：
选取空间中的n个空间标定点作为空间标定点集
Figure 93148DEST_PATH_IMAGE019
，调整振 镜偏转角度，使振镜光路对准所述空间标定点，记录使空间标定点正好落在振镜相机中心 时的控制电压集合
Figure 494173DEST_PATH_IMAGE020
，其中控制电压U的齐次坐标形式为
Figure 104146DEST_PATH_IMAGE021
。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S400，具体为：
在实际应用中，偏转角度
Figure 336544DEST_PATH_IMAGE022
值，
Figure 763984DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 511360DEST_PATH_IMAGE024
，以
Figure 800390DEST_PATH_IMAGE022
替代
Figure 684032DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 361001DEST_PATH_IMAGE026
； tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离e远小于空间点P在振镜坐标系内的坐标
Figure 454728DEST_PATH_IMAGE027
的深度分量
Figure 672083DEST_PATH_IMAGE028
，将e近似为0；
获得近似振镜模型：
Figure 551177DEST_PATH_IMAGE029
其中，s表示从齐次形式中提取的比例因子，A表示近似振镜模型的内参矩阵，将旋 转平移矩阵
Figure 195785DEST_PATH_IMAGE030
定义为外参矩阵；
空间点P在世界坐标系内的齐次坐标
Figure 855436DEST_PATH_IMAGE031
通过单应矩阵H与控制电压的齐次坐标
Figure 735537DEST_PATH_IMAGE032
建立联系，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系：
Figure 593771DEST_PATH_IMAGE033
基于所述空间标定点集和振镜控制标定电压，通过SVD方法或最小二乘法求解所述单应矩阵H。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S500，包括：
步骤S510，所述旋转平移矩阵
Figure 284647DEST_PATH_IMAGE030
由三个旋转向量和一个平移向量构成，以
Figure 431594DEST_PATH_IMAGE034
表 示旋转平移矩阵的第i列，所述旋转平移矩阵的详细表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 909193DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 621934DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 218132DEST_PATH_IMAGE038
表示旋转矩阵
Figure 852376DEST_PATH_IMAGE039
的三列，
Figure 215224DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 172684DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 64417DEST_PATH_IMAGE038
之间存在单位正交的关 系：
Figure 185957DEST_PATH_IMAGE040
步骤S520，通过单应矩阵H和近似振镜模型的内参矩阵A表示旋转矩阵有：
Figure 962283DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 649616DEST_PATH_IMAGE042
表示单应矩阵H的第i列；
记
Figure 102463DEST_PATH_IMAGE043
，则过程矩阵B为：
Figure 445720DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure 150371DEST_PATH_IMAGE045
表示过程矩阵B的第1行第1列的元素，
Figure 833156DEST_PATH_IMAGE046
表示过程矩阵B的第2行第2列 的元素，
Figure 332270DEST_PATH_IMAGE047
表示过程矩阵B的第3行第3列的元素；
步骤S530，通过SVD分解的方式，求解B矩阵，获得内参矩阵A为：
Figure 162823DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 530219DEST_PATH_IMAGE049
；
步骤S540，基于所述内参矩阵A，求解外参矩阵
Figure 192145DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 737527DEST_PATH_IMAGE050
。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S700具体包括：
步骤S710，通过最小化两片反射镜的控制电压得到电压误差：
Figure 55376DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 836250DEST_PATH_IMAGE052
表示观察第i行第j列标定点时tilt轴反射镜的控制电压，
Figure 480245DEST_PATH_IMAGE053
表示观察第i行第j列标定点时pan轴反射镜的控制电压，
Figure 586742DEST_PATH_IMAGE054
表示pan轴反射镜的电压误 差，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示tilt轴反射镜的电压误差，
Figure 798411DEST_PATH_IMAGE056
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的x方向分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的y方向分量，
Figure 304348DEST_PATH_IMAGE058
表示第i行 第j列的空间点在振镜坐标系内的z方向分量；
步骤S720，最小化
Figure 675286DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 890367DEST_PATH_IMAGE055
，确定
Figure 589333DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 243168DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，完成振镜相机的主动标 定。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S720，具体为：
通过lm算法调整
Figure 593247DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 979229DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，直至所述电压误差
Figure 555703DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 623017DEST_PATH_IMAGE055
均小于预设 的允许标准差阈值
Figure 702968DEST_PATH_IMAGE061
，确定
Figure 525431DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 448256DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
本发明的另一方面，提出了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定系统，包括：初始表达式构建模块、控制电压记录模块、空间点与电压映射确定模块、内参矩阵与外参矩阵获取模块和误差处理模块；
所述初始表达式构建模块，配置为在空间中设置不同位姿的标定板，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
所述控制电压记录模块，配置为在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
所述空间点与电压映射确定模块，配置为基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
所述内参矩阵与外参矩阵获取模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
所述精确映射关系获取模块，配置为基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
所述误差处理模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法方法。
本发明的第四方面，提出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指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法方法。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过建立空间点到振镜控制电压的非线性映射关系，并通过多组空间点与振镜电压的关系，采用线性近似与非线性优化的方式得到准确的振镜关系，降低了振镜标定的误差。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中基于振镜相机的主动视觉三维标定方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中振镜模型示意图；
图3是本发明实施例中振镜相机控制设备示意图；
图4是本发明实施例中Pan轴空间点重投影控制电压误差对比图；
图5是本发明实施例中tilt轴空间点重投影控制电压误差对比图；
图6是本发明实施例中的标定板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，本方法通过建立空间点到振镜控制电压的非线性映射关系，并通过多组空间点与振镜电压的关系，采用线性近似与非线性优化的方式得到准确的振镜关系，降低了振镜标定的误差。
所述方法包括：
步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；
步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
为了更清晰地对本发明系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
本实施例在振镜相机控制设备中运用，如图3所示，包括控制电脑、D/A转换卡、振镜控制卡、扫描振镜和高速相机；控制电脑发送数字控制电压至D/A转换器，然后输出模拟控制电压到扫描振镜，从而偏转反射镜角度，调整高速相机的视野。
本发明第一实施例的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，包括：
步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；本实施例中用到的标定板如图6所示；
步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；振镜相机模型如图2所示；
在本实施例中，所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：
Figure 443894DEST_PATH_IMAGE001
Figure 253718DEST_PATH_IMAGE002
其中，空间点P在世界坐标系内的齐次坐标为
Figure 247082DEST_PATH_IMAGE062
，其 中，
Figure 532570DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 922444DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 242567DEST_PATH_IMAGE065
分别为空间点P在世界坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；空 间点P在振镜坐标系内的坐标为
Figure 78936DEST_PATH_IMAGE066
，其中，
Figure 789403DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 861264DEST_PATH_IMAGE070
和
Figure 426107DEST_PATH_IMAGE072
分别为空间点P在振镜坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；
Figure 292431DEST_PATH_IMAGE030
为旋转平移矩阵，其中R表示 旋转向量，t表示平移向量；
Figure 755774DEST_PATH_IMAGE073
表示tilt轴反射镜的数字控制电压，
Figure 241113DEST_PATH_IMAGE074
表示pan轴反射 镜的数字控制电压，
Figure 535828DEST_PATH_IMAGE060
表示tilt轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 697688DEST_PATH_IMAGE059
表示pan轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 648326DEST_PATH_IMAGE075
表示tilt轴反射 镜的偏转角度，
Figure 61990DEST_PATH_IMAGE076
表示tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离。
步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
在一些优选的实施方式中，步骤S300，具体为：
选取空间中的n个空间标定点作为空间标定点集
Figure 86578DEST_PATH_IMAGE077
，调整振 镜偏转角度，使振镜光路对准所述空间标定点，记录使空间标定点正好落在振镜相机中心 时的控制电压集合
Figure 560285DEST_PATH_IMAGE078
，其中控制电压U的齐次坐标形式为
Figure 654012DEST_PATH_IMAGE079
；
步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
在本实施例中，所述步骤S400，具体为：
在实际应用中，偏转角度
Figure 809049DEST_PATH_IMAGE022
值，
Figure 812777DEST_PATH_IMAGE023
且
Figure 332752DEST_PATH_IMAGE024
，以
Figure 789141DEST_PATH_IMAGE022
替代
Figure 747869DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 733668DEST_PATH_IMAGE026
； tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离e远小于空间点P在振镜坐标系内的坐标
Figure 814756DEST_PATH_IMAGE066
的深度分量
Figure 633807DEST_PATH_IMAGE028
，将e近似为0；
获得近似振镜模型：
Figure 130648DEST_PATH_IMAGE080
其中，s表示从齐次形式中提取的比例因子，A表示近似振镜模型的内参矩阵，将旋 转平移矩阵
Figure 843389DEST_PATH_IMAGE030
定义为外参矩阵；
空间点P在世界坐标系内的齐次坐标
Figure 220013DEST_PATH_IMAGE031
通过单应矩阵H与控制电压的齐次坐标
Figure 650994DEST_PATH_IMAGE032
建立联系，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系：
Figure 623629DEST_PATH_IMAGE033
基于所述空间标定点集和振镜控制标定电压，通过SVD方法或最小二乘法求解所述单应矩阵H。
本实施例中求得的单应矩阵H为：
Figure 394139DEST_PATH_IMAGE081
单应矩阵被定义为一个比例因子；
步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
在本实施例中，所述步骤S500，包括：
步骤S510，所述旋转平移矩阵
Figure 551451DEST_PATH_IMAGE030
由三个旋转向量和一个平移向量构成，以
Figure 859941DEST_PATH_IMAGE034
表 示旋转平移矩阵的第i列，所述旋转平移矩阵的详细表示为：
Figure 698584DEST_PATH_IMAGE082
其中，
Figure 385918DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 855076DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 995071DEST_PATH_IMAGE038
表示旋转矩阵
Figure 824355DEST_PATH_IMAGE039
的三列，
Figure 569457DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 68572DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 836808DEST_PATH_IMAGE038
之间存在单位正交的关 系：
Figure 813991DEST_PATH_IMAGE083
步骤S520，通过单应矩阵H和近似振镜模型的内参矩阵A表示旋转矩阵有：
Figure 621058DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure 291074DEST_PATH_IMAGE042
表示单应矩阵H的第i列；
记
Figure 608923DEST_PATH_IMAGE085
，则过程矩阵B为：
Figure 265163DEST_PATH_IMAGE086
其中，
Figure 47174DEST_PATH_IMAGE045
表示过程矩阵B的第1行第1列的元素，
Figure 12725DEST_PATH_IMAGE046
表示过程矩阵B的第2行第2列 的元素，
Figure 817870DEST_PATH_IMAGE047
表示过程矩阵B的第3行第3列的元素；
步骤S530，通过SVD分解的方式，求解B矩阵，获得内参矩阵A为：
Figure 668014DEST_PATH_IMAGE087
其中，
Figure 914319DEST_PATH_IMAGE088
；
通过旋转矩阵的旋转向量相互正交且模长为1的内在关系，分离内参得内参矩阵A为：
Figure 926137DEST_PATH_IMAGE089
步骤S540，基于所述内参矩阵A，求解外参矩阵
Figure 952999DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 465889DEST_PATH_IMAGE050
。
本实施例中求得的外参矩阵为：
Figure 956913DEST_PATH_IMAGE090
步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，完成振镜相机的主动标定。
在本实施例中，所述步骤S700具体包括：
步骤S710，通过最小化两片反射镜的控制电压得到电压误差：
Figure 14999DEST_PATH_IMAGE091
其中，
Figure 794736DEST_PATH_IMAGE052
表示观察第i行第j列标定点时tilt轴反射镜的控制电压，
Figure 721104DEST_PATH_IMAGE053
表示观察第i行第j列标定点时pan轴反射镜的控制电压，
Figure 925689DEST_PATH_IMAGE054
表示pan轴反射镜的电压误 差，
Figure 810469DEST_PATH_IMAGE055
表示tilt轴反射镜的电压误差，
Figure 484026DEST_PATH_IMAGE056
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的x方向分量，
Figure 151768DEST_PATH_IMAGE057
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的y方向分量，
Figure 351805DEST_PATH_IMAGE058
表示第i行 第j列的空间点在振镜坐标系内的z方向分量；
步骤S720，最小化
Figure 535050DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 554958DEST_PATH_IMAGE055
，确定
Figure 291970DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 221880DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，完成振镜相机的主动标 定。具体包括：通过lm算法调整
Figure 182883DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 80300DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，直至所述电压误差
Figure 355424DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 264474DEST_PATH_IMAGE055
均小于 预设的允许标准差阈值
Figure 271744DEST_PATH_IMAGE061
，确定
Figure 531824DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 532010DEST_PATH_IMAGE060
，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
在本实施例中求得的拟合解为：
Figure 764409DEST_PATH_IMAGE092
Figure 801635DEST_PATH_IMAGE093
Figure 689956DEST_PATH_IMAGE095
cm
Figure 103620DEST_PATH_IMAGE096
将空间点的真值控制电压与线性单应矩阵以及本方法计算的控制电压进行对比，如图4和图5所示，分别为Pan轴和Tilt轴上空间点重投影与真值的误差。在非线性度最高的Pan轴上，误差都在0.01V内，在Tilt轴中也是如此，取得了良好的标定效果。
本发明第二实施例的一种基于振镜相机的主动视觉三维标定系统，包括：初始表达式构建模块、控制电压记录模块、空间点与电压映射确定模块、内参矩阵与外参矩阵获取模块和误差处理模块；
所述初始表达式构建模块，配置为在空间中设置不同位姿的标定板，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
所述控制电压记录模块，配置为在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
所述空间点与电压映射确定模块，配置为基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
所述内参矩阵与外参矩阵获取模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
所述精确映射关系获取模块，配置为基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
所述误差处理模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，完成振镜相机的主动标定。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法。
本发明第四实施例的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指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；
步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
2.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：
Figure 343906DEST_PATH_IMAGE001
Figure 427400DEST_PATH_IMAGE002
其中，空间点P在世界坐标系内的齐次坐标为
Figure 396493DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 738481DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 476630DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 262184DEST_PATH_IMAGE006
分别为空间点P在世界坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；空间点P在 振镜坐标系内的坐标为
Figure 718573DEST_PATH_IMAGE007
，其中，
Figure 677301DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 660170DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 475679DEST_PATH_IMAGE010
分别为空间点P在振镜坐 标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；
Figure 294730DEST_PATH_IMAGE011
为旋转平移矩阵，其中R表示旋转向量，t表示平移向量；
Figure 853888DEST_PATH_IMAGE012
表示tilt轴反射镜的数字控制电压，
Figure 691263DEST_PATH_IMAGE013
表示pan轴反射镜的数字控 制电压，
Figure 880936DEST_PATH_IMAGE014
表示tilt轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 311917DEST_PATH_IMAGE015
表示 pan轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，
Figure 550131DEST_PATH_IMAGE016
表示tilt轴反射镜的偏转 角度，
Figure 117379DEST_PATH_IMAGE017
表示tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离。
3.根据权利要求2所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，步骤S300，具体为：
选取空间中的n个空间标定点作为空间标定点集
Figure 477953DEST_PATH_IMAGE018
，调整振镜偏 转角度，使振镜光路对准所述空间标定点，记录使空间标定点正好落在振镜相机中心时的 控制电压集合
Figure 258215DEST_PATH_IMAGE019
，其中控制电压U的齐次坐标形式为
Figure 424754DEST_PATH_IMAGE020
。
4.根据权利要求2所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S400，具体为：
在实际应用中，偏转角度
Figure 987453DEST_PATH_IMAGE021
值，
Figure 518929DEST_PATH_IMAGE022
且
Figure 658923DEST_PATH_IMAGE023
，以
Figure 488208DEST_PATH_IMAGE021
替代
Figure 30048DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 404528DEST_PATH_IMAGE025
；tilt 轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离e远小于空间点P在振镜坐标系内的坐标
Figure 235081DEST_PATH_IMAGE007
的深度分量
Figure 743423DEST_PATH_IMAGE010
，将e近似为0；
获得近似振镜模型：
Figure 529982DEST_PATH_IMAGE026
其中，s表示从齐次形式中提取的比例因子，A表示近似振镜模型的内参矩阵，将旋转平 移矩阵
Figure 403260DEST_PATH_IMAGE011
定义为外参矩阵；
空间点P在世界坐标系内的齐次坐标
Figure 252267DEST_PATH_IMAGE027
通过单应矩阵H与控制电压的齐次坐标
Figure 174087DEST_PATH_IMAGE028
建立 联系，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系：
Figure 956098DEST_PATH_IMAGE029
基于所述空间标定点集和振镜控制标定电压，通过SVD方法或最小二乘法求解所述单应矩阵H。
5.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S500，包括：
步骤S510，所述旋转平移矩阵
Figure 921649DEST_PATH_IMAGE011
由三个旋转向量和一个平移向量构成，以
Figure 461215DEST_PATH_IMAGE030
表示旋 转平移矩阵的第i列，所述旋转平移矩阵的详细表示为：
Figure 45780DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 557664DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 569482DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 861923DEST_PATH_IMAGE034
表示旋转矩阵
Figure 106304DEST_PATH_IMAGE035
的三列，
Figure 597328DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 920993DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 231889DEST_PATH_IMAGE034
之间存在单位正交的关系：
Figure 361519DEST_PATH_IMAGE036
步骤S520，通过单应矩阵H和近似振镜模型的内参矩阵A表示旋转矩阵有：
Figure 831684DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 450884DEST_PATH_IMAGE038
表示单应矩阵H的第i列；
记
Figure 124442DEST_PATH_IMAGE039
，则过程矩阵B为：
Figure 57763DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 257800DEST_PATH_IMAGE041
表示过程矩阵B的第1行第1列的元素，
Figure 172535DEST_PATH_IMAGE042
表示过程矩阵B的第2行第2列的元 素，
Figure 458023DEST_PATH_IMAGE043
表示过程矩阵B的第3行第3列的元素；
步骤S530，通过SVD分解的方式，求解B矩阵，获得内参矩阵A为：
Figure 195035DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure 124945DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 820368DEST_PATH_IMAGE046
；
步骤S540，基于所述内参矩阵A，求解外参矩阵
Figure 983365DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 258489DEST_PATH_IMAGE047
。
6.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S700具体包括：
步骤S710，通过最小化两片反射镜的控制电压得到电压误差：
Figure 167539DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 440388DEST_PATH_IMAGE049
表示观察第i行第j列标定点时tilt轴反射镜的控制电压，
Figure 434889DEST_PATH_IMAGE050
表示 观察第i行第j列标定点时pan轴反射镜的控制电压，
Figure 513704DEST_PATH_IMAGE051
表示pan轴反射镜的电压误差，
Figure 404824DEST_PATH_IMAGE052
表示tilt轴反射镜的电压误差，
Figure 973208DEST_PATH_IMAGE053
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的x方 向分量，
Figure 330371DEST_PATH_IMAGE054
表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的y方向分量，
Figure 947298DEST_PATH_IMAGE055
表示第i行第j 列的空间点在振镜坐标系内的z方向分量；
步骤S720，最小化
Figure 830940DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 694860DEST_PATH_IMAGE052
，确定
Figure 663953DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 756674DEST_PATH_IMAGE014
，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
7.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S720，具体为：
通过lm算法调整
Figure 698085DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 342693DEST_PATH_IMAGE014
，e，R，t，直至所述电压误差
Figure 189295DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 944761DEST_PATH_IMAGE052
均小于预设的允许 标准差阈值
Figure 6258DEST_PATH_IMAGE056
，确定
Figure 697134DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 640819DEST_PATH_IMAGE014
，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
8.一种基于振镜相机的主动视觉三维标定系统，其特征在于，所述系统包括：初始表达式构建模块、控制电压记录模块、空间点与电压映射确定模块、内参矩阵与外参矩阵获取模块和误差处理模块；
所述初始表达式构建模块，配置为在空间中设置不同位姿的标定板，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；
所述控制电压记录模块，配置为在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；
所述空间点与电压映射确定模块，配置为基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；
所述内参矩阵与外参矩阵获取模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；
所述精确映射关系获取模块，配置为基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
所述误差处理模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
9.一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法。
10.一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指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法。
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