CN116934871A - 一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及相机标定技术领域，公开了一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质，包括：根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物；通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片提取同时位于多个原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，并通过像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数；根据已知位姿参数的待标定相机确定剩余待标定相机的位姿参数；基于待标定相机的位姿参数构建三维坐标系，并确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值；通过N个标记特征点在工件坐标系上的三维坐标计算得到标定相机的目标位姿；本发明解决了现有的标定方法标定工作量大，容易产生工件浪费的问题。

Description

一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及相机标定技术领域，尤其涉及一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质。
背景技术
随着三维测量技术和多目视觉技术的不断发展，多目测量成为研究热点。而多目测量会根据场景不同、被测物的大小去增加相机的个数，组成对应的多目测量系统。使用多目视觉进行三维测量，首要的步骤就是相机的标定，只有将相机进行标定，才能将相机和世界坐标系建立联系，从而进行三维测量。目前的相机标定大多使用二维标定物进行标定，对于多目视觉系统，二维标定物有时无法被全部相机观测到，通常采用相机逐个标定的方法，计算出所有相机的内外参，随着相机数量的增加，需要采集的标定图片将会成倍增加，工作量过大，而且，在标定时通常将用于标定的带特征的图片粘贴在待测工件表面，粘贴带特征图片的工件便无法再继续使用，从而造成工件的浪费。可见，现有的相机标定方法存在标定工作量大，容易产生工件浪费的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于标定物的多目系统标定方法、系统及存储介质，以解决现有的相机标定方法存在标定工作量大，容易产生工件浪费的问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种基于标定物的多目系统标定方法，包括：
根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，其中，N为正整数；
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，并通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数；
根据已知位姿参数的待标定相机的光心坐标系构建基准坐标系，并基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
基于待标定相机的位姿参数构建三维坐标系，并确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值；
通过N个标记特征点在工件坐标系上的三维坐标计算得到标定相机的目标位姿。
可选的，所述目标标定物包括：表面预设X个标记特征点的标定件和表面预设Y个标记特征点的标定块，其中，X、Y均为正整数，且X+Y＝N；
所述根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，包括：
根据待测工件的数模形状和大小选定对应的标定块和标定件，并将所述标定块和标定件进行组合，使组合后的标定块和标定件的形状和大小与待测工件相符，将组合后的标定块和标定件作为目标标定物。
可选的，所述通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，包括：
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片，并选取拥有共同视野的任意两个待标定相机所获取的两张原始图片；
基于获取的两张原始图片中的标记特征点构建像素坐标。
可选的，所述基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，包括：
在用于构建像素坐标的两张原始图片中获取同时存在于两张原始图片内的标记特征点，并基于所述像素坐标确定该标记特征点的像素坐标值。
可选的，所述通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数，包括：
根据所述像素坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到多个待标定相机中其中一个待标定相机对应像素坐标的位姿参数。
可选的，所述基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数，包括：
选取与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机所获取的原始图片，并在原始图片中获取同时存在于多个原始图片内的标记特征点，并基于所述基准坐标系确定该标记特征点的基准坐标值；
根据所述基准坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机相对于已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
根据上述步骤增量式地求解其他待标定相机的位姿参数直到所有待标定相机的位姿参数全部已知。
可选的，所述确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标，包括：
通过三角测量方法计算两个角度或多个角度共同标记特征点的三维坐标，并依次求解N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标。
可选的，所述通过N个标记特征点的三维坐标计算待标定相机的目标位姿，包括：
基于目标标定物的形状和大小构建工件坐标系，并将N个标记特征点的三维坐标值转换到工件坐标系中得到N各标记特征点的工件坐标值；
通过光束平差优化方法对所述工件坐标值进行位置优化确定工件坐标系下待标定相机的目标位姿。
第二方面，本申请实施例提供一种基于标定物的多目系统标定系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面中任一所述方法的步骤。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。
有益效果：
本发明提供的基于标定物的多目系统标定方法，通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，便可基于原始图片提取同时位于多个原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，计算其中一个待标定相机对应的位姿参数，接着根据已知位姿参数的待标定相机确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数，从而确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值，最后通过N个标记特征点的三维坐标计算待标定相机的目标位姿；该方法能够避免传统在待测工件上粘贴标记特征点而导致的工件浪费，同时目标标定物能够重复使用且针对不同待测工件可以进行特殊组合标定，既满足了高精度标定的需求，也避免了浪费。
附图说明
图1为本发明优选实施例的基于标定物的多目系统标定方法的流程图；
图2为本发明优选实施例的标定块和标定件的结构示意图；
图3为本发明优选实施例的获取目标标定物在不同视角下原始图片的示意图。
具体实施方式
下面对本发明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作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。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参见图1-3，本申请实施例提供一种基于标定物的多目系统标定方法，包括：
根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，其中，N为正整数；
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，并通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数；
根据已知位姿参数的待标定相机的光心坐标系构建基准坐标系，并基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
基于待标定相机的位姿参数构建三维坐标系，并确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值；
通过N个标记特征点在工件坐标系上的三维坐标计算得到标定相机的目标位姿。
在上述实施例中，通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，便可基于原始图片提取同时位于多个原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，计算其中一个待标定相机对应的位姿参数，接着根据已知位姿参数的待标定相机确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数，从而确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值，最后通过N个标记特征点的三维坐标计算待标定相机的目标位姿；该方法能够避免传统在待测工件上粘贴标记特征点而导致的工件浪费，同时目标标定物能够重复使用且针对不同待测工件可以进行特殊组合标定，既满足了高精度标定的需求，也避免了浪费。
可选的，所述目标标定物包括：表面预设X个标记特征点的标定件和表面预设Y个标记特征点的标定块，其中，X、Y均为正整数，且X+Y＝N；
所述根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，包括：
根据待测工件的数模形状和大小选定对应的标定块和标定件，并将所述标定块和标定件进行组合，使组合后的标定块和标定件的形状和大小与待测工件相符，将组合后的标定块和标定件作为目标标定物。
在上述实施例中，目标标定物通过标定件和标定块组合获得，使得在使用目标标定物进行标定时，能够针对不同形状大小的待测工件能够通过对标定块和标定件进行组合而得到，既满足了高精度标定的需求，同时也避免了标定物的浪费。
标定块和标定件如图2所示，图2中左侧为标定块，图2中右侧为标定件。
可选的，所述通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，包括：
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片，并选取拥有共同视野的任意两个待标定相机所获取的两张原始图片；
基于获取的两张原始图片中的标记特征点构建像素坐标。
在上述实施例中，根据测量工件的数模形状和大小，选定和组合好对应的标定物的样子就可以把该组合好的标定件放入多目系统测量区域中央进行拍摄，其中多目测量系统为在一个暗室中各个位置固定多台相机以及打光的光源，每次测量同时触发多台相机和光源打光进行拍摄，这样就可以得到不同视角下该标定标准件的图片。
进一步值得说明的是，多目测量系统中的待标定相机之间拍摄范围会有重叠部分，从拍摄的每张图片中提取对应的标记特征点能够建立该重叠部分中标记特征点所对应的像素坐标。
可选的，所述基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，包括：
在用于构建像素坐标的两张原始图片中获取同时存在于两张原始图片内的标记特征点，并基于所述像素坐标确定该标记特征点的像素坐标值。
可选的，所述通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数，包括：
根据所述像素坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到多个待标定相机中其中一个待标定相机对应像素坐标的位姿参数。
可选的，所述基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数，包括：
选取与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机所获取的原始图片，并在原始图片中获取同时存在于多个原始图片内的标记特征点，并基于所述基准坐标系确定该标记特征点的基准坐标值；
根据所述基准坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机相对于已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
根据上述步骤增量式地求解其他待标定相机的位姿参数直到所有待标定相机的位姿参数全部已知。
在上述实施例中，通过有共同视野的待标定相机拍摄的原始图像上同一个标记特征点的像素坐标，估计基础矩阵，并通过基础矩阵分解，可以得到一个未知尺度下的相机的相对位姿；然后我们以多目系统中任意一个相机的光心坐标系为基准坐标系，增量式地求解其他相机相对于这一个相机的位姿。
可选的，所述确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标，包括：
通过三角测量方法计算两个角度或多个角度共同标记特征点的三维坐标，并依次求解N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标。
可选的，所述通过N个标记特征点的三维坐标计算待标定相机的目标位姿，包括：
基于目标标定物的形状和大小构建工件坐标系，并将N个标记特征点的三维坐标值转换到工件坐标系中得到N各标记特征点的工件坐标值；
通过光束平差优化方法对所述工件坐标值进行位置优化确定工件坐标系下待标定相机的目标位姿。
在上述实施例中，每个待标定相机位姿确定后可以通过三角测量方法求解两个角度或者多个角度共同标记特征点集的三维坐标，依次求解出每个标记特征点的三维坐标，此时三维坐标是在一个未知尺度的坐标系下的，因此我们可以根据标记特征点的尺寸大小以及待测工件的数模坐标系来对重建出来标记特征点的三维坐标转系，并利用光束平差优化方法进行待标定相机位姿和视觉标记点的位置优化得到最终在待测工件坐标系下的多目测量系统中待标定相机位姿和重建点。
本申请实施例还提供一种基于标定物的多目系统标定系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于标定物的多目系统标定方法中任一所述方法的步骤。
上述的基于标定物的多目系统标定系统，可以实现上述的基于标定物的多目系统标定方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
可选地，本申请实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如上所述的基于标定物的多目系统标定方法的步骤。
该可读存储介质可以实现上述的基于标定物的多目系统标定方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，包括：
根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，其中，N为正整数；
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，并通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数；
根据已知位姿参数的待标定相机的光心坐标系构建基准坐标系，并基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
基于待标定相机的位姿参数构建三维坐标系，并确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标值；
通过N个标记特征点在工件坐标系上的三维坐标计算得到标定相机的目标位姿。
2.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述目标标定物包括：表面预设X个标记特征点的标定件和表面预设Y个标记特征点的标定块，其中，X、Y均为正整数，且X+Y＝N；
所述根据待测工件选定表面预设N个标记特征点的目标标定物，包括：
根据待测工件的数模形状和大小选定对应的标定块和标定件，并将所述标定块和标定件进行组合，使组合后的标定块和标定件的形状和大小与待测工件相符，将组合后的标定块和标定件作为目标标定物。
3.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片并构建像素坐标，包括：
通过多个待标定相机获取目标标定物在不同视角下的原始图片，并选取拥有共同视野的任意两个待标定相机所获取的两张原始图片；
基于获取的两张原始图片中的标记特征点构建像素坐标。
4.根据权利要求1或3所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述基于所述原始图片提取同时位于多个所述原始图片中的标记特征点对应的像素坐标值，包括：
在用于构建像素坐标的两张原始图片中获取同时存在于两张原始图片内的标记特征点，并基于所述像素坐标确定该标记特征点的像素坐标值。
5.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述通过所述像素坐标值计算其中一个待标定相机对应的位姿参数，包括：
根据所述像素坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到多个待标定相机中其中一个待标定相机对应像素坐标的位姿参数。
6.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述基于所述基准坐标系确定剩余待标定相机相对于该已知位姿参数的待标定相机的位姿参数，包括：
选取与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机所获取的原始图片，并在原始图片中获取同时存在于多个原始图片内的标记特征点，并基于所述基准坐标系确定该标记特征点的基准坐标值；
根据所述基准坐标值估计对应标记特征点的基础矩阵，并通过对所述基础矩阵进行分解得到与已知位姿参数的待标定相机拥有共同视野的待标定相机相对于已知位姿参数的待标定相机的位姿参数；
根据上述步骤增量式地求解其他待标定相机的位姿参数直到所有待标定相机的位姿参数全部已知。
7.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，所述确定N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标，包括：
通过三角测量方法计算两个角度或多个角度共同标记特征点的三维坐标，并依次求解N个标记特征点在三维坐标系下的三维坐标。
8.根据权利要求1所述的基于标定物的多目系统标定方法，其特征在于，通过N个标记特征点在工件坐标系上的三维坐标计算得到标定相机的目标位姿，包括：
基于目标标定物的形状和大小构建工件坐标系，并将N个标记特征点的三维坐标值转换到工件坐标系中得到N各标记特征点的工件坐标值；
通过光束平差优化方法对所述工件坐标值进行位置优化确定工件坐标系下待标定相机的目标位姿。
9.一种基于标定物的多目系统标定系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1-8中任一所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法步骤。
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