CN117351091A - 一种相机阵列标定装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字化测量设备技术领域，特别是涉及一种相机阵列标定装置及其使用方法，所述标定装置包括标定装置主体、反光球以及标志点；所述标定装置主体呈正二十面体，所述标定装置主体的每个面上随机粘贴有n个标志点，所述反光球安装在标定装置主体的顶点上，包括两种直径规格。通过本标定装置及其使用方法，能在不同视角下获取特征点坐标信息，实现大夹角相机外参高精高效标定，能有效解决现有技术中标定误差较大，甚至无法标定的问题。

Description

一种相机阵列标定装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及数字化测量设备技术领域，特别是涉及一种相机阵列标定装置及其使用方法。

背景技术

在飞机整机装配完成之后，需要对飞机外形、水平测量点进行测量，由于飞机尺寸较大，需要搭建多层、多相机的阵列测量场，测量场相机标定分为内参与外参标定，内参标定可通过传统标定方法逐个完成，对于外参标定通常采用标定板对相机逐个“链式标定”，但对于夹角较大的相机由于可视性等影响导致出现标定误差较大，甚至无法标定的现象。

现有技术中，提出了公开号为CN108765494A，发明名称为“一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法”的发明专利，以及公开号为CN106780624A，发明名称为“一种基于参照物的多相机标定方法及装置”的发明专利，上述技术方案提出了的标定装置，能够同时标定多台相机，但是其相机间外参根本上还是依靠相邻相机对相同区域成像进行标定，无法解决大夹角相机的标定，如拍摄方向相反的相机的标定。

现有技术中，提出了公开号为CN114549651A，发明名称为“一种基于多面体几何约束的多个3D相机标定方法和设备”的发明专利，提出了一种基于多面体的标定方法，能够不依靠同一区域成像对相机外参进行标定，但这种方法需要引入深度相机获取多面体表面点云，深度相机与普通相机之间还需进行外参标定，带来硬件成本增加、标定误差积累以及效率低的问题；且无法对相机内参进行标定，需要额外的标定装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种相机阵列标定装置及其使用方法，能有效解决现有技术中标定误差较大，甚至无法标定的问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种相机阵列标定装置，包括标定装置主体、反光球以及标志点；所述标定装置主体呈正二十面体，所述标定装置主体的每个面上随机粘贴有n个标志点，n≥3，n个标志点不能共线或者重叠；所述标志点为反光标志点，其直径为d₁，标志点离标定装置主体的棱边距离大于0.5d₁；所述反光球安装在标定装置主体的顶点上，包括d₂和d₃两种直径规格，d₂＝2d₁，d₃＝3d₁；

所述标志点的直径d₁满足下式：

式中，L为相机标定距离，f为镜头焦距，μ为单像素尺寸；

所述标定装置主体的边长m满足下式：

一种相机阵列标定装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S₁.单相机内参标定，具体包括：

步骤S₁₁.获取反光球世界坐标，即任意选定1个顶点安装直径为d₂的反光球，在与该顶点相连的5条棱边的其他顶点按顺序分别安装一个直径为d₃反光球以及四个直径为d₂的反光球；将标定装置固定，获取这6个反光球球心空间坐标；

步骤S₁₂.提取反光球区域，

步骤S₁₃.根据步骤S₁₂中的反光球区域，获取反光球像素坐标，

步骤S₁₄.以步骤S₁₁中得到的反光球的坐标作为世界坐标系下的坐标，以步骤S₁₃中得到的反光球的坐标作为像素坐标系下坐标，解算出相机内参与步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参；

步骤S₂.小夹角相机相对外参标定，包括：

步骤S₂₁.单相机外参计算，

步骤S₂₂.相机间相对外参计算；

步骤S₃.大夹角相机相对外参标定，包括：

步骤S₃₁.标定前准备，即拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球，在其余所有角点上安装直径为d₂的反光球；将标定装置放置于两两相对的4个相机视场公共区，并同时拍摄图片；

步骤S₃₂.平面上标志点提取；

步骤S₃₃.公共点坐标计算；

步骤S₃₄.相对外参计算。

所述步骤S₁₂具体指：将标定装置主体放置于待标定相机前，使步骤S₁₁中所述6个反光球均能被待标定相机拍摄到，将得到的图片进行二值化操作，提取面积最大的6个区域，即为6个反光球区域。

所述步骤S₁₃具体指：

分别计算S₁₂中得到的6个反光球区域的质心坐标，按顺序分别为(u_i,v_i)，其中i＝1,2,...,6；按下式计算得到中间点，设其坐标为(u₁’,v₁’)：

提取步骤S₁₂中面积最大反光球区域的质心坐标，以该坐标作为起点，绕(u₁’,v₁’)沿顺时针依次排序，得到点序列(u_i’,v_i’)，其中i＝1,2,...,6。

所述步骤S₂₁具体指：将步骤S₁₁中的标定装置，放置于小夹角相机对视场交汇区域，保证两相机均能拍摄到步骤S₁₁中所述的6个反光球，按步骤S₁₁～步骤S₁₄中方法分别得到两个相机在步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参R₁、t₁与R₂、t₂。

所述步骤S₂₂具体指：使用以下方法计算两相机相对外参R与t：

所述步骤S₃₁具体指：在使用步骤S₂完成所有小夹角相机相对外参标定后，拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球，在其余所有顶点上安装直径为d₂的反光球；将标定装置放置于两两相对的4个相机视场公共区，并同时拍摄图片。

所述步骤S₃₂具体指：在步骤S₂中已经获取一侧相邻相机间相对外参，利用双目视觉定位原理，得到反光球球心空间坐标以及标志点空间坐标集合A；设集合A中与单侧任一相机距离最小的点为P₁，利用几何关系提取P₁相邻的5个面上的标志点坐标；同理对另一侧相机获得的图像执行相同的步骤，获取在另一侧相机视角下的标志点坐标。

所述步骤S₃₃具体指：利用步骤S₃₂提取的标志点，使用平面拟合方法分别拟合同一侧出5个平面方程，联立5个平面方程，采用最小二乘法解出交点坐标q＝(x_p,y_p,z_p)，设5个平面朝面内方向的单位法向量分别为e₁、e₂、e₃、e₄、e₅，按下式计算公共点坐标k；同理对另一侧获得的图像执行相同的步骤，获取在另一侧视角下的公共点坐标k’；

所述步骤S₃₄具体是指，在满足步骤S₃₁条件的情况下，随机调整l次(l≥3)标定装置位置及姿态，执行步骤S₃₂与步骤S₃₃，获取l组公共点坐标k与k’，组成齐次矩阵K与K’，即下式所示：

再利用下式计算两两相对的4个相机场之间成像坐标系间的相对外参矩阵M_R，完成外参标定：

M_R＝(K^TK)^-1K^TK′。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本发明的适用性更广，能够实现对无法拍摄到同一特征区域的相机进行外参标定，外参标定时可在任何角度拍摄本发明的标定装置。

2、本发明标定精度高，标定过程采用多点拟合、多面相交的算法，减小了标定装置本身误差的影响。

3、本发明操作更高效，相比传统棋盘格标定方法，在外参标定过程本发明中的标定装置可在任意方向成像，无需特意调整方向。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明中标定装置的示意图；

图2为典型相机场示意图；

图3为本发明中标定装置内参标定状态示意图；

图4为本发明内参标定图片处理过程示意图；

图5为本发明反光球序列确定过程示意图；

图中标记：

1、标定装置主体，2、反光球，201、第一反光球，202、第二反光球，203、第三反光球，204、第四反光球，205、第五反光球，206、第六反光球，3、标志点，4、第一相机，5、第二相机，6、第三相机，7、第四相机，8、第五相机。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基本实施方式，本发明包括一种相机阵列标定装置，包括标定装置主体1、反光球2以及标志点3。所述标定装置主体1呈正二十面体，所述标定装置主体1的每个面上随机粘贴有n个标志点3，n≥3，n个标志点3不能共线或者重叠。所述标志点3为反光标志点，其直径为d₁，标志点3离标定装置主体1的棱边距离大于0.5d₁。所述反光球2安装在标定装置主体1的顶点上，包括d₂和d₃两种直径规格，d₂＝2d₁，d₃＝3d₁。

具体的，所述标志点3的直径d₁满足下式：

式中，L为相机标定距离，f为镜头焦距，μ为单像素尺寸。

所述标定装置主体1的边长m满足下式：

通过本标定装置，利用正二十面体的几何特性，在不同视角下获取特征点坐标信息，能实现大夹角相机外参高精高效标定。

实施例2

作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种相机阵列标定装置，包括标定装置主体1、反光球2以及标志点3。所述标定装置主体1呈正二十面体，所述标定装置主体1的每个面上随机粘贴有n个标志点3，n≥3，n个标志点3不能共线或者重叠。所述标志点3为反光标志点，其直径为d₁，标志点3离标定装置主体1的棱边距离大于0.5d₁。所述反光球2安装在标定装置主体1的顶点上，包括d₂和d₃两种直径规格，d₂＝2d₁，d₃＝3d₁。

所述标志点3的直径d₁满足下式：

式中，L为相机标定距离，f为镜头焦距，μ为单像素尺寸。

所述标定装置主体1的边长m满足下式：

上述标定装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S₁.单相机内参标定。具体包括以下步骤：

步骤S₁₁.获取反光球2世界坐标，即任意选定1个顶点安装直径为d₂的反光球2，在与该顶点相连的5条棱边的其他顶点按顺序分别安装一个直径为d₃反光球2以及四个直径为d₂的反光球2。将标定装置固定，获取这6个反光球2球心空间坐标。

步骤S₁₂.将标定装置主体1放置于待标定相机前，使步骤S₁₁中6个反光球2均能被待标定相机拍摄到，提取反光球区域。

步骤S₁₃.根据步骤S₁₂中的反光球区域，获取反光球2像素坐标。

步骤S₁₄.以步骤S₁₁中得到的反光球2的坐标作为世界坐标系下的坐标，以步骤S₁₃中得到的反光球2的坐标作为像素坐标系下坐标，解算出相机内参与步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参。

步骤S₂.小夹角相机相对外参标定。具体包括以下步骤：

步骤S₂₁.将步骤S₁₁中的标定装置放置在小夹角相机对视场交汇区域，保证两相机均能拍摄到步骤S₁₁所述6个反光球2，计算单相机外参。

步骤S₂₂.利用两个相机的单相机外参，计算相机间相对外参。

步骤S₃.大夹角相机相对外参标定。具体包括以下步骤：

步骤S₃₁.标定前准备，即拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球2，在其余所有角点上安装直径为d₂的反光球2；将标定装置放置于两两相对的4个相机视场公共区，并同时拍摄图片。

步骤S₃₂.利用双目视觉定位原理，提取平面上标志点3。

步骤S₃₃.利用提取的标志点3，计算公共点坐标。

步骤S₃₄.相对外参计算，即计算两两相对的4个相机场之间成像坐标系间的相对外参矩阵。

实施例3

作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种相机阵列标定装置，参照说明书附图1，包括标定装置主体1、反光球2以及标志点3。所述标志点3为反光标志点，其直径为d₁。设相机标定距离约为L、镜头焦距为f、单像素尺寸为μ，则标志点3的直径d₁需满足下式：

所述标定装置主体1呈正二十面体，其边长m满足下式：

所述标定装置主体1的每个面上随机粘贴有n个标志点3，n≥3，n个标志点3不能共线或者重叠。标志点3离标定装置主体1的棱边距离需大于0.5d₁；所述反光球2为可拆卸式设计，可安装在标定装置主体1的顶点上，包括d₂和d₃两种直径规格，d₂＝2d₁，d₃＝3d₁。

参照说明书附图2，典型相机阵列场可分为小夹角相机对(如图中第一相机4与第二相机5、第一相机4与第三相机6等)，大夹角相机对(如第一相机4与第四相机7、第一相机4与第五相机8等)。

上述标定装置的使用方法，分为3步，包括：

步骤S₁.单相机内参标定。

所述步骤S₁可分为4步，具体包括以下步骤：

步骤S₁₁.获取反光球2世界坐标。参照说明书附图3，任意选定1个顶点安装直径为d₂的第一反光球201，在与该顶点相连的5条棱边的其他顶点分别安装直径为d₃第二反光球202以及直径为d₂的第三反光球203、第四反光球204、第五反光球205、第六反光球206。将标定装置固定，使用激光跟踪仪或者其他高精度测量工具获取这6个反光球2球心空间坐标，设按第一反光球201～第六反光球206的顺序分别为(x_i,y_i,z_i)，其中i＝1,2,...,6。

步骤S₁₂.提取反光球区域。参照说明书附图4，将标定装置主体1放置于待标定相机前，使步骤S₁₁中所述6个反光球2均能被待标定相机拍摄到，将得到的图片进行二值化操作，提取面积最大的6个区域，即为6个反光球区域。

步骤S₁₃：获取反光球2像素坐标。参照说明书附图5，分别计算步骤S₁₂中得到的6个反光球区域的质心坐标，分别为(u_i,v_i)，其中i＝1,2,...,6。按下式计算得到点为中间点，即步骤S₁₁所述第一反光球201，设其坐标为(u₁’,v₁’)；提取步骤S₁₂中面积最大反光球区域的质心坐标，以该坐标作为起点，绕(u₁’,v₁’)沿顺时针依次排序，得到点序列(u_i’,v_i’)，其中i＝1,2,...,6；

步骤S₁₄.相机内参标定。以步骤S₁₁中得到的坐标(x_i,y_i,z_i)作为世界坐标系下的坐标，以步骤S₁₃中得到的坐标(u_i’,v_i’)作为像素坐标系下坐标，采用常用的标定算法可解算出相机内参与步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参。

步骤S₂.小夹角相机相对外参标定。

所述步骤S₂可分为2步，具体包括以下步骤：

步骤S₂₁.单相机外参计算。将步骤S₁₁中安装状态的标定装置，放置于小夹角相机对视场交汇区域，保证两相机均能拍摄到步骤S₁₁所述6个反光球2，按步骤S₁₁～步骤S₁₄中方法分别得到两个相机在步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参R₁、t₁与R₂、t₂。

步骤S₂₂.相机间相对外参计算。使用下式计算两相机相对外参R与t：

步骤S₃.大夹角相机相对外参标定。

所述步骤S₃可分为4步，具体包括以下步骤：

步骤S₃₁.标定前准备。在使用步骤S₂完成所有小夹角相机相对外参标定后，拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球2，在其余所有角点上安装直径为d₂的反光球2。以标定第一相机4与第四相机7为例，将标定装置放置于第一相机4、第二相机5、第四相机7、第五相机8视场交汇区，控制第一相机4、第二相机5、第四相机7、第五相机8同时获取图像。

步骤S₃₂.平面上标志点3提取。在步骤S₂中已经获取第一相机4与第二相机5间相对外参，利用双目视觉定位原理，可得到反光球2球心空间坐标以及标志点3空间坐标集合A。设集合A中与第一相机4距离最小的点为P₁，利用几何关系提取P₁相邻的5个面上的标志点3坐标。同理对第四相机7与第五相机8获得的图像执行相同的步骤，获取在第四相机7与第五相机8视角下的标志点3坐标。

步骤S₃₃.公共点坐标计算。利用步骤S₃₂提取的标志点3，使用平面拟合方法分别拟合出5个平面方程，联立5个平面方程，采用最小二乘法解出交点坐标q＝(x_p,y_p,z_p)，设5个平面朝面内方向的单位法向量分别为e₁、e₂、e₃、e₄、e₅，按下式计算公共点坐标k；同理对第四相机7与第五相机8获得的图像执行相同的步骤，获取在第四相机7与第五相机8视角下的公共点坐标k’；

步骤S₃₄.相对外参计算。在满足步骤S₃₁条件的情况下，随机调整l次(l≥3)标定装置位置及姿态，执行步骤S₃₂与步骤S₃₃，获取l组公共点坐标k与k’，组成齐次矩阵K与K’，即下式所示：

再利用下式计算第一相机4、第二相机5所用坐标系与第四相机7、第五相机8成像坐标系间的相对外参矩阵M_R，完成外参标定：

M_R＝(K^TK)^-1K^TK′。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种相机阵列标定装置，其特征在于：包括标定装置主体(1)、反光球(2)以及标志点(3)；所述标定装置主体(1)呈正二十面体，所述标定装置主体(1)的每个面上随机粘贴有n个标志点(3)，n≥3，n个标志点(3)不能共线或者重叠；所述标志点(3)为反光标志点，其直径为d₁，标志点(3)离标定装置主体(1)的棱边距离大于0.5d₁；所述反光球(2)安装在标定装置主体(1)的顶点上，包括d₂和d₃两种直径规格，d₂＝2d₁，d₃＝3d₁；

所述标志点(3)的直径d₁满足下式：

式中，L为相机标定距离，f为镜头焦距，μ为单像素尺寸；

所述标定装置主体(1)的边长m满足下式：

2.一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S₁.单相机内参标定，具体包括：

步骤S₁₁.获取反光球(2)世界坐标，即任意选定1个顶点安装直径为d₂的反光球(2)，在与该顶点相连的5条棱边的其他顶点按顺序分别安装一个直径为d₃反光球(2)以及四个直径为d₂的反光球(2)；将标定装置固定，获取这6个反光球(2)球心空间坐标；

步骤S₁₂.提取反光球区域，

步骤S₁₃.根据步骤S₁₂中的反光球区域，获取反光球(2)像素坐标，

步骤S₁₄.以步骤S₁₁中得到的反光球(2)的坐标作为世界坐标系下的坐标，以步骤S₁₃中得到的反光球(2)的坐标作为像素坐标系下坐标，解算出相机内参与步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参；

步骤S₂.小夹角相机相对外参标定，包括：

步骤S₂₁.单相机外参计算，

步骤S₂₂.相机间相对外参计算；

步骤S₃.大夹角相机相对外参标定，包括：

步骤S₃₁.标定前准备，即拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球(2)，在其余所有角点上安装直径为d₂的反光球(2)；将标定装置放置于两两相对的4个相机视场公共区，并同时拍摄图片；

步骤S₃₂.平面上标志点(3)提取；

步骤S₃₃.公共点坐标计算；

步骤S₃₄.相对外参计算。

3.根据权利要求2所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₁₂具体指：将标定装置主体(1)放置于待标定相机前，使步骤S₁₁中所述6个反光球(2)均能被待标定相机拍摄到，将得到的图片进行二值化操作，提取面积最大的6个区域，即为6个反光球区域。

4.根据权利要求3所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₁₃具体指：分别计算S₁₂中得到的6个反光球区域的质心坐标，按顺序分别为(u_i,v_i)，其中i＝1,2,...,6；按下式计算得到中间点，设其坐标为(u₁’,v₁’)：

提取步骤S₁₂中面积最大反光球区域的质心坐标，以该坐标作为起点，绕(u₁’,v₁’)沿顺时针依次排序，得到点序列(u_i’,v_i’)，其中i＝1,2,...,6。

5.根据权利要求2所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₂₁具体指：将步骤S₁₁中的标定装置，放置于小夹角相机对视场交汇区域，保证两相机均能拍摄到步骤S₁₁中所述的6个反光球(2)，按步骤S₁₁～步骤S₁₄中方法分别得到两个相机在步骤S₁₁所用坐标系下的相对外参R₁、t₁与R₂、t₂。

6.根据权利要求5所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₂₂具体指：使用以下方法计算两相机相对外参R与t：

7.根据权利要求2所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₃₁具体指：在使用步骤S₂完成所有小夹角相机相对外参标定后，拆除步骤S₁₁安装的直径为d₃的反光球(2)，在其余所有顶点上安装直径为d₂的反光球(2)；将标定装置放置于两两相对的4个相机视场公共区，并同时拍摄图片。

8.根据权利要求7所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₃₂具体指：在步骤S₂中已经获取一侧相邻相机间相对外参，利用双目视觉定位原理，得到反光球(2)球心空间坐标以及标志点(3)空间坐标集合A；设集合A中与单侧任一相机距离最小的点为P₁，利用几何关系提取P₁相邻的5个面上的标志点(3)坐标；同理对另一侧相机获得的图像执行相同的步骤，获取在另一侧相机视角下的标志点(3)坐标。

9.根据权利要求8所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₃₃具体指：利用步骤S₃₂提取的标志点(3)，使用平面拟合方法分别拟合同一侧出5个平面方程，联立5个平面方程，采用最小二乘法解出交点坐标q＝(x_p,y_p,z_p)，设5个平面朝面内方向的单位法向量分别为e₁、e₂、e₃、e₄、e₅，按下式计算公共点坐标k；同理对另一侧获得的图像执行相同的步骤，获取在另一侧视角下的公共点坐标k’；

10.根据权利要求9所述的一种相机阵列标定装置的使用方法，其特征在于：所述步骤S₃₄具体是指，在满足步骤S₃₁条件的情况下，随机调整l次(l≥3)标定装置位置及姿态，执行步骤S₃₂与步骤S₃₃，获取l组公共点坐标k与k’，组成齐次矩阵K与K’，即下式所示：

再利用下式计算两两相对的4个相机场之间成像坐标系间的相对外参矩阵M_R，完成外参标定：

M_R＝(K^TK)^-1K^TK′。