[发明专利]一种用于立体视觉三维恢复数据精度测量的试验验证方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于立体视觉三维恢复数据精度测量的试验验证方法，属于光学图像量测领域。

背景技术

提高立体视觉测量的精度一直是立体视觉算法研究的重点，但是对于视觉计算数据的测量却是一个较少涉及的问题。一方面因为立体视觉的测量坐标系建立在相机坐标系下，而相机坐标系本身是虚拟的，不方便测量；另一方面，立体视觉测量多数应用需要对整个场景进行恢复，相机拍摄的图像数据本身很多，进行计算后更是一个包含大量数据的离散点云，给测量带来困难。

文献《一种双目立体视觉系统的误差分析方法》中，理论分析了立体视觉中的主要误差来源，并进行了测试分析。将靶标固定在高精度的滑轨上，靶标上的图标是高精度设计的，位置已知，当滑轨移动时，保证靶标上的图标三维位置已知。该方法的测量精度不高，而且只能对靶标图像进行分析。

在JPL的报告《Camera Calibration and Stereo Vision TechnologyValidation Report》中，提出了一种视差精度的分析方法，并给出了测量的结果，并没有说明具体的测量方法。从描述上分析，是利用可以测量的主控目标点放置在背景中，或者测量场景中较平整的目标块。但是这种方法只能对离散点进行测量，数据有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于立体视觉三维恢复数据精度测量的试验验证方法，解决了相机坐标空间测量和不同源的大量离散数据的评定问题。

本发明的技术解决方案：一种用于立体视觉三维恢复数据精度测量的试验验证方法，步骤如下：

第一步，采用标定方法将立体相机对的左相机坐标系引出到与相机固联安装、相对位置不变的基准镜上；

第二步，对相机拍摄的场景用地形扫描设备进行扫描，得到三维扫描数据点云，利用测量设备瞄准基准镜，并采用可被地形扫描设备和测量设备识别的靶标，通过公共点转换方法将测量设备坐标系、地形扫描坐标系和基准镜坐标系转换至同一坐标系下，从而得到地形扫描坐标系和相机坐标系的坐标转换关系；

第三步，利用立体相机拍摄的图像恢复场景的离散三维坐标，根据第二步得到的坐标转换关系，确定相机在地形扫描坐标系下位置和姿态，利用小孔成像原理，对应相机图像像素出射线和扫描数据点云的交点，建立三维扫描数据点云和相机恢复数据点云之间的对应关系，得到对应点坐标；

第四步，将第三步得到的对应点坐标统一到相机坐标系下，计算误差，描绘误差曲线，评定立体视觉三维恢复数据的精度。

所述第二步中的靶标中心基准精度优于0.2mm，靶标旋转中心上标识有十字刻线，且靶标要大于3个，布置位置不能在一条直线上，相互之间的位置尽量远，以提高坐标转换的精度。

所述地形扫描设备采用激光三维扫描仪，激光三维扫描仪对相机拍摄的场景进行多测站的扫描，覆盖场景所有数据。

所述测量设备采用经纬仪，对基准镜瞄准方便，且测角精度高。

所述第二步中得到三维扫描数据点云精度可达4mm，扫描范围可达50m，且数据之间等间距，便于作为基准评价稀疏点云数据。

所述第三步中相机恢复的离散三维坐标值为不等间距，且离散三维坐标值随着测量距离的增加，逐渐稀疏。

所述第三步中利用小孔成像原理，对应相机图像像素出射线和扫描数据点云的交点，建立三维扫描数据点云和相机恢复数据点云之间的对应关系，得到对应点坐标方法如下：

(1)按照小孔成像原理，以相机坐标系的原点为空间射线的起点，相机坐标系下图像上像素点的坐标为射线上的另一点，这两点确定唯一已知的空间出射线，空间出射线和扫描数据点云相交，选择点云中到射线距离最短且满足阈值D_max限定的点即为像素对应的测量点，根据所述像素对应的视觉测量值，建立相机恢复的数据点云和三维扫描数据点云之间初步的对应关系；

(2)考虑三维扫描数据点云中到射线距离小于阈值D_max的所有点，求取这些点与相机在该点恢复的三维坐标的偏差，如果偏差值方差大于设定阈值V_max，则认为该点为边缘点，取其中偏差最小的点作为该像素点的对应三维扫描数据点，完成修正后建立三维扫描数据点云和相机恢复数据点云之间的对应关系，得到对应点坐标。

所述第四步描绘误差曲线，评定立体视觉三维恢复数据的精度的方法如下：

(1)将x，y，z坐标在相机坐标系下描述，相机坐标系定义如下：相机光心为坐标系原点，从相机后方向前看，Z轴沿着光轴的方向向前，X轴垂直于光轴的方向向右，Y轴垂直于光轴方向向下。