[发明专利]一种远心双目立体视觉测量系统的通用性标定方法

说明书

本发明涉及一种远心双目立体视觉测量系统的通用性标定方法。通过设计的随机分布圆点的平面标定板，实现了对控制点的全自动识别。运用这种标定板使得控制点的定位更准确，甚至是在局部遮挡和大倾角情况下也更加鲁棒。本发明提出了一个立体远心相机系统的结构模型，由于该结构参数在标定过程中保持不变，所以采用光束法平差对其进行优化。与现有的方法相比，由于对同时拍摄的多组图像应用光束法平差进行优化，使得标定得到的相机参数有显著的提升。

技术领域

本发明属于计算机视觉领域，尤其涉及对于远心双目立体视觉测量系统的通用性标定方法。

背景技术

随着精密制造业的发展，对微小尺度的精密三维测量的发展也有着推进和需求。通过双目立体视觉测量系统建立三角测量关系是发展比较成熟的三维测量技术。相较于干涉测量方法例如全息干涉法，云纹法以及电子散斑干涉法(ESPI)，该技术对光路设计的要求更简单且不需要防震。因此，该方法在许多领域都被大量采用。传统上，一个典型的双目立体视觉测量系统由两个一般的镜头组成。然而，对于微小尺度的三维测量光学系统之间的距离必须得很小。对于一般镜头来说一个主要问题是透视效应和镜头畸变，在很近的距离上，目标会产生畸变。相较于一般镜头，远心镜头的正交投影的特点有着许多优点，例如很小的镜头畸变，恒定的放大倍率，以及较大的景深。由于存在这些特点，所以由远心相机组成的双目立体视觉测量系统能够广泛应用到微小尺度的三维测量当中，例如微尺度目标的三维测量和重构，三维的数字图像相关等。

当要使用立体视觉系统进行测量时，标定是核心的一个步骤。目前对于应用双目立体视觉进行测量的算法研究已经趋于成熟，所以测量的精度很大程度上取决于标定精度。一般而言，由于标定过程的在光学测量中的关键地位，对于小孔模型的立体相机标定已有了广泛的研究，并且也提出了很多标定方法。然而，对于远心光学系统的标定特别是在Z方向上并不是那么直接，因为远心系统会使得沿光轴方向上的变换并不敏感。因此，对于基于透视投影的小孔相机模型而构建的传统标定方法并不适用于远心双目立体视觉测量系统的标定。所以对于远心双目立体视觉测量系统，需要有一种通用的高精度标定方法。

发明内容

本发明的目的在于对由两个远心相机组成的立体视觉测量系统提供一个通用性的标定方法，实现对系统的高精度、高鲁棒性的标定，为系统的高精度测量应用，包括但不限于微尺度目标的三维重构、三维的数字图像相关等等，奠定基础。

本发明中需要标定的测量系统，包括远心相机A、远心相机B和数据处理计算机，所用到的标定板为随机圆点标定板。其中，远心相机A、远心相机B固联安装，具有公共视场，即远心相机A的视角与远心相机B的视角有夹角，夹角范围0°～90°；数据处理计算机与远心相机A、远心相机B联通，实时同步采集两台远心相机的图像数据，并解算系统标定结果。随机圆点标定板是由一系列随机生成的，并已知其圆心坐标的圆点组成的平面标定板。固联安装是指远心相机A与远心相机B的相对位置固定。

用本发明中的方法对由两个远心相机组成的立体视觉测量系统进行标定包括以下步骤：

第一步，随机圆点标定板的识别

1.1标定板的生成

这个平面标定板由随机散布的圆点组成，而这些圆点的圆心坐标是在一个局部范围内随机生成的，所生成圆点的半径是一致的，在这种情况下，任意三个圆点组成的三角形的内角可以通过未经过单应性修正图像的二次曲线系数矩阵来获得。当生成了一个标定板之后，即已知了在一个参考坐标系下圆点中心的坐标，那这个标定板的特征描述则可以通过下列方法来生成。对于标定板上的每个圆点，选择两个最近的圆点和其组成一个三角形，则该三角形最小的和最大的内角的余弦值即可以作为这三个圆点的特征描述。由这个性质，标定板上的圆形控制点可以通过相似三角匹配方法来进行自动识别；

1.2圆点匹配