[发明专利]一种单目视觉传感器混合式高精度三维结构恢复方法

说明书

本发明公开了一种单目视觉传感器混合式高精度三维结构恢复方法。使用该单目视觉传感器多目视图方法对目标物体进行三维重构，可以保证重建过程和拼接过程一次完成，避免了局部重构后全局拼接带来额外误差的问题，同时避免了多目视觉传感器重建结果受标定误差影响严重的问题。发明中所使用物体结构重建方法计算量较小，重建精度高，可达到微米级别。所使用设备与测量设备相同，避免因设备参数不同导致的重构误差。

技术领域

本发明涉及多目视图几何、视觉测量技术领域，具体为一种单目视觉传感器混合式高精度三维结构恢复方法，用于高精度摄影测量基准坐标系三维重建拼接。

背景技术

三维重建和拼接技术被广泛应用于场景建图、军事仿真、自动驾驶、工业测量和建筑测绘等诸多领域。三维重建技术为视觉测量认为带来了很多新的帮助，例如大型工件变形量可通过实时三维重建及拼接技术进行检测，在生产、加工和装配等各个环节保证精度，解决了从前精度提高困难的问题。对于视觉测量来说，现阶段的三维重建及拼接技术主要提供大型工件(尺寸超过10米)变形测量和建筑物测绘，所要求的精度最高仅达到毫米级别。本发明提供一种高精度目标三维重建及拼接技术，最终的重建精度可达到微米级别。

一般来说，三维重建及拼接技术主要有两种路径。

第一种是多目视觉传感器全局标定重建，这种方法需要使用至少三个图像视觉传感器同时对被测目标进行测量，获得目标特征点二维图像的同时对多个视觉传感器的外参数进行标定。该方法可将目标特征点一次性重建在同一个坐标系下，避免了多次重建和坐标转换带来的误差。但是全局标定受测量误差影响很大，且为了保证两视觉传感器之间的重叠区域足够大，就需要更多的视觉传感器，意味着巨大的系统投入。多目视觉传感器全局重建方法的不足有以下三点：1)标定设备与测量设备不同；每个视觉传感器虽然都会经过标定环节，但不同视觉传感器之间的细微差别将对测量结果产生不可忽视的影响。2)系统投入大；多目视觉传感器同时标定重建意味着更多的资金投入。3)鲁棒性差；全局标定受测量误差影响大，后续仍需进一步优化求解。

第二种是单目视觉传感器增量式三维重建，该方法不需要一次性输入全部图像，可任意添加图像迭代进行重建。但该方法在恢复视觉传感器外参数时误差较大，导致三维重建精度不够，其不足可概括为以下两点：1)计算量大；每增加一张图像都需要重新匹配并估计所有视觉传感器外参数。2)视觉传感器外参数估计受特征点图像定位误差影响严重；由于每添加一个视图都需要估计基本矩阵，基本矩阵的计算受图像噪声影响大，有可能导致重建失败。

发明内容

现有的三维重建和拼接技术存在如下缺点：

(1)多目视觉传感器三维重建需要大量的系统投入，并且重建结果受标定过程的测量误差影响严重。单目视觉传感器增量式重建计算量较大，且受噪声影响严重，重建精度不高。

(2)、现阶段的重建精度只能达到毫米级别，后续的拼接工作还会带来额外的误差，无法满足高精度测量的要求。

(3)、多目视觉传感器全局标定重建方法存在这标定设备与测量设备不同的问题，这对于高进度测量任务将会产生不可忽视的误差影响。

(4)、对于大型目标或立体目标的重建和拼接，为了保证拼接精度往往需要全局控制点，否则会出现拼接漂移的现象，这就为重建任务带来了额外的工作。

本发明针对上述技术的不足，提供了一种目标的高精度重建及拼接方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种单目视觉传感器混合式高精度三维结构恢复方法，包括如下步骤：

步骤一、定义如下四个互相关联的坐标系：

世界坐标系O_wX_wY_wZ_w，表示目标和相机在三维空间中的绝对姿态和坐标。