[发明专利]提高景深测量精度的相机布局与标定方法

摘要

本发明提高景深测量精度的相机布局与标定方法属于计算机视觉领域，涉及一种提高相机景深方向测量精度的相机布局与景深标定方法。标定方法从相机优化布局以及景深标定两方面出发，提高视觉测量系统在景深方向的测量精度；首先确定两相机基线长度以及光轴之间的夹角，使相机布置方式最优；再根据测量物距、对焦状态以及镜头参数确定景深范围，利用高精度电控装置带动标定板在相机景深方向移动多个位置，在每一位置上，利用标定板多张图片标定双目相机参数；测量时根据特征信息在景深所处不同位置选取不同的相机参数重建特征三维信息。本发明在标定时无需预测景深内任意空间的畸变模型，增加了标定鲁棒性。标定方法流程简单、精度高，易于实现。

主权项

一种提高景深测量精度的相机布局与标定方法；其特征在于，标定方法从相机优化布局以及景深标定两方面出发，来提高视觉测量系统在景深方向的测量精度；首先根据测量视场要求确定两相机基线长度以及光轴之间的夹角，使相机布局方式最优；随后根据测量物距、对焦状态以及镜头参数确定景深范围；利用高精度电控装置带动标定板在相机景深方向移动多个位置，在每一位置上利用标定板多张图片标定双目相机参数；测量时，根据特征信息在景深所处不同位置选取不同的相机参数，重建特征三维信息；标定方法的具体步骤如下：(1)双目相机最优化布局两相机光心之间连线称为基线，首先调整两相机之间的基线长度提高相机纵向测量精度，纵向测量精度与基线之间的关系表述为：其中，ΔZ为相机在纵深方向的实际测量值与理论测量值之间的差值；z为相机重建的特征点深度信息；f为左相机(3)、右相机(4)选取的焦距值；d为基线长度；δ为特征标志点定位偏差；再根据测量视场的要求，计算测量物距与视场之间的关系，通过调整相机物距提高测量精度，其公式表示为：其中，W为左相机(3)、右相机(4)确定的公共视场大小；z为相机重建的特征点深度信息；α为视场角与相机光轴之间的夹角；β为相机光轴与Z轴之间的夹角；d为基线长度；在两相机测量视场固定条件下减小物距提高测量精度；并且，当相机光轴与Z轴、X轴满足公式(3)时相机获得高测量精度；其中，z为相机重建的特征点深度信息；x为双目相机重建的特征点在X方向的分量；β为相机光轴与Z轴之间的夹角；构造最小化目标函数，降低Z方向测量误差，提高纵方向测量精度，公式如下：minΔz＝ming(f,d,α,β,δ,W)，W＝const (4)最小化目标函数Δz求得相机配置参数最优值，使相机Z轴精度最优；(2)双目相机景深标定在获得相机最优配置方案后，考虑成像过程中，由透视畸变以及光学放大率造成的相机景深方向的成像畸变，在景深方向标定相机；根据确定的最优相机安装参数确定景深大小，景深计算公式为：其中，ΔL为景深，ε为容许弥散圆直径，f为左、右相机(3、4)确定的焦距，F为镜头拍摄的光圈值，L为对焦距离；采用张正友标定算法结合高精度平面标定板(2)完成景深标定，标定板(2)上特征点为圆形标志点；首先将已知尺寸的标定板(2)固定在高精度电控装置(1)上，移动高精度电控装置(1)带动标定板(2)使其处于测量位置，合焦使圆形标志点成像清晰；利用高精度电控装置(1)控制标定板(2)移动多个位置，利用获取的标定板(2)图像标定左、右相机(3、4)；标定完一个位置后，根据标定板(2)尺寸以及标定板(2)摆动角度的大小控制高精度电控装置(1)带动标定板(2)沿纵深方向移动到景深的下一位置，设移动到的位置为第k个位置，并在第k个位置使用相机获取标定板(2)的多张图像标定相机；参数计算流程为：首先采用灰度重心法提取圆形标志点中心坐标，公式为：其中，(i,j)代表图像像素点坐标，m，n分别为像素在图像横、纵方向的数量；(x,y)为提取的圆形标志点的质心坐标，f(i,j)为像素坐标(i,j)对应的灰度值；由透视投影关系可知，三维空间点与图像对应点像素坐标之间的关系可表示为：式中，为第k个位置标定的相机的主点坐标，为第k个位置标定的相机像元在横、纵方向的等效尺寸，Rk为Pk的旋转矩阵，Tk为第k个位置标定的相机的平移矩阵，表达了相机坐标系与世界坐标系之间的旋转和平移关系；(Xw,Yw,Zw)为标定板(2)上特征点圆心在世界坐标系下的三维坐标；Mk为相机内参数矩阵，Pk为外参数矩阵，(u,v)为标定板(2)特征点圆心在图像上的像素坐标；考虑相机在设计、制造、装配、成像等过程中产生的畸变，将畸变系数引入到成像模型中，设第k个位置引入的第一阶与第二阶径向畸变系数为第一阶和第二阶切向畸变参数为根据二维平面靶标上棋盘格三维点与成像二维点的对应关系求解每一个相机的内、外以及畸变参数；(3)基于景深不同位置的特征点重建实际测量时，根据不同特征点所处景深不同位置选取不同的相机标定参数，解算特征三维信息以提高测量精度，重建公式为：其中(XW,YW,ZW)为物方控制点P在世界坐标系下的齐次坐标，xl＝(ul,vl,1)、xr＝(ur,vr,1)分别为物方控制点P在左相机(3)、右相机(4)的成像平面上像素点齐次坐标，分别为左相机(3)、右相机(4)对应的投影矩阵；分别为第k个位置标定出的物方控制点P在两相机坐标系下的坐标，由两方程组求空间点的坐标。