[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

摘要

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。

主权项

1.一种远心双目立体视觉测量系统的通用性标定方法，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，其特征在于，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；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通过相关算法生成随机圆点标定板，得到其圆心在参考系下坐标，将随机圆点标定板打印并贴到平板上作为标定板；1.2将标定板置于两个相机公共视场下，通过计算机控制两个相机同时采图，变换标定板姿态，再进行采图，重复该过程，得到一系列标定图像；1.3对于每一张标定图像，在图像中进行椭圆检测，进而得到控制点的特征描述；1.4通过特征描述对圆点进行匹配，进一步得到单应矩阵的估计；在获得了最优特征匹配之后，就得到了三个圆点的中心坐标和其图像中对应的二次曲线的对应，因此，单应矩阵H的初值估计可以简单地由式(2)通过DLT方法计算得到，其中，(a,b)和(u,v)分别表示生成的圆点和拍摄图像中的二次曲线的中心，单应矩阵H满足式(3)当得到单应矩阵H的初始估计之后，通过RANSAC方法可以得到一个更精确的单应矩阵，在应用这种标定板以及其对应的识别方法时，可以在存在明显遮挡，不均匀光照，大倾角甚至离焦情况下实现对控制点的全自动鲁棒的定位识别；第二步，单相机参数估计2.1由得到的单应矩阵的估计，确定单个相机在无畸变条件下的内外参数的近似解；2.2以上述近似解作为初值对相机参数，包含相机畸变，进行非线性优化得到单相机参数；第三步，系统结构参数标定3.1通过同时拍摄的两相机图像独立标定得到的单相机外参数对，根据式(6)‑(9)计算得到一系列系统结构参数；针对远心相机立体视觉测量系统，系统结构参数为两个相机坐标之间的转换关系和其中可以通过在对单相机标定得到的R_L和R_R由式(5)直接计算得到将左相机坐标系作为世界坐标系并且将其Z方向的平移向量参数进行恢复，相机的平移向量的最后一个值t_Rz可以被设定为任意值，也就是说，坐标系X_RY_RZ_R的原点可以是其对应光轴上的任意一点，那么将坐标系X_RY_RZ_R的原点o_R选为Z_R轴与Z_LY_L平面的交点，将Z_L轴与其过o_R的垂线的垂足作为坐标系X_LY_LZ_L的原点o_L，在这种情况下，立体视觉系统的外参数和可以通过式(6)计算得到其中，[0 y_oR 0]^T是坐标系X_RY_RZ_R的原点在坐标系X_LY_LZ_L中的坐标，且当两相机固联的情况下，该点的坐标是不变的，而可以由式(7)‑(9)计算得到如此就确定了系统的所有结构参数，3.2以上述结果以及单相机独立标定结果作为初值对所有相机参数通过光束法平差进行优化，得到最终标定参数；通过单相机标定由同时采集得到的图像对j分别获得(R_Lj,t_Lsj)和(R_Rj,t_Rsj)，而对于不同视角拍摄得到的图像，结构参数包括和y_oR都保持不变，所以为了进一步提升标定的精度，对多幅同时采集的图像采用光束法平差对所有相机参数进行优化，最小化优化函数为e₂其中m_Lji和m_Rji分别是图像对j中左右相机图像中圆点中心P_i的对应；和分别是圆点中心P_i在图像对j中左右相机图像中的重投影；δ_L和δ_R是镜头畸变系数，旋转矩阵R_Lj和可以由三个参数的向量通过罗德里格斯公式来表示。