[发明专利]一种基于视觉系统成像的外参数标定方法

权利要求书

1.一种基于视觉系统成像的外参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先采用两台高精度经纬仪，配合标准尺采用多测回的前方交会测量法，测量标定架内部的各个靶标在标定架坐标系下的三维坐标；其中，所述标定架为钨钢材质且变形小的控制场，内部由92个靶标构成，每个靶标的精确三维坐标是相对固定的；

步骤2、在固定待测相机的相机工装上设置多个转换靶标，并在所述标定架内选定对应个数的转换靶标，通过所述高精度经纬仪测量所述相机工装上设置的多个转换靶标在基准镜坐标系下的三维坐标；

步骤3、利用所述待测相机对所述标定架进行多角度序列成像；

步骤4、在步骤3所得到的图像中提取所述标定架内靶标点的图像坐标；

步骤5、根据所述标定架内靶标点的图像坐标和世界三维坐标，获得所述待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转和平移参数的初始值和精确值；

所述步骤5的过程具体为：

根据所述标定架内靶标点的图像坐标和世界三维坐标，使用直接线性变换算法DLT得到所述待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转和平移参数的初始值；

然后再利用多像后方交会算法，通过最小二乘迭代求解外参数的精确值；

所述直接线性变换算法DLT的计算公式如下：

公式(1)中，(X,Y,Z)表示标定架内靶标点在标定架坐标系下的三维坐标；(x,y)表示从图像中提取的靶标点的二维坐标；l₁-l₁₁代表成像参数，是需要求解的未知数，具体采用如下公式(2)来求解l₁-l₁₁：

上式中，n表示第n个靶标点；采用公式(3)-(5)来求解待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的平移参数(X_S,Y_S,Z_S)：

l₁X_S+l₂Y_S+l₃Z_S＝-l₄(3)

l₅X_S+l₆Y_S+l₇Z_S＝-l₈(4)

l₉X_S+l₁₀Y_S+l₁₁Z_S＝-1 (5)

其中，a₁,a₂,…,c₃表示由待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转参数构成的旋转矩阵R的9个元素；

采用公式(6)-(8)来求解待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转参数

sinω＝-b₃(7)

进而通过公式(3)-(8)解算出待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的平移和旋转参数；

将所解算出的待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的平移和旋转参数当作初始值，代入多像后方交会算法，具体计算模型如公式(9)所示：

公式(9)中，f表示相机主距；

对公式(9)进行一阶泰勒级数展开，采用迭代的方法求解未知数从而得到待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的平移和旋转参数的精确值；

步骤6、在所述待测相机进行每一次成像后，使用高精度经纬仪测量所述相机工装上设置的多个转换靶标和所述标定架内对应的多个转换靶标在经纬仪坐标系下的三维坐标，再采用最小二乘坐标转换法求解得到标定架坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数；

在步骤6中，在已知所述相机工装上设置的7个转换靶标在基准镜坐标系下的三维坐标，以及已知所述标定架内对应的7个转换靶标在标定架坐标系下的三维坐标的前提下，采用最小二乘坐标转换法求解得到标定架坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数；

具体是采用以下三维空间相似变换误差方程求解得到标定架坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数：

公式(10)中，R_B-J代表标定架坐标系到基准镜坐标系的旋转矩阵；T_B-J代表标定架坐标系到基准镜坐标系的平移矢量；(X_B,Y_B,Z_B)代表多个转换靶标在标定架坐标系下的三维坐标；(X_J,Y_J,Z_J)代表多个转换靶标在基准镜坐标系下的三维坐标；

步骤7、利用步骤5得到待测相机的投影中心坐标系到标定架坐标系的旋转和平移参数的精确值，以及步骤6得到的标定架坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数，采用最小二乘坐标转换算法求解得到待测相机的投影中心坐标系到基准镜坐标系的旋转和平移参数，完成对所述待测相机外参数的解算。