本發(fā)明涉及一種立體視覺三維數(shù)字圖像相關(guān)測量的高精度標(biāo)定方法，屬于立體視覺三維數(shù)字圖像形貌和變形測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

數(shù)字圖像相關(guān)方法是上世紀(jì)八十年代初發(fā)展起來的一種非接觸式光學(xué)測量方法，現(xiàn)已在實(shí)驗(yàn)研究和工程測量中廣泛應(yīng)用。數(shù)字圖像相關(guān)方法起源于二維數(shù)字圖像相關(guān)方法，但二維數(shù)字圖像相關(guān)方法要求：1)被測物體表面是平面；2)被測物體僅發(fā)生面內(nèi)變形；3)攝像機(jī)靶面與被測物體表面平行。然而，實(shí)際的工程測量中，離面運(yùn)動(dòng)很難避免，并且會(huì)嚴(yán)重影響二維數(shù)字圖像相關(guān)的測量精度。為了解決這些問題，近幾年來三維數(shù)字圖像相關(guān)方法被發(fā)展起來。三維數(shù)字圖像相關(guān)方法引入雙目立體視覺原理，通過預(yù)先對左右相機(jī)進(jìn)行雙相機(jī)標(biāo)定，確定世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系間的映射關(guān)系，從而消除離面運(yùn)動(dòng)對測量結(jié)果的影響，且對曲表面試件同樣適用。采用三維數(shù)字圖像相關(guān)能夠得到高精度的測量結(jié)果，但該測量結(jié)果會(huì)受到標(biāo)定結(jié)果的影響。而影響標(biāo)定結(jié)果的主要因素是標(biāo)定板的制作精度。目前常見的標(biāo)定板制作方法有打印、精密光刻加工等方法。打印方法制作標(biāo)定板的精度受限于打印精度，一般在數(shù)十微米到數(shù)百微米；精密光刻加工的標(biāo)定板精度可以達(dá)到亞微米量級，但制作成本較高。三維數(shù)字圖像相關(guān)測量中迫切需要一種精度高且成本低的標(biāo)定板。

中國專利“平面顯示器生成標(biāo)定板的方法”(申請?zhí)?00610027982.9)提出了平面顯示屏生成標(biāo)定板的方式。該專利僅提出了平面顯示器生成標(biāo)定板的方法，并未對利用該方法生成的標(biāo)定板測量結(jié)果的精度進(jìn)行分析。然而，基于立體視覺的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法對標(biāo)定結(jié)果的精度要求更高，從而才能得到可靠的三維重建結(jié)果和變形測量結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：針對現(xiàn)有標(biāo)定板制作的精度及成本問題，提供一種精度高且成本低的立體視覺三維數(shù)字圖像相關(guān)測量的高精度標(biāo)定方法標(biāo)，既保證了三維數(shù)字圖像相關(guān)中標(biāo)定結(jié)果的精度，又大幅度降低了成本。

根據(jù)以上發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種立體視覺三維數(shù)字圖像相關(guān)測量的高精度標(biāo)定方法，操作步驟如下：

(1)首先根據(jù)需要觀測的視場尺寸W×H、屏幕尺寸w_s×h_s確定標(biāo)定板的尺寸w_b×h_b，再根據(jù)屏幕尺寸w_s×h_s、標(biāo)定板的尺寸w_b×h_b、屏幕單位像元尺寸p及標(biāo)定板行列數(shù)M×N參數(shù)生成標(biāo)定板圖案；

(2)將步驟(2)中生成的標(biāo)定板圖案1:1顯示到屏幕上；

(3)調(diào)整攝像機(jī)后，將顯示有標(biāo)定板圖案的屏幕當(dāng)作標(biāo)定板對左右相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；

(4)利用雙相機(jī)記錄標(biāo)定板的圖像和雙相機(jī)標(biāo)定方法即可完成標(biāo)定。

所述步驟(1)中，標(biāo)定板的尺寸w_b×h_b應(yīng)小于屏幕尺寸w_s×h_s，同時(shí)為了得到較為可靠的雙相機(jī)標(biāo)定結(jié)果，標(biāo)定板的尺寸w_b×h_b應(yīng)不小于視場尺寸W×H的一半，即：

$\frac{1}{2}W\×H\≤w_b\×h_b\<w_s\×h_s---\left(1\right)$

因此，針對不同的視場尺寸W×H，需要生成不同尺寸w_b×h_b的標(biāo)定板。根據(jù)標(biāo)定板的尺寸w_b×h_b、屏幕的像元尺寸p及標(biāo)定板的行列數(shù)M×N等參數(shù)，可以自適應(yīng)生成標(biāo)定板上圓點(diǎn)的尺寸s及中心位置(x_i,y_i)。屏幕對應(yīng)的像素尺寸為：

$w_s^{\left(pix\right)}=\frac{w_s}{p},h_s^{\left(pix\right)}=\frac{h_s}{p}---\left(2\right)$

標(biāo)定板對應(yīng)的像素尺寸為：

$w_b^{\left(pix\right)}=\frac{w_b}{p},h_b^{\left(pix\right)}=\frac{h_b}{p}---\left(3\right)$

假設(shè)且M≥N，令相鄰兩圓點(diǎn)之間的距離：

$D_b^{\left(pix\right)}=min\{\frac{w_b^{\left(pix\right)}}{M},\frac{h_b^{\left(pix\right)}}{N}\}=\frac{1}{p}min\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\}---\left(4\right)$

圓點(diǎn)的直徑：

$d_b^{\left(pix\right)}=\frac{\mathrm{\α}}{p}min\{\frac{w_b}{M},\frac{h_b}{N}\}---\left(5\right)$

其中，α表示占空比，一般取0.25～0.35。

根據(jù)公式(1-5)即可針對不同的視場尺寸、屏幕尺寸生成對應(yīng)的標(biāo)定板圖案。

圖1顯示了屏幕像元尺寸為63μm、屏幕像素尺寸為1920×1080、標(biāo)定板像素尺寸為1440×1080、行列數(shù)為12×9、間距為120像素時(shí)生成的標(biāo)定板圖案，可用于100×100mm²左右的視場。這樣，就可以將顯示有標(biāo)定板圖案的屏幕作為一種新型的標(biāo)定板使用。由于屏幕的加工精度很高(亞微米量級)，屏幕顯示生成的標(biāo)定板同樣能夠達(dá)到很好的精度。圖1中存在3個(gè)成直角三角形的空心圓點(diǎn)，精確測定這三點(diǎn)兩兩之間的距離并用于雙相機(jī)標(biāo)定算法中，可以使標(biāo)定結(jié)果更加精確。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：中國專利“平面顯示器生成標(biāo)定板的方法”(申請?zhí)?00610027982.9)僅說明了平面顯示器生成標(biāo)定板的方法的可行性，并未對其測量精度進(jìn)行分析討論。本發(fā)明結(jié)合近年來(手機(jī)、平板、墨水屏等)屏幕加工精度高的特點(diǎn)，利用屏幕顯示預(yù)先生成的標(biāo)定板圖案，即可將顯示有標(biāo)定板圖案的屏幕當(dāng)作一種新型的標(biāo)定板使用，既保證了三維數(shù)字圖像相關(guān)測量中雙相機(jī)標(biāo)定的精度，又大幅度降低了標(biāo)定板的制作成本。通過實(shí)施案例證明了采用利用屏幕生成標(biāo)定板的標(biāo)定方法的重投影誤差小于采用傳統(tǒng)打印生成的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定時(shí)的重投影誤差，并且采用立體視覺三維數(shù)字圖像相關(guān)測量的高精度標(biāo)定方法的三維重建精度優(yōu)于采用傳統(tǒng)打印生成的標(biāo)定板時(shí)的重建精度，測量精度最高可達(dá)視場的十萬分之一。

附圖說明

圖1為用于顯示在屏幕上的標(biāo)定板圖案；根據(jù)視場尺寸、屏幕尺寸、屏幕單位像元尺寸及標(biāo)定板行列數(shù)等參數(shù)生成合適的標(biāo)定板圖案；

圖2為標(biāo)定過程中左相機(jī)拍攝得到的圖片及圓心識別算法找到的圓心位置,(a)中的標(biāo)定板為在泡沫鋁平板上打印生成，行列數(shù)為12×9，間距為9mm；(b)中的標(biāo)定板將圖1中的標(biāo)定板圖案利用屏幕顯示生成，行列數(shù)為12×9，間距為7.56mm；

圖3為采用兩種標(biāo)定板標(biāo)定時(shí)的重投影誤差。(a)采用打印標(biāo)定板和屏幕顯示標(biāo)定板各作十次標(biāo)定得到的重投影誤差；(b)十次標(biāo)定結(jié)果重投影誤差的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4為使用兩種標(biāo)定板測量標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)的結(jié)果，(a)分別采用打印標(biāo)定板和屏幕顯示標(biāo)定板的十次標(biāo)定結(jié)果測量標(biāo)準(zhǔn)距離得到的結(jié)果；(b)十次標(biāo)定測量得到的距離的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例子對本發(fā)明在標(biāo)定系統(tǒng)上的優(yōu)勢做進(jìn)一步說明，但不限制本發(fā)明。

實(shí)施案例1：采用屏幕顯示生成的標(biāo)定板進(jìn)行雙相機(jī)標(biāo)定并利用三維數(shù)字圖像相關(guān)算法測量標(biāo)準(zhǔn)距離。測試過程如下：

a)根據(jù)需要觀測的視場尺寸100×100mm²和屏幕尺寸120.96×68.04mm²確定標(biāo)定板的尺寸范圍為70×70～120.96×68.04mm²，一般來說，需要根據(jù)觀測視場的尺寸選取滿足公式(1)所示的屏幕尺寸；

b)再根據(jù)公式(4)，利用標(biāo)定板的尺寸范圍70×70～120.96×68.04mm²、屏幕單位像元尺寸63μm及標(biāo)定板行列數(shù)12×9參數(shù)確定標(biāo)定板圖案上相鄰兩點(diǎn)之間的水平或者豎直距離

c)根據(jù)公式(5)確定圓點(diǎn)的直徑：取α＝0.25，有

d)根據(jù)公式(2)和(3)確定標(biāo)定板圖案中標(biāo)定板對應(yīng)的像素尺寸及整個(gè)圖像的像素尺寸并生成標(biāo)定板圖案，如圖1所示；

e)將步驟a)至d)生成的標(biāo)定板圖案1:1顯示到屏幕上；

f)擺放好相機(jī)和顯示屏標(biāo)定板，調(diào)節(jié)左右相機(jī)使標(biāo)定板上的圖案在左右相機(jī)內(nèi)均清晰成像；

g)設(shè)置標(biāo)定算法中需要使用的參數(shù)：標(biāo)定板圖案上圓點(diǎn)的間距及行列數(shù)；

h)采集一幀圖像并對其進(jìn)行圓心識別，識別成功則保存圖像，反之不保存；

i)無論識別成功與否，改變標(biāo)定板的位置和姿態(tài)，重復(fù)步驟(e)，直至成功識別的圖像數(shù)達(dá)到最低值；

j)利用步驟(d)設(shè)置的標(biāo)定板的信息以及步驟(e)通過圓心識別得到的所有的圖像位置坐標(biāo)，采用傳統(tǒng)的雙相機(jī)標(biāo)定方法即可完成標(biāo)定，得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

k)保持左右相機(jī)不動(dòng)，重復(fù)步驟(d)至步驟(g)，進(jìn)行下一次標(biāo)定，直至得到十次標(biāo)定的結(jié)果；

l)將帶有標(biāo)準(zhǔn)距離的標(biāo)記點(diǎn)試件放入左右相機(jī)視場內(nèi)并記錄一組圖像做標(biāo)記點(diǎn)圓心識別并對其進(jìn)行坐標(biāo)重建，得到分別采用十次標(biāo)定進(jìn)行坐標(biāo)重建的結(jié)果。

圖3給出了的采用打印和屏幕顯示兩種方法生成的標(biāo)定板標(biāo)定時(shí)的重投影誤差，說明了采用屏幕顯示標(biāo)定板得到的標(biāo)定結(jié)果優(yōu)于采用打印生成標(biāo)定板的標(biāo)定結(jié)果。圖4給出了使用兩種標(biāo)定板測量標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)的結(jié)果，可以看到采用屏幕顯示生成的標(biāo)定板得到的結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)值，且更為穩(wěn)定。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。