基于消隱點的大鍛件測量系統(tǒng)標定方法
【專利摘要】本發(fā)明基于消隱點的大鍛件測量系統(tǒng)標定方法屬于圖像處理和計算機視覺檢測領(lǐng)域，特別涉及大型鍛件尺寸測量系統(tǒng)中攝像機內(nèi)、外參數(shù)的現(xiàn)場標定方法。該標定方法首先在不同焦距下拍攝標定模板的七幅圖像，通過對應(yīng)點連線交于一點求得攝像機主點坐標，其次在測量所需的焦距下拍攝標定模板的三個不同方位的圖像，然后對模板圖像進行直線提取，并利用所得直線求取三組對應(yīng)正交消隱點，即可求得攝像機內(nèi)參數(shù)，最后標定雙目視覺測量系統(tǒng)的外參數(shù)。這種方法標定過程簡便，標定時間短，精度高，能以較少的圖像精確實現(xiàn)鍛造現(xiàn)場雙目視覺測量系統(tǒng)攝像機的標定。
【專利說明】基于消隱點的大鍛件測量系統(tǒng)標定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理和計算機視覺檢測領(lǐng)域，特別涉及大型鍛件尺寸測量系統(tǒng)中 攝像機內(nèi)、外參數(shù)的現(xiàn)場標定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 計算機視覺處理的基本任務(wù)之一是根據(jù)二維圖像信息恢復物體的三維幾何信息。 要實現(xiàn)利用圖像點求取相應(yīng)的空間物體表面點的任務(wù)，需要確定攝像機成像幾何模型，該 幾何模型的參數(shù)稱為攝像機參數(shù)。攝像機標定過程是建立攝像機所拍攝場景中物體上特征 點的圖像坐標與物體上特征點世界坐標的關(guān)系。測量系統(tǒng)中需標定的攝像機參數(shù)分為內(nèi)參 數(shù)和外參數(shù)，其中內(nèi)參數(shù)為攝像機的主點坐標以及尺度因子，外參數(shù)為兩攝像機間的旋轉(zhuǎn) 矩陣和平移矢量。標定時，由場景中已知特征點的圖像坐標和世界坐標即可求解攝像機的 內(nèi)外參數(shù)。攝像機標定是構(gòu)建測量系統(tǒng)地一項關(guān)鍵技術(shù)，標定結(jié)果對系統(tǒng)的測量準確度及 效果有至關(guān)重要的作用。
[0003] 傳統(tǒng)的攝像機和雙目視覺傳感器標定方法通常依賴于精密加工的2D或3D輔助 標定物。Tsai提出的基于徑向約束的兩步法能夠獲得較為精確的標定結(jié)果，張正友提出的 基于棋盤格靶標標定方法同樣可以獲得較高的精度。但是對于大視場下的攝像機標定而 言，由于傳統(tǒng)標定方法所占有視場較小，導致特征點提取誤差大；同時傳統(tǒng)標定方法所使用 的2D或3D靶標造價昂貴且維護困難，標定過程復雜，標定時間長，因此不適合無法應(yīng)用輔 助標定物的場合、大場景測量以及在線標定的情況。而基于主動視覺系統(tǒng)的攝像機標定方 法，雖然不需要制造高精度的輔助標定物，但是由于主動視覺標定方法對于運動的正交性 有著非常嚴格的要求，因此這種標定方法需要高精度的運動平臺。但是這種高精度運動平 臺容易受到周圍環(huán)境的影響而使其自身的正交性受到影響，同時這種方法同樣存在標定過 程復雜、標定時間長以及高精度運動平臺的造價昂貴等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對在鍛造現(xiàn)場傳統(tǒng)標定方 法復雜且不能實時標定，以及主動視覺的標定方法所需的高精度運動平臺受環(huán)境影響大等 問題，發(fā)明一種基于消隱點的雙目視覺測量系統(tǒng)攝像機標定方法。該方法是利用變焦距的 方法計算出像機的主點坐標，利用標定模板特征點計算圖像的正交消隱點，并基于消隱點 計算像機的尺度因子，最后，以基本矩陣和本質(zhì)矩陣得出雙目測量系統(tǒng)的外參數(shù)。這種方法 標定過程簡便，標定時間短，精度高。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于消隱點的攝像機標定方法，其特征是，首先在 不同焦距下拍攝標定模板的7幅圖像，通過對應(yīng)點連線交于一點求得攝像機主點坐標，其 次在測量所需的焦距下拍攝標定模板的3個不同方位的圖像，然后對模板圖像進行直線提 取，之后利用所得直線求取3組對應(yīng)正交消隱點，即可求得攝像機內(nèi)參數(shù)，最后，同時標定 雙目視覺測量系統(tǒng)的外參數(shù)，具體步驟如下：
[0006] 攝像機標定實際上是要求出內(nèi)參數(shù)矩陣K，兩攝像機間的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣R和t。 通用的攝像機模型可表示為：
[0007]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于消隱點的大鍛件測量系統(tǒng)標定方法，其特征是，首先在不同焦距下拍攝標 定模板的7幅圖像，通過對應(yīng)點連線交于一點求得攝像機主點坐標，其次在測量所需的焦 距下拍攝標定模板的3個不同方位的圖像，然后對模板圖像進行直線提取，之后利用所得 直線求取3組對應(yīng)正交消隱點，即可求得攝像機內(nèi)參數(shù)，最后，同時標定雙目視覺測量系統(tǒng) 的外參數(shù)，具體步驟如下： 步驟1 :圖像采集 首先，采集變焦距圖像；在待測目標的同一側(cè)布置兩臺攝像機，分別為左攝像機1和右 攝像機2,構(gòu)成雙目視覺測量系統(tǒng)；標定左攝像機1時，調(diào)整標定模板3的位置，保證標定模 板3在不同拍攝焦距時，均在攝像機視場內(nèi)，在最大焦距下，對攝像機合焦；標定模板3靜 止，逐漸減小攝像機焦距，在不同焦距下拍攝七幅模板圖像；使用同樣的方法采集右攝像機 2的七張圖像；通用的攝像機模型可表示為：
) 其中，（Xw，Yw，Zw，1)τ為在世界坐標系下空間點的齊次坐標，（X，y，1) τ為空間點在圖像坐 標系下的對應(yīng)像點坐標，fx，fy為攝像機尺度因子，（叫，％)為像機的主點坐標，即主點坐標， z為比例因子； 其次，采集正交消隱點圖像；將雙目測量系統(tǒng)中的左、右攝像機合理放置，調(diào)整攝像機 的視場，使左、右攝像機有足夠的公共視場區(qū)，在后續(xù)標定中，攝像機焦距以及兩攝像機間 方位不再發(fā)生變化；在測量所需的攝像機焦距下拍攝3張標定模板不同角度的圖像，且保 證不在同一平面上； 步驟2 :求取攝像機主點坐標 改變焦距時，攝像機視場呈現(xiàn)比例擴縮現(xiàn)象，因此在不同焦距拍攝的圖像中，特征點連 線的交點即為主點；計算攝像機主點坐標，拍攝的七張圖片中，將不同圖像上標定模板相同 特征點對應(yīng)的7個像點采用線性回歸的方法擬合成η條直線，第i條直線的擬合方程為： lj:ajU+biV+Cj = 0, (i = 1, 2. . . η) (2) 以到像點連線距離平方和最小為目標函數(shù)S，其中
計算主點坐標（UQ，VQ),分別求出左、右攝像機的主點坐標（U1Q，V 1Q)和; 步驟3:求取攝像機尺度因子 根據(jù)步驟1獲得求取正交消隱點標定模板的3幅圖像，求出3組圖像的正交消隱點，計 算攝像機的尺度因子fx和fy，具體過程如下： (a) 根據(jù)步驟2拍攝得到標定模板的四個不同方位的圖像，分別求出左攝像機的3組正 交消隱點對 Pi (Upi, vPi)，Qi (uQi, vQi)，i = 1，2, 3 ; (b) 將3組正交消隱點對分別代入線性方程： (uPi+uQi-uPJ-uQJ) · x+ (uPJuQJ-uPiuQi) · z+ (vPi+vQi-vPJ-vQJ) · y (4) -(VpiVQi_VPjVQj) (i 尹 J·) 其中，i關(guān)j表示不同的攝像機參數(shù)調(diào)整模板圖像，（UPi，Vpi)、（UQi，V Qi) (UPj，VPj)和 (uQj，vQj)分別為第i幅、第j幅圖像的正交消隱點對，聯(lián)立方程求解出未知參數(shù)x，y，z，再 由：
利用非線性最小二乘方法迭代求解非線性方程組（2)獲得尺度因子，即fy，fx ;其中， (uQ，vQ)為左攝像機1的主點坐標，fy，fx為攝像機等效焦距，由此可得左攝像機內(nèi)參數(shù)矩陣 KL：
采用相同的步驟（a)和（b)，可得到右攝像機2的尺度因子，由步驟3中的主點坐標構(gòu) 成右攝像機2的內(nèi)參數(shù)矩陣Κκ; 步驟4:求取攝像機的外參數(shù) 在兩臺攝像機的公共視場區(qū)擺放兩次標定模板，并拍攝圖像，進行攝像機間外部參數(shù) 的標定；具體如下： (a) 求取基本矩陣F，根據(jù)對應(yīng)像點的齊次坐標獲得線性方程： [uu' , vuf , uf ，uv' , vv/ , vf ，u，v，l]f = 0 (7) 其中，（ιι,ν)，^，v')為左右攝像機圖像中對應(yīng)的像點坐標，f= [fn，f12，f13，f21，f2 2, f23, f31, f32, f33]T為9維列向量，fij為基本矩陣F的第i行、第j列上的元素；提取所采集 的兩幅圖像中η (η彡8)組對應(yīng)點構(gòu)成對應(yīng)點矩陣A
其中（Ui，Vi)，（u' i，ν' i)為兩幅圖像中對應(yīng)點坐標；利用Af = 0,即可求得基本矩陣 F； (b) 根據(jù)步驟4中得出的左右攝像機的內(nèi)參數(shù)矩陣Ku Κκ，由E = K/FKp即可得到本質(zhì) 矩陣E ; (c) 本質(zhì)矩陣由雙目立體視覺的內(nèi)外參數(shù)決定，根據(jù)E= [t]xR，其中[t]x為平移矢量 t的反對稱矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，由（b)中得到的本質(zhì)矩陣E即可計算出旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移 矢量t，得到左右攝像機的外參數(shù)； (d) 計算攝像機的比例因子，采用長度為L的高精度標尺作為長度基準，使用上述雙目 測量系統(tǒng)對其進行拍攝，并重建出三維長度1，則攝像機的比例因虧
采用步驟1?4,即可計算雙目視覺測量系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)，完成系統(tǒng)的標定過程。
【文檔編號】G06T7/00GK104123726SQ201410334887
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】賈振元, 劉巍, 王靈麗, 楊景豪, 劉陽, 王亮 申請人:大連理工大學