CN106600654A - 一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法，装置，包括：相机，固定相机的机械固定装置，连接于相机的控制器，定位相机的棋盘格标定板。本发明先通过棋盘格标定手段获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T，再利用R和T将多相机的成像映射到同一坐标系中拼接，改进一般的深度相机探测范围有限和实时性较差的缺点，能够在不提取图像角点特征进行匹配的情况下实现快速实时的成像拼接。

Description

一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法

技术领域

本发明涉及三维测量和工业检测领域，特别是一种利用标定方法获取相机外部参数实现多个深度相机快速拼接成像的装置及方法。

背景技术

三维成像是获取待测物体表面各点空间坐标的一种技术。随着科学技术的发展，传统的二维测量技术已经无法满足科学研究、工业生产和人民生活的需求。三维测量技术作为空间中真实物体再现的前提，在机器人自动导航与避障、地形地貌绘制、工业零件检测识别与装配、医学影像、虚拟现实、3D显示与打印等众多领域有着广泛的应用前景。

随着三维成像技术的发展，为了提高三维成像探测范围，三维深度相机拼接技术的研究显得越来越重要。目前主流的图像拼接技术是利用图像的角点特征进行匹配获取相机之间的外部参数实现拼接，该技术的应用场景非常灵活，但是其实时性远远不够，因此在实时性要求高的场景是不适合的。市场上需要在相机相对位置固定的场景下，使用标定方法获取相机之间外部参数，然后使用该固定参数实现实时的拼接装置，本发明解决了这样的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法，本发明先通过棋盘格标定手段获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T，再利用R和T将多相机的成像映射到同一坐标系中拼接，改进一般的深度相机探测范围有限和实时性较差的缺点，能够在不提取图像角点特征进行匹配的情况下实现快速实时的成像拼接。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种大视角的深度相机拼接装置，包括：相机，固定相机的机械固定装置，连接于相机的控制器，定位相机的棋盘格标定板。

前述的一种大视角的深度相机拼接装置，机械固定装置包括：机械底座，固定于机械底座上并用于固定相机的相机连接器。

前述的一种大视角的深度相机拼接装置，相机为深度相机。

前述的一种大视角的深度相机拼接装置，相机为两个相同型号的深度相机。

前述的一种大视角的深度相机拼接装置，控制器为电脑，电脑处理器为Intel i5。

前述的一种大视角的相机的拼接方法，包括：如下步骤：

步骤一：将待拼接的相机利用机械固定装置固定；

步骤二：在相机相对位置固定的情况下，通过棋盘格标定板使用标定算法获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T；

步骤三：利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系实现快速拼接。

前述的一种大视角的相机的拼接方法，包括：如下步骤：

步骤一：将待拼接的相机利用机械固定装置固定；

步骤二：使用标定算法，在多个相机的公共成像区域采集多张不同视角的棋盘格照片，然后利用标定算法获取出两个相机之间的外部参数R旋转矩阵和T平移向量；R和T的具体算法如下：

P_w表示世界坐标系中一点，P_c1表示P_w在第一相机中的成像点，P_c2表示P_w在第二相机中的成像点，R₁和T₁为第一相机的外部参数，R₂和T₂为第二相机的外部参数；

1)假设相机有两个，分别是第一相机和第二相机；假设空间坐标系中一点为：P_w(x,y,z)，则其在第一相机中的坐标P_c1为：

P_c1＝R₁*P_w+T₁；

式中R₁为空间坐标系到相机坐标系1的旋转分量，T₁为空间坐标系到相机坐标系1的平移分量；

由此推出：

2)P_w(x,y,z)在第二相机中的坐标P_c2为：

P_c2＝R₂*P_w+T₂；

式中R₂为空间坐标系到相机坐标系2的旋转分量，T₂为空间坐标系到相机坐标系2的平移分量；

将S1中P_w代入上式得到：

3)第一相机与第二相机的坐标关系为：

P_c2＝R*P_c1+T；

对比上述公式可得出：

和

步骤三：利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系，算出相机在坐标上的位置，实现快速拼接；具体算法为：利用已经求出的外部参数，将一个相机中的坐标映射到另一个坐标系中，这样可以将两个坐标统一起来完成拼接，假设有两个相机，第一相机的点为P_c1(x₁,y₁,z₁)，第二相机的点为P_c2(x₂,y₂,z₂)；通过如下公式算出R和T；R为标定得到的3x3旋转矩阵，T为标定得到的3x1平移向量；

前述的一种大视角的相机的拼接方法，步骤二：使用标定算法，在两个相机的公共成像区域采集10张不同视角的棋盘格照片，然后利用标定算法获取出两个相机之间的外部参数R旋转矩阵和T平移向量。

本发明的有益之处在于：本发明提供一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法，本发明先通过棋盘格标定手段获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T，再利用R和T将多相机的成像映射到同一坐标系中拼接，改进一般的深度相机探测范围有限和实时性较差的缺点，能够在不提取图像角点特征进行匹配的情况下实现快速实时的成像拼接。

附图说明

图1是本装置的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明机械固定装置的一种实施例的结构示意图；

图3是本发明的拼接坐标关系图；

图中附图标记的含义：

1第一相机，2第二相机，3待探测物体，4机械固定装置，5电脑，6机械底座，7相机连接器，P_w表示世界坐标系中一点，P_c1表示P_w在第一相机中的成像点，P_c2表示P_w在第二相机中的成像点，O_c1表示第一相机的成像中心，O_c2表示第二相机的成像中心，R₁和T₁为第一相机的外部参数，R₂和T₂为第二相机的外部参数。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种大视角的深度相机拼接装置，包括：相机，固定相机的机械固定装置，连接于相机的控制器，定位相机的棋盘格标定板。

机械固定装置包括：机械底座，固定于机械底座上并用于固定相机的相机连接器。机械底座为多边形底座，相机连接器分别设于多边形底座的侧边位置。作为一种优选，多边形底座为八边形底座。

作为一种优选，相机为深度相机，相机为两个相同型号的深度相机。作为一种实施例，控制器为电脑，电脑处理器为Intel i5；需要说明的是此处理器是最低配，只要能够实现本发明的处理器都在本发明的保护范围之内。

一种大视角的相机的拼接方法，包括：如下步骤：

步骤一：本发明的必要条件就是在相机之间的相对位置必须固定，所以第一步就是将待拼接的相机利用机械固定装置固定；

步骤二：如图3所示，在相机相对位置固定的情况下，通过棋盘格标定板使用标定算法获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T；使用标定算法，在多个相机的公共成像区域采集多张不同视角的棋盘格照片，然后利用标定算法获取出两个相机之间的外部参数R旋转矩阵和T平移向量；R和T的具体算法如下：

1)假设相机有两个，分别是第一相机和第二相机；假设空间坐标系中一点为：P_w(x,y,z)，则其在第一相机中的坐标P_c1为：

P_c1＝R₁*P_w+T₁；

式中R₁为空间坐标系到相机坐标系1的旋转分量，T₁为空间坐标系到相机坐标系1的平移分量；

由此推出：

2)P_w(x,y,z)在第二相机中的坐标P_c2为：

P_c2＝R₂*P_w+T₂；

式中R₂为空间坐标系到相机坐标系2的旋转分量，T₂为空间坐标系到相机坐标系2的平移分量；

将S1中P_w代入上式得到：

3)第一相机与第二相机的坐标关系为：

P_c2＝R*P_c1+T；

对比上述公式可得出：

和

步骤三：利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系实现快速拼接；利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系，算出相机在坐标上的位置，实现快速拼接；具体算法为：利用已经求出的外部参数，将一个相机中的坐标映射到另一个坐标系中，这样可以将两个坐标统一起来完成拼接，假设有两个相机，第一相机的点为P_c1(x₁,y₁,z₁)，第二相机的点为P_c2(x₂,y₂,z₂)；通过如下公式算出R和T；R为标定得到的3x3旋转矩阵，T为标定得到的3x1平移向量；

作为一种优选，步骤二中在两个相机的公共成像区域采集10张不同视角的棋盘格照片。

本发明提供一种大视角的深度相机拼接装置及拼接方法，本发明先通过棋盘格标定手段获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T，再利用R和T将多相机的成像映射到同一坐标系中拼接，改进一般的深度相机探测范围有限和实时性较差的缺点，能够在不提取图像角点特征进行匹配的情况下实现快速实时的成像拼接。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大视角的深度相机拼接装置，其特征在于，包括：相机，固定上述相机的机械固定装置，连接于上述相机的控制器，定位上述相机的棋盘格标定板。

2.根据权利要求1所述的一种大视角的深度相机拼接装置，其特征在于，上述机械固定装置包括：机械底座，固定于上述机械底座上并用于固定相机的相机连接器。

3.根据权利要求1所述的一种大视角的深度相机拼接装置，其特征在于，上述相机为深度相机。

4.根据权利要求3所述的一种大视角的深度相机拼接装置，其特征在于，上述相机为两个相同型号的深度相机。

5.根据权利要求1所述的一种大视角的深度相机拼接装置，其特征在于，上述控制器为电脑，电脑处理器为Intel i5。

6.根据权利要求1所述的一种大视角的相机的拼接方法，其特征在于，包括：如下步骤：

步骤一：将待拼接的相机利用机械固定装置固定；

步骤二：在相机相对位置固定的情况下，通过棋盘格标定板使用标定算法获取相机之间的外部参数旋转分量R和平移分量T；

步骤三：利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系实现快速拼接。

7.根据权利要求6所述的一种大视角的相机的拼接方法，其特征在于，包括：如下步骤：

步骤一：将待拼接的相机利用机械固定装置固定；

步骤二：使用标定算法，在多个相机的公共成像区域采集多张不同视角的棋盘格照片，然后利用标定算法获取出两个相机之间的外部参数R旋转矩阵和T平移向量；R和T的具体算法如下：

P_w表示世界坐标系中一点，P_c1表示P_w在第一相机中的成像点，P_c2表示P_w在第二相机中的成像点，R₁和T₁为第一相机的外部参数，R₂和T₂为第二相机的外部参数；

1)假设相机有两个，分别是第一相机和第二相机；假设空间坐标系中一点为：P_w(x,y,z)，则其在第一相机中的坐标P_c1为：

P_c1＝R₁*P_w+T₁；

式中R₁为空间坐标系到相机坐标系1的旋转分量，T₁为空间坐标系到相机坐标系1的平移分量；

由此推出：

$P_W=R_1^{-1}*(P_{c1}-T_1);$

2)P_w(x,y,z)在第二相机中的坐标P_c2为：

P_c2＝R₂*P_w+T₂；

式中R₂为空间坐标系到相机坐标系2的旋转分量，T₂为空间坐标系到相机坐标系2的平移分量；

将S1中P_w代入上式得到：

$P_{c2}=R_2*(R_1^{-1}*(P_{c1}-T_1\left)\right)+T_2=R_2*R_1^{-1}*P_{c1}+T_2-R_2*R_1^{-1}*T_1;$

3)第一相机与第二相机的坐标关系为：

P_c2＝R*P_c1+T；

对比上述公式可得出：

和

步骤三：利用旋转分量R和平移分量T将多个相机的成像映射到同一坐标系，算出相机在坐标上的位置，实现快速拼接；具体算法为：利用已经求出的外部参数，将一个相机中的坐标映射到另一个坐标系中，这样可以将两个坐标统一起来完成拼接，假设有两个相机，第一相机的点为P_c1(x₁,y₁,z₁)，第二相机的点为P_c2(x₂,y₂,z₂)；通过如下公式算出R和T；R为标定得到的3x3旋转矩阵，T为标定得到的3x1平移向量；

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]=R*\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]+T=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{00}& r_{01}& r_{02}\\ r_{10}& r_{11}& r_{12}\\ r_{20}& r_{21}& r_{22}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_0\\ t_1\\ t_2\end{array}\right].$

8.根据权利要求7所述的一种大视角的相机的拼接方法，其特征在于，步骤二：使用标定算法，在两个相机的公共成像区域采集10张不同视角的棋盘格照片，然后利用标定算法获取出两个相机之间的外部参数R旋转矩阵和T平移向量。