CN107941153B - 一种激光测距优化标定的视觉*** - Google Patents

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Abstract

一种激光测距优化标定的视觉***，涉及一种机器视觉***。设有底座、球形铰链、***支架、圆弧架、滑块、摄像机和激光位移传感器；所述激光位移传感器、摄像机和滑块固定圆弧架上，***支架的上端固定在圆弧架上，***支架的底端固定在底座上，***支架的底端通过球形铰链与固定螺栓连接，固定螺栓固定在底座上；所述摄像机固定在滑块上，摄像机在圆弧形架上可进行角度调节。圆弧架加滑块的设计可以实现摄像机拍摄角度的调节，同时激光位移传感器测得的数据与摄像机数据可进行换算。

Description

一种激光测距优化标定的视觉***
技术领域
本发明涉及一种机器视觉***，尤其是涉及利用激光传感器测量图像传感器与被测物之间距离来达到优化标定过程，并根据计算情况及时调整图像传感器位置的一种激光测距优化标定的视觉***。
背景技术
多目立体成像的基本原理是同一时间用多个不同角度的摄像头拍摄同一物体，在得到的多张图像中进行像素匹配，依照摄像机标定所得出的坐标关系，最后通过诸如三角测距原理来获得各像素的深度信息(即，三维坐标)，由此得到三维立体图像。也因此立体重建最重要的一步是进行摄像机的标定确定图像传感器的内部参数和外部参数，标定结果越精度越高，最后立体还原的结果便会越准确(王建强，张海花.基于Matlab工具箱的摄像机标定.浙江师范大学，2013.7)。
首先介绍四个坐标系：
1、图像坐标系：数字图像在计算机中的保存形式二维数组的坐标形式。
2、成像平面坐标系：摄像机镜头的成像平面上建立的坐标系，一般是位于感光器件上所建立的以镜头光轴与成像平面交点为原点的二维坐标系。二者关系如下图1，其中P为图像中任意假设一点，其在计算机坐标系中的坐标为(u,v)，在成像平面坐标系中的坐标为(x,y)，并设像素单元在x,y方向的尺寸分别为a,b。成像平面坐标系的坐标原点在计算机坐标系的坐标为(u0,v0)，则由图1可得如下等式成立：
Figure BDA0001532764250000011
整理成齐次矩阵如下：
Figure BDA0001532764250000012
3、摄像机坐标系：一个以摄像机镜头的光心为原点而建立的空间三维坐标系。成像平面坐标系可以看成摄像机坐标系在其Zc轴上投影而成的(其x和y轴与成像平面坐标系方向一致)，其与成像平面坐标系的关系如图2，设景物点M(Xc，Yc，Zc)，成像平面上一投影点的坐标为(x,y,z),其中f为摄像机的焦距,根据三角形相似对应边比值相等，得到以下等式：
Figure BDA0001532764250000021
式中：f为摄像机的焦距，f＝z。
由式(2)可得：
Figure BDA0001532764250000022
将式(3)代入式(1)整理成齐次矩阵如下：
Figure BDA0001532764250000023
当Zc＝1时，称点(xc1 yc1 1)为图像点在焦距归一化成像平面上的成像点坐标。则利用摄像机的内参数公式(4)可以求出图像点在焦距归一化成像平面上的成像点坐标：
Figure BDA0001532764250000024
此公式在标定后，还原点的三维坐标时会用到。
4、世界坐标系：区别于摄像机坐标系的一个空间坐标系，其依附于标定时要使用的物点而存在。可认为所观察的点相对世界坐标系是固定的。也因此世界坐标系可看做是摄像机坐标系的旋转平移得到。所以摄像机坐标系上的每个点经过此旋转平移变换都能在世界坐标系中找到对应点。假设变换矩阵为
Figure BDA0001532764250000025
则两者存在以下关系：
Figure BDA0001532764250000031
式中R为正交旋转矩阵，T为平移向量，为摄像机cMw外参数矩阵，联立式(4)和式(6)得：
Figure BDA0001532764250000032
M为摄像机参数矩阵。
传统的摄像机标定特征点的距离获取，都是在图像传感器位置固定的前提下进行的，位置在标定前已经知道，因此这种标定方法对于相机要求也是固定的。本实施例采用超高精度激光位移传感器，测量数据输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出，精度级别高，目前还未见到有位移传感器测距确定特征点坐标的实施例。
发明内容
本发明的目的是提供可以实时测量图像传感器与被测物距离来获取标定板特征点在摄像机坐标系中的坐标的装置，同时在测距的过程中结合摄像机坐标转换来一定程度上反映图像采集质量，达到优化标定过程、优化图像目的的一种激光测距优化标定的视觉***。
本发明设有底座、球形铰链、***支架、圆弧架、滑块、摄像机和激光位移传感器；所述激光位移传感器、摄像机和滑块固定圆弧架上，***支架的上端固定在圆弧架上，***支架的底端固定在底座上，***支架的底端通过球形铰链与固定螺栓连接，固定螺栓固定在底座上；所述摄像机固定在滑块上，摄像机在圆弧形架上可进行角度调节。
圆弧架加滑块的设计可以实现摄像机拍摄角度的调节，同时激光位移传感器测得的数据与摄像机数据可进行换算。
本发明的工作原理和有益效果如下：
摄像机和激光位移传感器两个设备是安装在同半径的圆弧架上，故摄像机距被测点的距离l可用激光位移传感器所测得距离s和摄像机与支架的角度来表示，记为：l＝f(s,a)。若以摄像机光轴心建立坐标系，则l就是标定公式(2)中的Zc；***支架与底座通过球形铰链连接，旁边固定螺栓起固定作用，可以调节***支架的俯仰，达到摄像机高低的调节。
现假设平移向量T＝[10 -50 300]T，旋转矩阵
Figure BDA0001532764250000041
已知焦距f为25mm,摄像机的内部参数a＝b＝2.2μm，即图像水平和垂直方向的最小像素单位。由摄像机的分辨率为2592×1944，可取u0＝1296×2.2＝2851.2μm，v0＝972×2.2＝2138.4μm，用高精度激光位移传感器测得Zc的不同精度的取值结果，即Zc值为已知的情况下的标定计算结果如表1所示。
表1
序号 Z<sub>c</sub>的不同取值(mm) 标定结果[u v]<sup>T</sup>
1 279.5 [102.9 52.1]<sup>T</sup>
2 279.55 [88.35 42.64]<sup>T</sup>
3 279.555 [89.111 43.452]<sup>T</sup>
4 279.5555 [89.0244 43.5888]<sup>T</sup>
5 279.55555 [89.02744 43.60154]<sup>T</sup>
6 279.555555 [89.027023 43.600177]<sup>T</sup>
由两组数据对比可看出，随着Zc值的精度不断提高，景物点反映到图像中的像素点位置也更加精确，其中1号数据是在Zc未知情况下经过计算得到的数值，可看出在一系列结果中并不算精度最高的结果，所以用高精度激光位移传感器测得换算的Zc值代入公式后的图形坐标结果精度更为精确。
用同样的方法对右侧摄像机采用同样的标定，得到右侧摄像机的内外参数，然后根据已知的两个标定信息，代入式(5)分别计算出空间点P在左右两个摄像机的焦距归一化成像平面的成像点P1c1、P1c2，根据标定的结果两台摄像机的外参数c1Mc2，构建空间点P在摄像机C1的光轴中心点与点P1c1构成的直线L1,摄像机C2的光轴中心点与点P1c2构成的直线L2，利用最小二乘法求解直线L1和直线L2的交点即可求出点P在摄像机C1下的三维坐标。由于本实施例采用激光位移传感器标定结果景物点的图像坐标更精确，所以在构建直线和求解交点的结果也会更精确。
附图说明
图1为成像平面坐标系与计算机图像坐标系。
图2为摄像机坐标系与成像平面坐标系关系
图3为本发明实施例的外观结构示意图。
图4为本发明实施例的使用原理示意图。
图5为本发明实施例的球形铰链结构示意图。
图6为本发明实施例的滑块结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图3～6，本发明实施例设有底座1、固定螺栓2、球形铰链3、***支架4、圆弧架5、滑块8、摄像机7和激光位移传感器6；所述激光位移传感器6、摄像机7和滑块8固定圆弧架5上，***支架4的上端固定在圆弧架5上，***支架4的底端固定在底座1上，***支架4的底端通过球形铰链3与固定螺栓2连接，固定螺栓2固定在底座1上；所述摄像机7固定在滑块8上，摄像机7在圆弧形架5上可进行角度调节。
进行摄像机标定时，激光位移传感器测量特征点的距离，记为s，激光位移传感器和摄像机与不同特征点的夹角λ都近似相同等于圆弧支架的圆心角
Figure BDA0001532764250000051
利用已知参数s和
Figure BDA0001532764250000052
来表示l，即
Figure BDA0001532764250000053
故
Figure BDA0001532764250000054
实际测量时，选取一组点分别列出各点在世界坐标系和摄像机坐标系中的坐标。用激光位移传感器测得的数据换算代替Zc进行计算，来确定景物点坐标。完成一侧相机标定之后，再进行另一侧标定，然后根据已知的两个标定信息，参考式(5)分别计算出空间点P在左右两个摄像机的焦距归一化成像平面的成像点P1c1、P1c2，根据标定的结果两台摄像机的外参数c1Mc2，构建空间点P在摄像机C1的光轴中心点与点P1c1构成的直线L1,摄像机C2的光轴中心点与点P1c2构成的直线L2，利用最小二乘法求解直线L1和直线L2的交点即可求出点P在摄像机C1下的三维坐标。
本发明可实现两个甚至多个图像传感器的固定及测量角度调节；激光位移传感器安装于圆弧架中心位置，可提取位移传感器与标定特征点间的距离数据并换算出其余图像传感器至标定特征点的距离；圆弧架上设有刻度值可反应出图像传感器与激光位移传感器的相对偏移角度；底座的球形铰链可以实现对成像***支架在空间位置的调节，球铰链旁的螺栓是对铰链进行固定。

Claims (1)

1.一种激光测距优化标定的视觉***，其特征在于设有底座、球形铰链、***支架、圆弧架、滑块、摄像机和激光位移传感器；所述激光位移传感器和滑块固定圆弧架上，***支架的上端固定在圆弧架上，***支架的底端通过球形铰链与固定螺栓连接，固定螺栓固定在底座上；所述摄像机固定在滑块上，摄像机通过滑块在圆弧形架上进行角度调节。
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