CN108469254A - 一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法，包括步骤：1)将仰视大视场分割成多个子视场，每个子视场由一套仰视位姿的双目立体视觉***负责拍摄，每组双目立体视觉***进行双目立体标定；2)利用一组辅助双目立体视觉***对大视场多视觉视频测量***进行全局标定。本发明的优点是：针对目前基于全站仪的全局标定方法无法在仰视或俯视位姿下进行全局标定、且需要繁琐的人工瞄准和读数操作、人工误差大、标定速度慢等问题，本发明提出了基于一组辅助立体视觉***视场重叠拼接的全局标定方法，适用于包括仰视和俯视在内的任意位姿多视觉视频测量***全局标定，同时具有操作方便、精度高、速度快和成本低等优点。

Description

一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全 局标定方法

技术领域

本发明涉及多视觉视频测量***全局标定方法，尤其涉及一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法。

背景技术

立体视觉测量作为一种新型的高精度非接触测量方法，被广泛应用于工业、农业、国防等领域。近年来，随着待测构件尺寸的不断增大，大视场的立体视觉测量***备受关注。由于该类视觉测量***通常需要多组相机的视场拼接，不同双目立体视觉***三维坐标系的全局标定是其关键步骤，因此，精准、高效、自动地对不同双目立体视觉***进行全局标定，对提高大视场多视觉视频测量***的实用性具有重要的意义。

目前多视觉视频测量***全局标定采用的方法是全站仪法：该方法利用全站仪一次完成一个空间点的水平角、高度角、距离的测量，即一站式完成一个空间点的三维信息测量。通过获取不同立体视觉***视场中空间特征点三维信息，对大视场多视觉视频测量***进行全局标定。但全站仪垂直方向上视角范围较小，不适用于仰视和俯视位姿空间点的三维测量，在位姿和空间受限的场景中无法使用；此外，全站仪需要人工逐点测量特征点坐标，通过人眼对齐十字丝和标记点的误差范围不可控。

综上所述，目前的全局标定方法无法满足自动化标定大视场多视觉视频测量***的需求。本发明通过添加另外的双目立体视觉***，分别覆盖部分待拼接的其他不同双目立体视觉***，可以使全局标定过程高效和自动化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法。旨在解决现有全局标定技术无法在仰视和俯视位姿下标定、操作不方便、效率低和精度不高的问题。本发明方法包括以下方法步骤：

1)构建仰视或俯视位姿下的大视场多视觉视频测量***，具体包括以下步骤：

(1.1)利用两个工业相机、图像采集卡、光源、光电传感器和工业计算机构建一套高速双目立体视觉***；

(1.2)将待测的仰视或俯视大视场分割成N个互不重叠的子视场，每个子视场由一套仰视或俯视双目立体视觉***H_i(i＝1…N)负责拍摄测量；

(1.3)对每组仰视或俯视双目立体视觉***进行立体标定。

2)利用一组辅助双目立体视觉***L对大视场多视觉视频测量***进行全局标定，具体包括以下步骤：

(2.1)L的视场同时与H₁和H₂的部分视场重叠，重叠区域记为LH₁和LH₂；

(2.2)通过LH₁区域的多个非共线靶标点，计算H₁与L之间的旋转平移矩阵R_1,L和T_1,L；

(2.3)通过LH₂区域的多个非共线靶标点，计算H₂与L之间的旋转平移矩阵R_2,L和T_2,L；

(2.4)通过[R_1,L T_1,L]和[R_2,L T_2,L]把H₂的坐标***一到H₁坐标系中，完成H₁和H₂的全局标定；

(2.5)采用(2.1-2.4)中同样的方法标定H₁_H₃或H₂_H₃四目视觉***，把H₃标定到H₁_H₂坐标系下，实现H₁_H₂_H₃六目全局标定；

(2.6)重复(2.5)直到所有的双目立体视觉***都标定到H₁坐标系下，撤离L，实现大视场多视觉视频测量***的全局标定。

本发明的优点是：本发明提出了基于一组辅助立体视觉***视场重叠拼接的全局标定方法，与目前普遍采用的全站仪方法相比，本方法能用于包括仰视和俯视在内的任意位姿多视觉视频测量***全局标定，同时具有操作方便、精度高、速度快和成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明采用如图2所示的方法，实现多视觉视频测量***全局标定。其具体实施步骤如下：

1)构建仰视或俯视位姿下的大视场多视觉视频测量***，具体包括以下步骤：

(1.1)利用两个工业相机、图像采集卡、光源、光电传感器和工业计算机构建一套高速双目立体视觉***；

(1.2)将待测的仰视或俯视大视场分割成N个互不重叠的子视场，每个子视场由一套仰视或俯视双目立体视觉***H_i(i＝1…N)负责拍摄测量；

(1.3)对每组仰视或俯视双目立体视觉***进行立体标定。

本发明实施例中，工业相机选用的是德国BASLER公司产型号为acA2000-340km的工业相机，镜头焦距为12mm，图像分辨率为2040pixel×1024pixel，视觉传感器之间的距离为40mm，大视场测量位置离相机为5000mm，测量位置单个工业相机的视场范围为4675mm×2347mm。图像采集卡选用的是Matrox公司产的型号为Radient eV-CL的Cameralink采集卡。

本发明实施例中，待测大视场为4000mm×4000mm，将该视场划分为两个4000mm×2000mm的子视场，采用步骤(1.1)方法构建的两组双目立体视觉***负责拍摄测量。

本发明实施例中，对双目立体视觉***进行立体标定所采用的方法，具体步骤如下：

(1.3.a)利用一个或多个平面棋盘格靶标，获取10对以上不同方向的棋盘格图像，作为标定图像，且棋盘平面与摄像机的图像平面要有一定夹角，且不同方向的棋盘平面不平行；

(1.3.b)利用获取的标定图像，采用张正友提出的平面标定算法，对摄像机进行单目标定和立体标定，获得摄像机内部参数，以及两台摄像机之间的外部参数；

(1.3.c)利用(1.3.b)中获得的内外参数，通过Bouguet立体校正算法，计算行对准校正旋转矩阵R_l、R_r和重投影矩阵Q；

(1.3.d)重复步骤(1.3.a)—步骤(1.3.c)，对另一个立体视觉***进行标定，如图1所示，分别对组别A、B和辅助定标组C进行双目标定。

2)利用一组辅助双目立体视觉***L对多视觉视频测量***进行全局标定，具体包括以下步骤：

(2.1)L的视场同时与H₁和H₂的部分视场重叠，重叠区域记为LH₁和LH₂；

(2.2)利用LH₁区域的多个非共线靶标点，计算H₁与L之间的旋转平移矩阵R_1,L和T_1,L；

(2.3)利用LH₂区域的多个非共线靶标点，计算H₂与L之间的旋转平移矩阵R_2,L和T_2,L；

(2.4)通过[R_1,L T_1,L]和[R_2,L T_2,L]把H₂的坐标***一到H₁坐标系中，完成H₁和H₂的全局标定；

(2.5)采用(2.1-2.4)中同样的方法标定H₁_H₃或H₂_H₃四目视觉***，把H₃标定到H₁_H₂坐标系下，实现H₁_H₂_H₃六目全局标定；

(2.6)重复(2.5)直到所有的双目立体视觉***都标定到H₁坐标系下，撤离L，实现大视场多视觉视频测量***的全局标定。

本发明实施例中，实现的是大视场四视觉视频测量***，只由两组双目立体视觉***组成，因此步骤2)的实施只包括步骤(2.1)-步骤(2.4)。步骤(2.2)和(2.3)中的旋转平移矩阵R_i,L和T_i,L，其中i＝1,2，计算方法具体为：

采用步骤(1.3)中获得的标定参数，对全局标定图像进行行对齐校正，并计算视场重叠区域标记点P在H_i和L中的三维坐标P_i和P_L；根据P_i和P_L计算两个立体视觉***之间的旋转平移矩阵R_i,L和T_i,L。R_i,L和T_i,L的计算过程如下：

设第j个标记点在第1个和第2个双目立体视觉***所在坐标系下的坐标为P_i,j和P_L,j，那么两个立体视觉***之间的转换关系R_i,L和T_i,L满足：

式中，R_i,L为3*3旋转矩阵，T_i,L为3*1列矩阵，共12个未知数，且为线性方程，利用至少4个不共面的标记点，即可计算出R_i,L和T_i,L的唯一解。

利用N(N>4)个标记点计算R_i,L和T_i,L时，由式(1)可得：

方程左边记为H，右边记为G·S^-1，则H的最小二乘解为：

H＝G·S^T·(S·S^T)^-1 (3)

此时，H为拟合标记点信息最优的解，但是并不满足两个直角坐标系之间转换关系的要求，因此，以该最优值作为初始值，以式(4)为目标函数，对H进行非线性优化，进而求得R_i,L和T_i,L。

分别获取第1组和第2组双目立体视觉***与辅助双目视觉***L之间的转换关系，如图1所示。

以其中任意一组立体视觉模块自身坐标系为参考坐标系，把其它双目立体视觉模块的坐标空间映射到参考坐标系，如图1所示，选取辅助定标组L所在坐标系为参考，可将第1组和第2组中的点坐标分别转换至参考坐标系下，以实现第1组和第2组之间的坐标***一。

本发明实施例中，采用重投影残差验证全局标定误差。第1组和第2组双目立体视觉***之间的重投影残差error的计算公式为：

式中，N为采用标记点的个数。

最后，撤离辅助定标摄像机，得到全局标定完成的大视场多视觉视频测量***。

Claims (3)

1.一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法，其特征在于包括以下方法步骤：

1)构建仰视或俯视位姿下的大视场多视觉视频测量***；

2)利用一组辅助双目立体视觉***L对多视觉视频测量***进行全局标定。

2.根据权利要求1所述的一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法，其特征在于：步骤1)中构建仰视或俯视位姿下的大视场多视觉视频测量***具体包括以下步骤：

(1.1)利用两个工业相机、图像采集卡、光源、光电传感器和工业计算机构建一套高速双目立体视觉***；

(1.2)将待测的仰视或俯视大视场分割成N个互不重叠的子视场，每个子视场由一套仰视或俯视双目立体视觉***H_i(i＝1…N)负责拍摄测量；

(1.3)对每组仰视或俯视双目立体视觉***进行立体标定。

3.根据权利要求1所述的一种适用于仰视和俯视位姿的大视场多视觉视频测量***全局标定方法，其特征在于：步骤2)中利用一组辅助双目立体视觉***L对多视觉视频测量***进行全局标定，具体包括以下步骤：

(2.1)L的视场同时与H₁和H₂的部分视场重叠，重叠区域记为LH₁和LH₂；

(2.2)通过LH₁区域的多个非共线靶标点，计算H₁与L之间的旋转平移矩阵R_1,L和T_1,L；

(2.3)通过LH₂区域的多个非共线靶标点，计算H₂与L之间的旋转平移矩阵R_2,L和T_2,L；

(2.4)通过[R_1,L T_1,L]和[R_2,L T_2,L]把H₂的坐标***一到H₁坐标系中，完成H₁和H₂的全局标定；

(2.5)采用(2.1-2.4)中同样的方法标定H₁_H₃或H₂_H₃四目视觉***，把H₃标定到H₁_H₂坐标系下，实现H₁_H₂_H₃六目全局标定；

(2.6)重复(2.5)直到所有的双目立体视觉***都标定到H₁坐标系下，撤离L，实现多视觉测量***的全局标定。