CN112762829B - 基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法及***,所述目标坐标测量方法包括:将棋盘格竖直置于视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使棋盘格的表面与视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;基于相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到标定参数;根据标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。本发明利用棋盘格竖直置于视觉***的图像采集范围内,基于视觉***的第一相机及第二相机的内部参数,并根据采集的第一图像和第二图像,可通过视觉***的标定参数,快速、准确地确定视觉***的公共视场内任意点的三维坐标。
Description
技术领域
本发明涉及视觉测量及图像处理技术领域,特别涉及一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法及***。
背景技术
双目立体视觉可对其公共视场中的目标进行三维位置测量,其应用非常广泛。传统的双目立体视觉为被动视觉,只能被动地采集场景图像,两台相机之间的相对关系保持不变,不能对目标进行注视。为了更好地测量不同深度的目标,需要改变两台相机的相对朝向,形成对目标的注视。联动偏转式主动视觉***能够对相机进行偏转,同步调整两台相机的朝向,对目标进行注视。但两台相机偏转后,其相对关系发生了变化,传统的外参数标定难以满足主动视觉***的需求,对三维测量带来了挑战。因此,联动偏转式主动视觉***的标定和测量具有一定的挑战性。
在偏转式主动视觉***的测量领域,存在如下一些已有的标定和测量方法。如一种用于联动偏转式主动视觉***的标定和测量方法,基于目标深度和基线长度对相机的初始角进行标定,通过两台相机分别注视目标点进行三维测量。标定时,采用人工测量基线长度和靶标到视觉***的距离,利用多个特征点构成方程组,求解出两台相机的初始角。测量时,利用两次偏转运动测量特征点的三维坐标。
再如一种用于“监控-注视”主动视觉***的标定和测量方法,基于目标深度对基线长度和注视相机的初始角进行标定,测量出目标深度z后计算x、y坐标。标定时,采用人工测量靶标到视觉***的距离,利用多个方程组计算出基线长度和注视相机的初始角。测量时,注视相机经过偏转使得目标点图像与光心点图像重合,利用基线长度、监控相机中的目标图像坐标和注视相机的偏转角,计算出目标的z坐标,然后计算x、y坐标。
但是上述两种标定方法都需要人工测量靶标到视觉***的距离,既不方便,又不准确。此外,第1种方法需要两次偏转运动才能测量1个点的三维坐标,效率很低;第2种方法测量精度较低。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题,即为了提高目标坐标测量的效率,本发明的目的在于提供一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法及***。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下方案:
一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,所述视觉***包括第一相机及第二相机,所述目标坐标测量方法包括:
将棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
可选地,所述使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直,具体包括:
以所述视觉***中平行于两台相机连线的支架为基础,通过激光测距仪测量棋盘格表面不同位置到所述支架的距离,调整棋盘格使得棋盘格表面不同位置到支架的距离相等。
可选地,所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量;
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y;
所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2:
分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20;
从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j;
根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10;
根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′;
根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b;
根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1。
可选地,根据以下公式,确定所述第一指标函数F1和第二指标函数F2:
其中,F1j是第一相机Ca1采集的第一图像中第j组等间隔第一纵向特征点的方程残差函数,F2j是第二相机Ca2采集的第二图像中第j组等间隔第二纵向特征点的方程残差函数:
其中,β1j、β1j+1、β1j+2分别是第j组各第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角,β2j、β2j+1、β2j+2分别是第j组各第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中横坐标方向角:
其中,u1j是第j组第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中的图像横坐标,u2j是第j组第二个第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中的图像横坐标。
可选地,根据以下公式确定第一俯仰初始角γ10:
γ10=γ2j-γ1j+γ20;
其中,Zc轴位于Xc轴与第二相机Ca2的光轴构成的平面内,第二相机Ca2的第二俯仰初始角γ20=0;v1j是第j组中第一个第一横向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中的图像纵坐标,v2j是第j组中第一个第二横向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中的图像纵坐标。
可选地,所述根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1,具体包括:
在棋盘格不动的情况下,将相机旋转不同的角度,确定多个任一角点的深度zj′,且同一角点的横坐标xj相等;
求解公式
xj=zj′tan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sin(iα+α10),确定光心偏移量da1;
其中,α是相机的偏转角,i表示相机第i次旋转,iα表示相机第i次旋转后的偏转角,iβ1j表示相机第i次旋转后的β1j,β1j是第j组中第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角。
可选地,棋盘格中角点的三维坐标分为x轴坐标xj、y轴坐标yj、z轴坐标zj;
根据以下公式确定所述角点的三维坐标:
xj=zjtan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sin(iα+α10);
yj=zjtan(γ1j+γ10);
其中,α是相机的偏转角,i表示相机第i次旋转,iα表示相机第i次旋转后的偏转角,iβ1j表示相机第i次旋转后的β1j,β1j是第j组中第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角,β2j是第j组第二个各第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中横坐标方向角,γ10是第一俯仰初始角。
为解决上述技术问题,本发明还提供了如下方案:
一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,所述视觉***包括第一相机及第二相机,所述目标坐标测量***包括:
图像采集单元,用于通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
参数确定单元,用于基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
坐标确定单元,用于根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
为解决上述技术问题,本发明还提供了如下方案:
一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,包括:
处理器;以及
被安排成存储计算机可执行指令的存储器,所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作:
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
为解决上述技术问题,本发明还提供了如下方案:
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序,所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时,使得所述电子设备执行以下操作:
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
根据本发明的实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明利用棋盘格竖直置于视觉***的图像采集范围内,采集第一图像和第二图像,基于视觉***的第一相机及第二相机的内部参数,并根据第一图像和第二图像,可通过视觉***的标定参数,快速、准确地确定视觉***的公共视场内任意点的三维坐标,避免人工的测量,提高目标点的确定精度和确定效率。
附图说明
图1是联动偏转式主动视觉***的参数与测量方法示意图;
图2是本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法的流程图;
图3是发明一种实施例中三维测量值的对比图;
图4是本发明一种实施例中XOY平面内的测量值的对比图;
图5是本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***的模块结构示意图。
符号说明:
第一相机Ca1的光心点—1,第二相机Ca2的光心点—2,空间点P—3,第一相机的偏转轴与光轴的交点—4,图像采集单元—10,参数确定单元—20,坐标确定单元—30。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的目的是提供一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,利用棋盘格竖直置于视觉***的图像采集范围内,采集第一图像和第二图像,基于视觉***的第一相机及第二相机的内部参数,并根据第一图像和第二图像,可通过视觉***的标定参数,快速、准确地确定视觉***的公共视场内任意点的三维坐标,避免人工的测量,提高目标点的确定精度和确定效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,联动偏转式主动视觉***包含第一相机Ca1和第二相机Ca2。联动偏转式主动视觉***的视觉坐标系基于第一相机Ca1的光心点1与第二相机Ca2的光心点2连线的中点位置建立,原点为Oc,视觉坐标系的Xc轴为从第一相机Ca1的光心点1指向第二相机Ca2的光心点2,视觉坐标系的Zc轴垂直于Xc轴并在第二相机Ca2的光轴与Xc轴构成的平面内。
相机的偏转角为α,从电机控制器获取。空间点P在第一相机Ca1的图像坐标系中的横坐标方向角为β1,空间点P在第二相机Ca2的图像坐标系中的横坐标方向角为β2,利用空间点的图像坐标和相机的内参数计算获得。
如图2所示,本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法包括:
步骤100:将棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
步骤200:通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;
步骤300:基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
步骤400:根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
其中在,在步骤100中,所述使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直,具体包括:
以所述视觉***中平行于两台相机连线的支架为基础,通过激光测距仪测量棋盘格表面不同位置到所述支架的距离,调整棋盘格使得棋盘格表面不同位置到支架的距离相等。
在本实施例中,选用的棋盘格的方格为20×20mm,共有12×9个黑白相间的方格。
所述视觉***的标定参数包括第一相机的第一偏转初始角α10、第二相机的第二偏转初始角α20、第一相机的第一俯仰初始角γ10、基线长度b及光心偏移量da1。
光心偏移量da1为第一相机的偏转轴与光轴的交点4与第一相机Ca1的光心点1之间的距离。
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y。
在步骤300中,所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
步骤310:从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点。
在本实施例中,v10=241.4像素,v20=231.9像。
步骤320:以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2。
每3个等间隔纵向特征点(第一纵向特征点和第二纵向特征点)为1组,针对每台相机采集的棋盘格图像,选取了3组纵向特征点,建立指标函数;其中,第1组纵向特征点的间隔为一个方格,第2组空纵向特征点的间隔为两个方格,第3组纵向特征点的间隔为三个方格。
根据以下公式,确定所述第一指标函数F1和第二指标函数F2:
其中,F1j是第一相机Ca1采集的第一图像中第j组等间隔第一纵向特征点的方程残差函数,F2j是第二相机Ca2采集的第二图像中第j组等间隔第二纵向特征点的方程残差函数:
其中,β1j、β1j+1、β1j+2分别是第j组各第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角,β2j、β2j+1、β2j+2分别是第j组各第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中横坐标方向角:
其中,u1j是第j组第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中的图像横坐标,u2j是第j组第二个第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中的图像横坐标。
步骤330:分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20。
在本实施例中,第一指标函数F1对自变量第一偏转初始角α10以步长0.01°在[-20°,20°]范围内遍历,获取使得第一指标函数F1取最小值的α10,第二指标函数F2对自变量第二偏转初始角α20以步长0.01°在[-20°,20°]范围内遍历,获取使得第二指标函数F2取最小值的α20。
步骤340:从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点。
在本实施例中,u10=319.2像素,u20=292.6像素。
步骤350:以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j:
其中,v1j是第j组中第一个第一横向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中的图像纵坐标,v2j是第j组中第一个第二横向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中的图像纵坐标。
步骤360:根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10。
根据以下公式确定第一俯仰初始角γ10:
γ10=γ2j-γ1j+γ20;
其中,Zc轴位于Xc轴与第二相机Ca2的光轴构成的平面内,第二相机Ca2的第二俯仰初始角γ20=0。
步骤370:根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′。
根据以下公式(深度计算公式)确定深度zj′:
其中,Δxj是第j组等间隔第一纵向特征点的间隔量,为已知量(在本实施例中Δxj=20mm),β1j、β1j+1分别是第j组中第一个、第二个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角。
步骤380:根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b。
根据以下公式,确定基线长度b:
b=zj′[tan(α10+β1j)+tan(-α20-β2j)];
步骤390:根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1。具体包括:
在棋盘格不动的情况下,将相机旋转不同的角度,确定多个任一角点的深度zj′,且同一角点的横坐标xj相等;
求解公式(光心偏移量公式)
xj=zj′tan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sin(iα+α10),确定光心偏移量da1;
其中,α是相机的偏转角,i表示相机第i次旋转,iα表示相机第i次旋转后的偏转角,iβ1j表示相机第i次旋转后的β1j,β1j是第j组中第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角。
在本实施例中,将相机旋转,在α=0°、α=1.8°和α=3.6°时,根据深度计算公式,确定对应的深度zj′;对于同一个角点,在α=0°、α=1.8°和α=3.6°时,在光心偏移量公式中,坐标xj相等,消掉xj后得到两个含有da1的方程,计算得到光心偏移量da1。
在步骤400中,棋盘格中角点的三维坐标分为x轴坐标xj、y轴坐标yj、z轴坐标zj;
根据以下公式确定所述角点的三维坐标:
xj=zjtan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sin(iα+α10);
yj=zjtan(γ1j+γ10)。
本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,简单易行,精度高,能够方便高效地实现视觉***公共视场内任意点的三维坐标测量,可解决现有的偏转式主动视觉标定方法需要人工测量靶标到视觉***的距离问题,解决现有的偏转式主动视觉测量方法不能兼顾精度与效率的问题。随着机器人的快速发展,本发明具有可观的应用前景和社会经济效益。
如图3和图4所示,图中*表示采用立体视觉的测量值,°表示本发明方法的测量值。其中,立体视觉测量方法是公知的测量方法,但其外参数按照本发明前述基线长度和初始角参数确定,利用相机的光心点和成像点构成两条直线,利用最小二乘法求解出三维坐标。
在一种具体的实施例中,棋盘格相邻角点间的实际距离为20mm,本发明测量出的相邻角点间距离最大值为21.9mm,最小值为19.7mm;立体视觉测量出的相邻角点间距离最大值为21.8mm,最小值为19.6mm。在视觉***距离棋盘格靶标850mm距离的情况下,测量出的方格长度误差小于2mm,说明本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法具有很好的精度。需要说明的是,本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法利用标定参数的立体视觉测量方法,其测量结果相吻合,且均具有较高的测量精度。
此外,本发明还提供一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,可提供目标坐标测量的效率。
如图5所示,本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***图像采集单元10、参数确定单元20及坐标确定单元30。
其中,所示图像采集单元10用于通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
所述参数确定单元20用于基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
所述坐标确定单元30用于根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
此外,本发明还提供了如下方案:
一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,包括:
处理器;以及
被安排成存储计算机可执行指令的存储器,所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作:
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
本发明还提供了如下方案:
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序,所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时,使得所述电子设备执行以下操作:
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
相对于现有技术,本发明基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***、计算机可读存储介质与上述基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法的有益效果相同,在此不再赘述。
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但是,本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,所述视觉***包括第一相机及第二相机,其特征在于,所述目标坐标测量方法包括:
将棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量;
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y;
所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2:
分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20;
从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j;
根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10;
根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′;
根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b;
根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,其特征在于,所述使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直,具体包括:
以所述视觉***中平行于两台相机连线的支架为基础,通过激光测距仪测量棋盘格表面不同位置到所述支架的距离,调整棋盘格使得棋盘格表面不同位置到支架的距离相等。
3.根据权利要求1所述的基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,其特征在于,根据以下公式,确定所述第一指标函数F1和第二指标函数F2:
其中,F1j是第一相机Ca1采集的第一图像中第j组等间隔第一纵向特征点的方程残差函数,F2j是第二相机Ca2采集的第二图像中第j组等间隔第二纵向特征点的方程残差函数:
其中,β1j、β1j+1、β1j+2分别是第j组各第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角,β2j、β2j+1、β2j+2分别是第j组各第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中横坐标方向角:
其中,u1j是第j组第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中的图像横坐标,u2j是第j组第二个第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中的图像横坐标。
5.根据权利要求1所述的基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,其特征在于,所述根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1,具体包括:
在棋盘格不动的情况下,将相机旋转不同的角度,确定多个任一角点的深度zj′,且同一角点的横坐标xj相等;
求解公式xj=zj′tan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sini(α+α10,确定光心偏移量da1;
其中,α是相机的偏转角,i表示相机第i次旋转,iα表示相机第i次旋转后的偏转角,iβ1j表示相机第i次旋转后的β1j,β1j是第j组中第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角。
6.根据权利要求1所述的基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量方法,其特征在于,棋盘格中角点的三维坐标分为x轴坐标xj、y轴坐标yj、z轴坐标zj;
根据以下公式确定所述角点的三维坐标:
xj=zjtan(iα+α10+iβ1j)-b/2+da1sin(iα+α10);
yj=zjtan(γ1j+γ10);
其中,α是相机的偏转角,i表示相机第i次旋转,iα表示相机第i次旋转后的偏转角,iβ1j表示相机第i次旋转后的β1j,β1j是第j组中第一个第一纵向特征点在第一相机Ca1的图像坐标系中横坐标方向角,β2j是第j组第二个各第二纵向特征点在第二相机Ca2的图像坐标系中横坐标方向角,γ10是第一俯仰初始角。
7.一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,所述视觉***包括第一相机及第二相机,其特征在于,所述目标坐标测量***包括:
图像采集单元,用于通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
参数确定单元,用于基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量;
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y;
所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2:
分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20;
从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j;
根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10;
根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′;
根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b;
根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1;
坐标确定单元,用于根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
8.一种基于联动偏转式主动视觉***的目标坐标测量***,包括:
处理器;以及
被安排成存储计算机可执行指令的存储器,所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作:
将棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量;
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y;
所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2:
分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20;
从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j;
根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10;
根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′;
根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b;
根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1;
根据所述视觉***的标定参数,确定棋盘格中各个角点的三维坐标。
9.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序,所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时,使得所述电子设备执行以下操作:
将棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且在相机的偏转角为0时,使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像,得到第一图像和第二图像;其中,视觉***包括第一相机及第二相机,所述棋盘格竖直置于所述视觉***的图像采集范围内,且使所述棋盘格的表面与所述视觉***的视觉坐标系的z轴垂直;
基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数;
所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量;
所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u10、图像纵坐标v10,第一相机Ca1沿图像横坐标的放大系数k1x、沿图像纵坐标的放大系数k1y;第二相机光心点的图像横坐标u20、图像纵坐标v20,第二相机Ca2沿图像横坐标的放大系数k2x、沿图像纵坐标的放大系数k2y;
所述基于第一相机及第二相机的内部参数,根据第一图像和第二图像,得到所述视觉***的标定参数,具体包括:
从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v10水平直线上的角点为第一纵向特征点,从所述第二图像中选择纵坐标最接近第二相机光心点的图像纵坐标v20水平直线上的角点为第二纵向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组,基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F1;以第二图像中每3个等间隔第二纵向特征点为1组,基于n组,建立关于第二偏转初始角的第二指标函数F2:
分别对所述第一指标函数F1、第二指标函数F1最小化,得到对应的第一偏转初始角α10和第二偏转初始角α20;
从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u10竖直直线上的角点为第一横向特征点,从所述第二图像中选择横坐标最接近第二相机光心点的图像横坐标u20竖直直线上的角点为第二横向特征点;
以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组,确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ1j,以第二图像中每3个等间隔第二横向特征点为1组,确定第j组中第一个第二横向特征点的第二纵坐标方向角γ2j;
根据所述纵坐标方向角γ1j和纵坐标方向角γ2j确定第一相机Ca1的第一俯仰初始角γ10;
根据第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的相邻角点,确定对应的深度zj′;
根据深度zj′、第一偏转初始角α10、第二偏转初始角α20、第一图像中水平线上的角点及第二图像中水平线上的角点,确定基线长度b;
根据深度zj′、基线长度b、第一偏转初始角α10、第一图像中水平线上的角点,确定光心偏移量da1;
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