CN114359365A - 一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法，是从双目标定结果中的相机内外参数入手，计算双目相机光轴在水平方向的夹角；再根据相机光轴角度构建图像的旋转矩阵；接着，根据双目相机的平移向量计算光心之间的距离，并以此构建图像的平移矩阵，再构建最终的图像变换矩阵；然后通过图像变换矩阵计算双目视差，最终得到双目测量的深度值。本发明能够在使用普通视场相机的情况下获取足够大的有效测量区域，并能应用在对空间结构要求比较高的场合，从而提高双目视觉的测量分辨率。

Description

一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，具体涉及基于汇聚式双目视觉测量的提高测量分辨率的方法。

背景技术

光学三维测量技术是获取物体三维信息最有效的手段之一。它具有非接触测量、不需接触被测物表面、高采样密度等诸多优点。目前，光学三维测量技术的主要实现途径有：激光雷达法、莫尔法、结构光法、双目视觉法等等。其中，双目视觉法是根据测量***中各设备的空间几何位置关系，测得最终的三维信息。近年来，基于双目视觉的三维测量方法由于结构灵活、安装方便、成本低因而被广泛应用。

在精密测量领域，双目视觉测量中常采用的平行结构因受相机视场角限制，在双目图像中能够有效测量的重合区域较小，若是使用大视角的相机增大图像重合区域，又会引入较大的图像畸变，难免会影响测量精度，使用光轴汇聚式结构的双目***又会因视差过大而使得测量分辨率较小。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中的不足之处，提供一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法，以期能在受到相机视场角及测量场合限制时，保证双目图像中包含足够大的重合区域，同时不会引入过大的图像畸变，从而能够提高双目视觉的测量分辨率，并能应用在对空间结构要求比较高的场合。

为达到此目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、标定双目相机的内外参数：

将标定板放置在双目相机的视场重合区域中，并利用所述双目相机采集多组不同空间位姿的标定板图像，使用张氏标定法对双目相机进行双目标定，从而得到内参矩阵

和包括双目相机的旋转向量R_vec及平移向量

的外参；f表示相机焦距，u₀、v₀分别表示图像中心像素的横、纵坐标，t₁、t₂、t₃分别表示右侧相机相对于左侧相机在x、y、z三个方向的平移量；

步骤2、结合内外参数构建图像变换矩阵：

步骤2.1、利用罗德里格斯变换法将旋转向量R_vec转换为旋转矩阵R_cam；

步骤2.2、根据旋转矩阵R_cam中各元素之间的关系，利用式(1)计算出双目相机的光轴在水平方向的旋转角度θ：

式(1)中，r₃₁、r₃₂、r₃₃分别表示旋转矩阵R_cam中第三行的三个元素；

步骤2.3、根据光轴在水平方向的旋转角度θ，得到左侧相机采集的左视图对应的图像旋转矩阵

步骤2.4、根所述平移向量T_vec，得到双目相机光心的基线距离

步骤2.5、根据基线距离B，得到左侧相机采集的左视图对应的图像平移矩阵

步骤2.6、利用式(2)得到左视图的图像变换矩阵P_left(B,θ)：

P_left(B,θ)＝T_img(B)·R_img(θ)·M (2)

步骤2.7、同理，利用式(3)得到右视图的变换矩阵P_right(-B,-θ)：

P_right(-B,-θ)＝T_img(-B)·R_img(-θ)·M (3)

步骤3、利用式(4)得到变换后的左、右视图上的齐次坐标p′_l、p′_r：

式(4)中，p_l和p_r分别表示空间中距离双目相机深度为Z的一点P在左、右视图上的齐次坐标，x′_l、y′_l分别表示左视图上的横、纵像素坐标值，x′_r、y′_r分别表示右视图上的横、纵像素坐标值；

步骤4、利用式(5)计算左右视图中的视差d：

d＝x′_r-x′_l (5)

步骤5、利用式(6)计算深度Z：

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明方法在双目视觉测量的视差计算过程中，通过将左右相机在空间坐标系下的旋转和平移转换为左右图像在像素坐标系的旋转和平移，将左右相机的空间关系体现于视差的计算中，从而降低了视差计算引起的误差对深度测量的影响，进而提高了双目视觉的测量分辨率。

2、本发明方法能够在使用普通视场相机的情况下获取足够大的有效测量区域，增大相机光轴夹角以弥补相机视场不足的缺点，能够近距离完成精密器件的清晰成像，应用在对空间结构要求比较高的场合。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程框图；

图2为本发明双目视觉测量结构的示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法，如图1所示，主要流程分为以下几个步骤：

步骤1、标定双目相机的内外参数：

本实施例中，使用的标准棋盘格标定板的大小为9×6，每个方格边长为10mm。将标定板放置在双目相机的视场重合区域中，在视场重合区域内移动、转动标定板，保证标定板同时清晰完整出现在左右视图中，利用双目相机采集多组(15-20组为佳)不同空间位姿的标定板图像，使用张氏标定法对双目相机进行双目标定，从而得到内参矩阵

和包括双目相机的旋转向量R_vec＝[r₁ r₂ r₃]^T及平移向量T_vec＝[t₁ t₂ t₃]^T的外参；f表示相机焦距，u₀、v₀分别表示图像中心像素的横、纵坐标，r₁、r₂、r₃分别为表示相机光轴旋转向量的三个元素，t₁、t₂、t₃分别表示右侧相机相对于左侧相机在x、y、z三个方向的平移量。

步骤2、结合内外参数构建图像变换矩阵：

步骤2.1、利用式(1)所示的罗德里格斯变换法将旋转向量R_vec转换为旋转矩阵R_cam：

R_cam＝I+(1-cosα)S²+sinαS (1)

式(1)中，I为单位矩阵，α为两光轴的空间夹角，S为使用旋转向量中元素构建的矩阵；并有：

步骤2.2、根据旋转矩阵R_cam中各元素之间的关系，利用式(2)计算出双目相机的光轴在水平方向的旋转角度，如图2中θ：

式(2)中，r₃₁、r₃₂、r₃₃分别表示旋转矩阵R_cam中第三行的三个元素。

步骤2.3、根据光轴在水平方向的旋转角度θ，在图像校正过程中，左侧相机绕y轴旋转角度为

根据欧拉角与旋转矩阵的转换关系，得到左侧相机采集的左视图对应的图像旋转矩阵

右视图对应的图像旋转矩阵

步骤2.4、根平移向量T_vec，得到双目相机光心之间在世界坐标系中x-z平面上投影的基线距离，如图2中B：

步骤2.5、根据基线距离B，得到左侧相机采集的左视图对应的图像平移矩阵

右视图对应的图像平移矩阵

步骤2.6、利用式(3)得到左视图的图像变换矩阵P_left(B,θ)：

步骤2.7、同理，利用式(4)得到右视图的变换矩阵P_right(-B,-θ)：

步骤3、利用式(5)得到变换后的左、右视图上的齐次坐标p′_l、p′_r：

式(5)中，p_l和p_r分别表示空间中距离双目相机深度为Z的一点P在左、右视图上的齐次坐标，x′_l、y′_l分别表示左视图上的横、纵像素坐标值，x′_r、y′_r分别表示右视图上的横、纵像素坐标值；

步骤4、利用式(6)计算左右视图中的视差d：

步骤5、利用式(7)计算深度Z：

Claims (1)

1.一种具有高分辨率的汇聚式双目视觉测量方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、标定双目相机的内外参数：

将标定板放置在双目相机的视场重合区域中，并利用所述双目相机采集多组不同空间位姿的标定板图像，使用张氏标定法对双目相机进行双目标定，从而得到内参矩阵

和包括双目相机的旋转向量R_vec及平移向量

的外参；f表示相机焦距，u₀、v₀分别表示图像中心像素的横、纵坐标，t₁、t₂、t₃分别表示右侧相机相对于左侧相机在x、y、z三个方向的平移量；

步骤2、结合内外参数构建图像变换矩阵：

步骤2.1、利用罗德里格斯变换法将旋转向量R_vec转换为旋转矩阵R_cam；

步骤2.2、根据旋转矩阵R_cam中各元素之间的关系，利用式(1)计算出双目相机的光轴在水平方向的旋转角度θ：

式(1)中，r₃₁、r₃₂、r₃₃分别表示旋转矩阵R_cam中第三行的三个元素；

步骤2.3、根据光轴在水平方向的旋转角度θ，得到左侧相机采集的左视图对应的图像旋转矩阵

步骤2.4、根所述平移向量T_vec，得到双目相机光心的基线距离

步骤2.5、根据基线距离B，得到左侧相机采集的左视图对应的图像平移矩阵

步骤2.6、利用式(2)得到左视图的图像变换矩阵P_left(B,θ)：

P_left(B,θ)＝T_img(B)·R_img(θ)·M (2)

步骤2.7、同理，利用式(3)得到右视图的变换矩阵P_right(-B,-θ)：

P_right(-B,-θ)＝T_img(-B)·R_img(-θ)·M (3)

步骤3、利用式(4)得到变换后的左、右视图上的齐次坐标p′_l、p′_r：

式(4)中，p_l和p_r分别表示空间中距离双目相机深度为Z的一点P在左、右视图上的齐次坐标，x′_l、y′_l分别表示左视图上的横、纵像素坐标值，x′_r、y′_r分别表示右视图上的横、纵像素坐标值；

步骤4、利用式(5)计算左右视图中的视差d：

d＝x′_r-x′_l (5)

步骤5、利用式(6)计算深度Z：

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