CN115641382A - 正交型立体视觉结构的外参数标定方法 - Google Patents

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Abstract

正交型立体视觉结构的外参数标定方法，解决如何提高现有正交型立体视觉结构的外参数标定精度的问题，属于惯性约束聚变技术领域。本发明的正交型立体视觉结构包括四路监测单元，本发明还设计了专用标定靶，将专用标定靶放在正交型立体视觉结构中，调整四路监测单元的光轴方向，使其分别与靶体的四个标定点阵的中心点的法线重合；四路监测单元分别进行调焦，获得对应面上标定点阵的图像，解算各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系，再结合已知的各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系，解算出各监测单元的相机坐标系之间的关系，实现外参数标定。

Description

正交型立体视觉结构的外参数标定方法
技术领域
本发明涉及一种正交型立体视觉结构的外参数标定方法，属于惯性约束聚变技术领域。
背景技术
在惯性约束聚变中，需要采用多路高能激光轰击靶。为了解决精确把激光引导到靶，需要先对靶的位置和姿态进行精确定位。专利公开号为CN101303224的光学共轭原理的束靶耦合传感器，提出了一种正交型立体视觉传感器，该传感器可以实现对靶的位置和姿态的监测和定位。
但是该传感器多个相机的安装采用的是正交型布局，相机之间没有成像范围重叠，不构成一般意义上立体视觉，常规的立体视觉相机之间的外参数标定方法在这里不适用。另外，为了提高监测精度，相机镜头的景深很小(小于0.1mm)，如果目标靶的位置和姿态偏差时，用于定位的标记部位会离焦而成像模糊，这使得立体视觉外参数标定更具有难度。
发明内容
针对如何提高现有正交型立体视觉结构的外参数标定精度的问题，本发明提供一种正交型立体视觉结构及正交型立体视觉结构的外参数标定方法。
本发明的一种正交型立体视觉结构包括四路监测单元，分别为上路监测单元、下路监测单元、1号中路监测单元和2号中路监测单元；
上路监测单元与下路监测单元光轴同轴，1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交；
上路监测单元与下路监测单元分别与1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交；
上路监测单元、下路监测单元能够分别沿着同轴光轴上下独立运动，且上路监测单元带动1号中路监测单元一起上下运动，且下路监测单元带动2号中路监测单元一起上下运动；
1号中路监测单元和2号中路监测单元能够沿各自光轴方向前后运动；
上路监测单元与下路监测单元的对焦平面位于1号中路监测单元、2号中路监测单元的光轴所在平面。
作为优选，每路监测单元包括显微物镜和CCD相机，各路监测单元中的CCD相机像面垂直于显微物镜光轴。
本发明还提供一种专用标定靶，用于标定正交型立体视觉结构的外参数，标定靶包括靶体和标定点阵；
靶体为十面体，所述靶体的上下两个面为相同的八边形，且在上下两个面上设置有标定点阵；
所述靶体周围的8个面为矩形，且在8个面中的至少两个面上设置有标定点阵，且所有标定点阵的中心点的法线两两垂直，且交于一点。
作为优选，所述标定靶还包括十字叉丝；
十字叉丝设置在设有标定点阵的两个面之间的面上。
作为优选，所述标定靶还包括靶杆，靶杆固定在靶体周围的一个空白面上。
作为优选，标定点阵为3×3点阵图案。
本发明还提供一种正交型立体视觉结构的外参数标定方法，包括：
S1、获取权利要求3所述的专用标定靶的各个标定点阵的平面坐标系之间的变换关系；
S2、将所述专用标定靶放在正交型立体视觉结构中，调整正交型立体视觉结构中四路监测单元的光轴方向，使其分别与靶体的四个标定点阵的中心点的法线重合；
S3、正交型立体视觉结构中四路监测单元分别进行调焦，直至获得对应面上清晰的标定点阵的成像；
S4、四路监测单元进行拍摄，获得对应面上标定点阵的图像；
S5、利用点阵图像，解算各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系；
S6、根据各个标定点阵的平面坐标系之间的变换关系及各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系，解算出各监测单元的相机坐标系之间的关系，实现相机之间外参数标定。
作为优选，所述变换关系包括旋转关系和平移关系。
本发明的有益效果，本发明设计一种正交型立体视觉结构，适用于高精度、小视场范围条件下的目标六维定位，且在标定时，设计了专用标定靶，实现高精度的正交型立体视觉结构外参数标定。
附图说明
图1为本发明的正交型立体视觉结构的原理示意图；1表示上CCD相机；2表示上显微物镜；3表示1号中CCD相机；4表示1号中显微物镜；5表示2号中显微物镜；6表示2号中CCD相机；7表示下CCD相机；8表示下显微物镜；
图2为正交型立体视觉结构的外参数示意图；
图3和图4为本发明专用标定靶的结构示意图；
图5表示各标定点阵的平面坐标系之间的关系；
图6为正交型立体视觉标定原理。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的正交型立体视觉结构如图1所示，包括上CCD相机1、上显微物镜2、1号中CCD相机3、1号中显微物镜4、2号中显微物镜、2号中CCD相机6、下CCD相机7及下显微物镜8，组成四路监测单元，分别为上路监测单元、下路监测单元、1号中路监测单元和2号中路监测单元；
上CCD相机1、上显微物镜2连接为一个整体组成上路监测单元；
1号中CCD相机3、1号中显微物镜4连接为一个整体构成1号中路监测单元；
2号中显微物镜5、2号中CCD相机6连接为一个整体构成2号中路监测单元；
下CCD相机7、下显微物镜8连接为一个整体组成下路监测单元。
上路监测单元与下路监测单元光轴同轴；
上、下路监测单元分别与1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交；1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交。
4路监测单元中的CCD相机像面分别垂直于各自的显微物镜光轴。
上、下路监测单元可以沿上显微物镜2、下显微物镜8光轴方向(z向)上下独立运动，实现对目标靶的上、下表面调焦成像。
上路监测单元上下调焦运动时，以刚性连接的方式带动1号中路监测单元一起上下运动。下路监测单元上下调焦运动时，以刚性连接的方式带动2号中路监测单元一起上下运动。
1号中路监测单元和2号中路监测单元可以沿各自物镜光轴方向(x向、y向)前后运动，实现对靶的调焦成像。
上显微物镜2、下显微物镜8的对焦平面正好位于1号中路监测单元、2号中路监测单元的光轴所在平面。
本实施方式的正交型立体视觉结构优点：1)适用于高精度、小视场范围条件下的目标六维定位，因为这类成像***的光学镜头的景深通常很小、视场范围小(本实施方式中的镜头景深小于0.2mm，视场范围小于10mm)。不使用传统的立体视觉中的视场交叉获得视差的方法，而是直接使用正交投影关系来实现目标六维定位；2)多相机之间的关系的标定中可引入准直仪器等简单光学仪器，标定过程简单，标定精度高。
优选实施例中，显微物镜2中心到上CCD相机1像面的距离与上显微物镜2到1号中路监测单元光轴的距离相同，下显微物镜8中心到下CCD相机7像面的距离与下显微物镜8到2号中路监测单元的光轴距离相同，进而使结构简单、标定过程简单、参数模型简单、目标定位模型简单。
本实施方式中正交型立体视觉结构的外参数是指相机坐标系(三维坐标系)之间旋转关系Ri和平移关系Ti，使用[Ri,Ti]表示，i＝1,2,3,4，如图2中i＝1,2,3,4所示。
为了标定相机之间外参数，本实施方式设计了一个正交型立体视觉专用标定靶9，标定靶9包括靶体和标定点阵；靶体为十面体，靶体的上下两个面为相同的八边形，且在上下两个面上设置有标定点阵；靶体周围的8个面为矩形，且在8个面中的至少两个面上设置有标定点阵，且所有标定点阵的中心点的法线两两垂直，且交于一点。
本实施方式的标定靶9结构如图3和图4所示。是一个10面体(上下两个面及周围8个面)，其中周围8个面中，分别是刻划十字叉丝1和标定点阵10；标定点阵10为3×3点阵图案的面，并且刻划3×3点阵图案的面之间两两垂直，通过这些面上的中心点的法线两两垂直，并交于一点。
本实施方式中的十字叉丝11设置在设有标定点阵10的两个面之间的面上，用于在后续应用中对标定靶9进行中心定位。
本实施方式中的标定靶9还包括靶杆12，靶杆12固定在靶体周围的一个空白面上，用于标定过程中方便手持或固定标定靶9。
本实施方式的标定靶9的标定点阵的平面坐标系之间的关系为[Ri″,Ti″]，如图5所示。标定靶9制作时，各个面的标定点阵两两之间的的坐标关系[Ri″,Ti″]已知。
本实施方式中，如图6所示，相机坐标系(三维坐标系)之间旋转关系Ri和平移关系Ti的标定方法如下：
步骤1、确定专用标定靶9的各个标定点阵10的平面坐标系之间的变换关系[Ri″,Ti′]′；
步骤2、将所述专用标定靶9放在正交型立体视觉结构中，调整正交型立体视觉结构中四路监测单元的光轴方向，使其分别与靶体9的四个标定点阵10的中心点的法线重合；
步骤3、正交型立体视觉结构中四路监测单元分别进行调焦，直至获得对应面上清晰的标定点阵10的成像；
步骤4、四路监测单元进行拍摄，获得对应面上标定点阵10的图像；
步骤5、利用点阵图像，解算各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵10的平面坐标系之间的变换关系，分别为：[R1′,T1′]、[R2′,T2′]、[R3′,T3′]和[R4′,T4′]；
步骤6、根据[Ri″,Ti′]′及[R1′,T1′]、[R2′,T2′]、[R3′,T3′]和[R4′,T4′]，解算出上路监测单元的相机坐标系之间的关系：出[R1,T1]、[R2,T2]、[R3,T3]、[R4,T4]两两之间关系，实现相机之间外参数标定。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种正交型立体视觉结构，其特征在于，包括四路监测单元，分别为上路监测单元、下路监测单元、1号中路监测单元和2号中路监测单元；
上路监测单元与下路监测单元光轴同轴，1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交；
上路监测单元与下路监测单元分别与1号中路监测单元和2号中路监测单元光轴正交；
上路监测单元、下路监测单元能够分别沿着同轴光轴上下独立运动，且上路监测单元带动1号中路监测单元一起上下运动，且下路监测单元带动2号中路监测单元一起上下运动；
1号中路监测单元和2号中路监测单元能够沿各自光轴方向前后运动；
上路监测单元与下路监测单元的对焦平面位于1号中路监测单元、2号中路监测单元的光轴所在平面。
2.根据权利要求1所述的正交型立体视觉结构，其特征在于，每路监测单元包括显微物镜和CCD相机，各路监测单元中的CCD相机像面垂直于显微物镜光轴。
3.一种专用标定靶，用于标定权利要求1所述的正交型立体视觉结构的外参数，其特征在于，所述标定靶包括靶体和标定点阵；
所述靶体为十面体，所述靶体的上下两个面为相同的八边形，且在上下两个面上设置有标定点阵；
所述靶体周围的8个面为矩形，且在8个面中的至少两个面上设置有标定点阵，且所有标定点阵的中心点的法线两两垂直，且交于一点。
4.根据权利要求3所述的专用标定靶，其特征在于，所述标定靶还包括十字叉丝；
十字叉丝设置在设有标定点阵的两个面之间的面上。
5.根据权利要求3所述的专用标定靶，其特征在于，所述标定靶还包括靶杆，靶杆固定在靶体周围的一个空白面上。
6.根据权利要求3所述的专用标定靶，其特征在于，标定点阵为3×3点阵图案。
7.权利要求3所述正交型立体视觉结构的外参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、获取权利要求3所述的专用标定靶的各个标定点阵的平面坐标系之间的变换关系；
S2、将所述专用标定靶放在正交型立体视觉结构中，调整正交型立体视觉结构中四路监测单元的光轴方向，使其分别与靶体的四个标定点阵的中心点的法线重合；
S3、正交型立体视觉结构中四路监测单元分别进行调焦，直至获得对应面上清晰的标定点阵的成像；
S4、四路监测单元进行拍摄，获得对应面上标定点阵的图像；
S5、利用点阵图像，解算各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系；
S6、根据各个标定点阵的平面坐标系之间的变换关系及各监测单元中相机坐标系相对于对应标定点阵的平面坐标系之间的变换关系，解算出各监测单元的相机坐标系之间的关系，实现相机之间外参数标定。
8.根据权利要求7所述的正交型立体视觉相机外参数标定方法，其特征在于，所述变换关系包括旋转关系和平移关系。
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