[发明专利]一种摄像机空间立体标定快速提取方法

摘要

本发明一种摄像机空间立体标定快速提取方法属于视觉测量领域，涉及一种基于直接线性变换法的摄像机空间立体标定快速提取方法。该方法在标定之前，先安装空间立体标定靶，再采用三坐标测量机进行测量，确定大、小陶瓷球靶标中心的精确三维位置信息。通过双目视觉系统中左、右摄像机对大、小陶瓷球靶标进行拍摄，提取图片中大、小陶瓷球靶标中心的特征信息，求得陶瓷球靶标中心的二位像素坐标；最后，在直接线性变换法基础上，求得左、右摄像机的内外参数，实现摄像机在三维空间的立体标定。本发明在直接线性变换法的基础上，应用双目视觉测量系统改进了现有三维立体标定方法在进行摄像机标定过程中的局限性，实现了摄像机的高精度标定。

主权项

1.一种摄像机空间立体标定快速提取方法，其特征是，该方法在标定之前，先安装空间立体标定靶，再采用三坐标测量机进行测量，确定大、小陶瓷球靶标(1、2)中心的精确三维位置信息，通过双目视觉系统中左、右摄像机(7、8)对大、小陶瓷球靶标(1、2)进行拍摄，提取图片中大、小陶瓷球靶标(1、2)中心的特征信息，求得陶瓷球靶标(1、2)中心的二位像素坐标；最后，在直接线性变换法基础上，求得左、右摄像机(7、8)的内外参数，实现摄像机在三维空间的立体标定；方法的具体步骤如下：第一步，安装空间立体标定靶空间立体标定靶由大、小陶瓷球靶标(1、2)，圆柱形短、长支撑杆(3、4)，空心底座(5)和万向轮(6)构成；空心底座(5)为阶梯状，在空心底座(5)的底面4角分别安装4个可锁定的万向轮(6)；所述的大、小陶瓷球靶标(1、2)为表面经过亚光处理的陶瓷球，经过高精度加工，具有很好的圆度信息；短、长支撑杆(3、4)两端加工有精密螺纹，分别与大、小陶瓷球靶标(1、2)和空心底座(5)连接；大陶瓷球靶标(1)分别安装在空心底座(5)第一行和第五行，小陶瓷球靶标(2)分别安装在空心底座(5)第三行、第四行和第五行；设计与大陶瓷球(1)相连的短支撑杆(3)长为l1，与小陶瓷球(2)相连的长支撑杆(4)长为l2，使得大陶瓷球靶标(1)的半径长加上短支撑杆(3)的高度与小陶瓷球靶标的半径长加上长支撑杆(4)的高度相等，保证每个大、小陶瓷球靶标(1、2)中心位置之间的高度差与台阶高度差相同；所述的空心底座(5)每块台阶横向长度皆为L1,纵向长度皆为L2，高度按等差数列分布，不同行数与列数的等差数不同，第一行到第五行的台阶高度的等差数分别为h1到h5，第一列到第四列台阶高度的等差数分别为h6到h9；第二步，测量大、小陶瓷球靶标(1、2)，拍摄空间立体标定靶利用三坐标测量机进行接触式测量，即将测头在每个大、小陶瓷球靶标(1、2)上接触至少3次进行测量，以确定大、小陶瓷球靶标(1、2)中心的三维空间位置信息以及建立空间坐标系；之后，安装左、右摄像机(7、8)，并将空间立体标定靶放在测量空间内，用左、右摄像机(7、8)拍摄空间立体标定靶，获得一张清晰的大、小陶瓷球靶标(1、2)的图片；第三步，识别并提取大、小陶瓷球靶标(1、2)图像的中心位置标定物靶标的三维空间点到图像点的透视投影过程由公式(1)表示：其中，αx＝f/dX，αy＝f/dY分别为u轴和v轴方向上的尺度因子，f为摄像机镜头焦距，dX为像素在X轴方向上的物理尺寸，dY为Y轴方向上的物理尺寸，(u0,v0)为主点在像素坐标系下的坐标，M透视投影矩阵，M1称为内部参数矩阵，只由参数αx，αy，u0，v0确定；M2称为外部参数矩阵，由摄像机相对于世界坐标系的方位决定，包含旋转矩阵R和平移矩阵T共六个自由度；由于大、小陶瓷球靶标(1、2)的拍摄图像足够大，特征信息明显，采用椭圆拟合法的方式提取大、小陶瓷球靶标(1、2)中心的位置信息；针对拍摄的二维图像，在提取大、小陶瓷球靶标(1、2)图像中心位置信息时，利用Matlab软件编写了大、小陶瓷球靶标(1、2)球心提取程序，并分别对左、右摄像机(7、8)拍摄的图片进行提取，即首先进行二值化处理，采用阈值分割法，根据大陶瓷球靶标(1)的直径设置合理阈值，优先识别大陶瓷球靶标(1)；之后采用椭圆拟合法，此方法涉及两个过程：一是椭圆边缘点的检测，另一是对边缘点进行椭圆拟合以确定椭圆的中心；椭圆图像曲线的一般表达式为：f(α,β)＝ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0  (2)其中，α＝[a b c d e f],β＝[x2 xy y2 x y 1]；引入约束||α||2＝1，建立如下目标函数：其中，M'为罚因子；于是，椭圆拟合转换成非线性最小二乘法问题，则精确的椭圆中心点像素坐标(u,v)由下式求得：通过椭圆拟合法提取大陶瓷球靶标(1)的中心位置信息后，按像素行搜索将每列对应的上下两端大陶瓷球靶标(1)的球心连接成一条直线；由于每列的大、小陶瓷球靶标(1、2)高度差不同，根据每列的高度差设置不同的阈值，按列搜索依次识别直线上小陶瓷球靶标(2)的中心位置；最后实现大、小陶瓷球靶标(1、2)球心位置信息的快速自动提取，提取到的最终结果为具有一定顺序的球心坐标组成的5×4的矩阵，即每个大、小陶瓷球靶标(1、2)所对应的椭圆图像中心点像素坐标(u,v)；第四步，求解M矩阵及其内外参数依据直接线性变换法，被拍摄物体的空间点和对应图像点的对应关系由透视投影矩阵M描述，摄像机标定的过程就是为了求解矩阵M的内外参数，即通过获得标定物靶标的三维世界坐标(Xw,Yw,Zw)与其对应图像点坐标(u,v)，以求得变换矩阵M并进行内外参数分解；将第三步中求取的椭圆图像中心点的像素坐标(u,v)与第二步获取的大、小陶瓷球靶标(1、2)的球心空间三维坐标(Xw,Yw,Zw)代入公式(1)求解对应的M矩阵；在得到M矩阵的结果后，再把内外参数矩阵分离求解，由M矩阵可以分解出摄像机内外参数矩阵M1和M2，并依次求解参数u0，v0，αx，αy，R，T；这样就求解出来摄像机标定的內参数矩阵M1以及外参数矩阵M2，完成对左、右摄像机(7、8)的快速高精度标定。