專利名稱：：一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及傳感器校準技術(shù)，具體涉及一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法。
背景技術(shù)：
：視覺傳感器由于具有大量程、非接觸、速度快、系統(tǒng)柔性好及測量精度高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，但是，單個視覺傳感器測量范圍有限，所以，當測量范圍較大時，可以將多個視覺傳感器結(jié)合起來構(gòu)成多視覺傳感器，以得到較大的測量范圍。一般情況下，構(gòu)成多視覺傳感器的各個視覺傳感器之間距離比較遠且沒有共同視場，因此，釆用多視覺傳感器進行測量時，需要進行全局校準，即確定各個視覺傳感器間的位置關(guān)系，并將它們統(tǒng)一到同一個坐標系下。目前，常用的多視覺傳感器全局校準方法主要有同名坐標統(tǒng)一法、中介坐標統(tǒng)一法和世界坐標唯一法。其中，同名坐標統(tǒng)一法，利用一組同名坐標計算出各視覺傳感器坐標系到全局坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；中介坐標統(tǒng)一法，通過多次中間坐標系轉(zhuǎn)換來完成視覺傳感器坐標系到全局坐標系的統(tǒng)一；世界坐標唯一法，直接利用全局坐標系下的特征點對處于測量狀態(tài)的系統(tǒng)各視覺傳感器進行局部標定，從而將局部標定和全局標定統(tǒng)一到一起。但是，以上所述三種方法都需要高精密外部設(shè)備，如經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、雙目視覺傳感器等來完成全局校準。并且，釆用同名坐標統(tǒng)一法或中介坐標統(tǒng)一法進行全局校準時，需要多次坐標轉(zhuǎn)換，會不可避免地造成精度損失且增加勞動強度，所以，現(xiàn)有的視覺傳感器全局校準方法存在校準成本高、勞動強度大、校準精度低等缺點。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法，能夠降低校準成本、減小勞動強度、提高校準精度。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法，該方法包括a、分別對多視覺傳感器中每個視覺傳感器的攝像機進行標定，確定基準視覺傳感器，并建立全局坐標系；b、在基準視覺傳感器與一個需校準視覺傳感器前至少擺放一維靶標兩次，并分別通過所述兩個視覺傳感器的攝像機拍攝靶標圖像，之后分別求解每個擺放位置下，所有一維靶標特征點在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系下的三維坐標；c、求解步驟b所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的線性解；d、重復(fù)執(zhí)行步驟b步驟c，直到多視覺傳感器中每個需校準的視覺傳感器都被校準。步驟c中所述求解之后進一步包括求解步驟c所述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的最優(yōu)解。步驟a所述確定基準視覺傳感器為以多視覺傳感器中任意一個視覺傳感器作為基準視覺傳感器；所述建立全局坐標系為以基準視覺傳感器的視覺傳感器坐標系作為全局坐標系。步驟b所述耙標圖像至少包含三個靶標特征點。步驟b所述求解所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標包括bl、提取靶標圖像中所有靶標特征點的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到靶標圖像中所有靶標特征點的無畸變圖像坐標；b2、利用靶標圖像上至少三個靶標特征點的無畸變圖像坐標，求出一維靶標所在直線的消影點坐標；b3、求取耙標圖像中可視一維靶標兩端點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；b4、根據(jù)剛體不變性求取所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標。一維乾標在每個擺放位置下，靶標特征點所在的各個直線不重合。步驟c所述求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的線性解為通過任意三個或三個以上靶標特征點在每個擺放位置下，分別在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系下的三維坐標求解。所述求解最優(yōu)解為釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量在最大似然準則下的最優(yōu)解。本發(fā)明提出的基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法，根據(jù)多視覺傳感器中的一個視覺傳感器的傳感器坐標系建立全局坐標系，通過一個一維靶標分別求得每個需校準視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系與所述全局坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即實現(xiàn)全局標定。由于釆用易于加工、精度較高的一維靶標，且一維靶標不需要大到覆蓋所有視覺傳感器的視場區(qū)域，所以本發(fā)明一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法能夠降低校準成本、減小勞動強度、提高校準精度。圖1為本發(fā)明基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法流程圖2為實施例中多視覺傳感器的示意圖3為"和p示意圖4為一維靶標結(jié)構(gòu)示意圖5為左視覺傳感器的攝像機拍攝的靶標圖像；圖6位右視覺傳感器的攝像機拍攝的靶標圖像。具體實施例方式本發(fā)明的基本思想是根據(jù)多視覺傳感器中的一個視覺傳感器的傳感器坐標系建立全局坐標系，通過一個一維靶標分別求得每個需校準視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系與所述全局坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即實現(xiàn)全局標定。下面結(jié)合具體實施例及由四個視覺傳感器組成的多視覺傳感器為例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1為本發(fā)明基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法流程圖，如圖1所示，本發(fā)明基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法主要包括以下步驟步驟11:分別對多視覺傳感器中每個視覺傳感器的攝像機進行標定。多視覺傳感器可以由任意多個視覺傳感器組成，圖2為實施例中多視覺傳感器的示意圖，如圖2所示，本實施例中，多視覺傳感器由視覺傳感器1視覺傳感器4組成。根據(jù)各個視覺傳感器的擺放位置建立視覺傳感器1視覺傳感器4的視覺傳感器坐標系分別為OA化&、Q2^2j;￡2^2、0。3xrf_y￡A3、0￡4x￡4_y￡4^4。這里，對視覺傳感器的攝像機進行標定即求解攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，具體求解方法在張正友的文章"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation,NSR-TR陽98國71,1998"中有詳細描述。步驟12:以多視覺傳感器中任意一個視覺傳感器作為基準視覺傳感器，并建立全局坐標系。這里，可以確定視覺傳感器1為基準視覺傳感器，則視覺傳感器坐標系0￡1&為全局坐標系。步驟13:在基準視覺傳感器和任意一個需校準視覺傳感器前合適位置處放置一維靶標，并分別通過所述兩個視覺傳感器的攝像機拍攝靶標圖像。這里，可以選擇在視覺傳感器1和視覺傳感器2前合適位置處放置一維靶標并分別拍攝靶標圖像，兩個視覺傳感器的攝像機所拍攝靶標圖像上的特征點可以對應(yīng)一維靶標上不同的特征點，但是，兩個視覺傳感器的攝像機拍攝的靶標圖像都需要包含至少三個特征點。步驟14:根據(jù)步驟13所述的靶標圖像分別求解所有一維靶標特征點在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)視覺傳感器坐標系下的坐標。以視覺傳感器1拍攝的靶標圖像為例，求解所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系Q下的坐標，具體包括以下步驟步驟141:提取靶標圖像中所有靶標特征點的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到靶標圖像中所有靶標特征點的無畸變圖像坐標。具體校正方法在張廣軍編著的"張廣軍.機器視覺科學出版社"中有詳細描述。以下所述靶標特征點的圖像坐標均為經(jīng)過畸變校正后的無畸變圖像坐標。步驟142:利用靶標圖像上至少三個靶標特征點的圖像坐標，求出一維靶標所在直線的消影點坐標v=["v,vv,lf。具體求取方法可釆用R.Harley所著的"R.Harley，A.Zisserman，AMultipleViewGeometryinComputerVision.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2000，，中所提供的方法。步驟143:求取靶標圖像中可視一維靶標兩端點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標。這里，設(shè)p。,h,lf為靶標圖像中第一個可視靶標特征點《在圖像平面坐標系下的圖像齊次坐標，p。^h,v2,lf為靶標圖像中最后一個可視靶標特征點g在圖像平面坐標系下的圖像齊次坐標，丄為可視一維靶標的總長度，則根據(jù)步驟142所述消影點的坐標"[nlf、和p^["^,lf、P。2=["2,v2,lf、以及可視一維耙標的總長度z,通過求解方程組(1)便能得到《、g點在視覺傳感器坐標系下的坐標Pd=[vx,Zlf、P。2=[x2,a,z2f:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>在方程組(1)中，A為攝像機內(nèi)部參數(shù)，已于步驟ll獲取，a、^均為不等于零的常數(shù)。步驟144:求取所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標。根據(jù)一維靶標的剛體不變性，所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下坐標一般都可以通過方程組(2)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，p「[^，^，&:r為一維靶標第;t個靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；Pt,[、,乃，z/為一維靶標第y個靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；^為第A個靶標特征點到第7個靶標特征點的距離，這里，由于一維耙標各個特征點之間的距離為已知量，所以，可以求出任意兩個靶標特征點之間的距離，《為一維靶標在視覺傳感器坐標系化A^^的o^d平面上的投景與&軸的夾角，-為一維靶標所在直線與0￡1平面的夾角。"和p的具體含義如圖3所示，",為一維靶標f在視覺傳感器坐標系C^^d的0^化平面上的投影與&軸的夾角，/,為一維靶標f所在直線與C^jd平面的夾角。如果耙標圖像中第一個可視靶標特征點《和最后一個可視靶標特征點g在視覺傳感器坐標系下坐標為p。^[^^,z/，p￡2=[x2,y2,z2:r，則有方程組(3)成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，￡fef=^t((X2-X》2+0/2-M)2)，通過求解方程組(3)便可求得"和〃的在方程組(2)中，"、p可以通過方程組(3)求得，^也可以根據(jù)靶標特征點間的距離求得，再以步驟143求得的P,[x^，W和^=[&;;2,^中任一個靶標特征點代替&=[，;;;,2/,便可以求出所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標。同理，可求得所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系"AA^,下的三維坐標。步驟15:在步驟13所述兩個視覺傳感器前合適位置處，重新擺放一維靶標至少一次，并拍攝靶標圖像，根據(jù)步驟14所述的方法分別求解每個擺放位置下，一維靶標所有靶標特征點在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)視覺傳感器坐標系下的三維坐標。這里，重新擺放一維靶標時，一維靶標特征點所在的直線不能與之前擺放位置下，一維靶標特征點所在的直線重合。步驟16:根據(jù)步驟14~步驟15獲取的所有靶標特征點的三維坐標，求解所述兩視覺傳感器坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的線性解。如果巧為一維乾標上第y個靶標特征點，Xj為S.在視覺傳感器2對應(yīng)視覺傳感器坐標系C^^&:下的齊次坐標，S為《在視覺傳感器1對應(yīng)視覺傳感器坐標系"&&&下的齊次坐標，則有如下變換關(guān)系成立Xj=R2Xj+T2(4)其中，112,1;為視覺傳感器2對應(yīng)視覺傳感器坐標系到視覺傳感器1對應(yīng)視覺傳感器坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移向量。根據(jù)步驟14~步驟15所獲取的靶標特征點坐標，任意選取三個或三個以上靶標特征點在視覺傳感器坐標系和化2&2義2^2下的三維坐標，便可以通過公式(4)求解出^，T,。這里，選取的靶標特征點越多，計算得到112,12的精度越高。步驟17:求解步驟13所述兩視覺傳感器對應(yīng)視覺傳感器坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的最優(yōu)解。設(shè)巧為視覺傳感器1可視的第y個一維靶標特征點，A,[、.,;vlf為巧在視覺傳感器1圖像坐標下的齊次坐標，《=[、,,1]"為巧在視覺傳感器1圖像坐標系下的重投影齊次坐標，設(shè)廳為攝像機2可視的第7個一維靶標特征點，A=[,>vif為"在視覺傳感器2圖像坐標系下的齊次坐標，《=[^,人,1]"為"在視覺傳感器2圖像坐標系下的重投影齊次坐標，則有如下方程組成立其中，A,為視覺傳感器2中攝像機的內(nèi)參矩陣，p為一個非零常數(shù)。假設(shè)圖像噪聲為高斯分布，為了得到112,12最大似然準則下的最優(yōu)解，可以建立如下目標函數(shù)F(a)=min(￡堂—Pllj)]2+g￡[d(p2lJ—p2lJ)]2)(6)其中^[i2,:T2,Xu，:^，&,^,A，…u^，^，"m，/y;K，凡,^]為一維靶標第/個擺放位置處，一維靶標中第一個特征點在全局坐標系下的坐標；a,，A分別為一維靶標第/個擺放位置處如圖3所示的"，/;y;，/2分別為視覺傳感器1和視覺傳感器2所拍攝靶標圖像中，第一個可視靶標特征點在整個一維靶標中的序號；a，^分別為視覺傳感器1和視覺傳感器2所拍攝靶標圖像中，最后一個可視靶標特征點在整個一維靶標中的序號；^為一維靶標擺放位置的次數(shù)。一維靶標擺放次數(shù)越多，全局標定的精度越高。以步驟16求得的^，丁2值為初值，對目標函數(shù)(6)進行非線性優(yōu)化即可得到"在最大似然準則下的最優(yōu)解。這里，可以釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法。步驟18:重復(fù)執(zhí)行步驟13步驟17，直到多視覺傳感器中的每個視覺傳感器都被校準。這里，再分別求得視覺傳感器3與視覺傳感器1之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向iR3,T3、視覺傳感器4與視覺傳感器1之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量R^即可。最后，以由左視覺傳感器和右視覺傳感器組成的多視覺傳感器為例，說明按照本發(fā)明的方法進行全局標定的具體過程。如果兩個視覺傳感器分別釆用分辨率為1392x1024、選用35mm焦距kawa鏡頭的大恒1410FM數(shù)碼相機。視覺傳感器視場為200mmx180mm,測量距離為860mm。選用的一維耙標結(jié)構(gòu)如圖4所示，一維乾標有42個乾標特征點，相鄰乾標特征點的間距為8.8mm。首先，根據(jù)步驟ll所述的方法得到標定結(jié)果如表l所示:左攝像機內(nèi)部參數(shù)右攝像機內(nèi)部參數(shù)A=5764.96=5763.79w0=668.76v0=531.34&=0.169637^=—4.126551&=5802.96a,=5802.20w0=682.11v0=479.86^=0.2641;/=-0.5835表1根據(jù)步驟12~步驟13所述的方法，分別用左視覺傳感器的攝像機和右視覺傳感器的攝像機拍攝的兩幅靶標圖像分別如圖5和圖6所示。根據(jù)步驟14~步驟16所述的方法，將一維靶標在兩攝像機前擺放30個位置，計算每個位置下所有靶標特征點在兩個攝像機坐標系下的三維坐標，再通過對應(yīng)點的三維坐標計算出兩攝像機坐標系的變換關(guān)系為<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>為了驗證統(tǒng)一校準結(jié)果，使一維靶標上的1920點在兩攝像機上均成像。根據(jù)統(tǒng)一校準結(jié)果，三維重建1920點，計算兩點的絕對距離，與實際長度進行比較。進行任意三個位置的測量，具體測量數(shù)據(jù)如表2所示<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2由表2可以看出，本發(fā)明提出的全局校準方法測量均方根誤差為0.0487mm，測量精度較高。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1、一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法，其特征在于，該方法包括a、分別對多視覺傳感器中每個視覺傳感器的攝像機進行標定，確定基準視覺傳感器，并建立全局坐標系；b、在基準視覺傳感器與一個需校準視覺傳感器前至少擺放一維靶標兩次，并分別通過所述兩個視覺傳感器的攝像機拍攝靶標圖像，之后分別求解每個擺放位置下，所有一維靶標特征點在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系下的三維坐標；c、求解步驟b所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的線性解；d、重復(fù)執(zhí)行步驟b～步驟c，直到多視覺傳感器中每個需校準的視覺傳感器都被校準。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟c中所述求解之后進一步包括求解步驟c所述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的最優(yōu)解。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟a所述確定基準視覺傳感器為以多視覺傳感器中任意一個視覺傳感器作為基準視覺傳感器；所述建立全局坐標系為以基準視覺傳感器的視覺傳感器坐標系作為全局坐標系。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟b所述靶標圖像至少包含三個靶標特征點。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟b所述求解所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標包括bl、提取靶標圖像中所有靶標特征點的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到靶標圖像中所有靶標特征點的無畸變圖像坐標；b2、利用靶標圖像上至少三個靶標特征點的無畸變圖像坐標，求出一維靶標所在直線的消影點坐標；b3、求取靶標圖像中可視一維靶標兩端點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標；b4、根據(jù)剛體不變性求取所有一維靶標特征點在視覺傳感器坐標系下的三維坐標。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一維靶標在每個擺放位置下,靶標特征點所在的各個直線不重合。7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟c所述求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量的線性解為通過任意三個或三個以上靶標特征點在每個擺放位置下,分別在所述兩個視覺傳感器對應(yīng)的視覺傳感器坐標系下的三維坐標求解。8、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述求解最優(yōu)解為釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量在最大似然準則下的最優(yōu)解。全文摘要本發(fā)明公開一種基于一維靶標的多視覺傳感器全局校準方法，包括分別對多視覺傳感器中每個視覺傳感器的攝像機進行標定，以其中一個視覺傳感器坐標系為基礎(chǔ)，建立全局坐標系，將該視覺傳感器稱為基準視覺傳感器；將一維靶標在基準視覺傳感器與需校準視覺傳感器前合適位置擺放多次，根據(jù)一維靶標的剛體不變性，求解每個擺放位置處所有一維靶標特征點在各視覺傳感器坐標系下的三維坐標；根據(jù)對應(yīng)一維靶標特征點在不同視覺傳感器坐標系下三維坐標，計算出各視覺傳感器坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。由于一維靶標易于加工、精度較高，且不受自身遮擋，所以大大簡化了多視覺傳感器全局校準過程、減小了勞動強度、提高了多視覺傳感器全局校準精度。文檔編號G03B43/00GK101285676SQ20081011460公開日2008年10月15日申請日期2008年6月10日優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日發(fā)明者震劉,孫軍華,張廣軍,魏振忠申請人:北京航空航天大學