本發(fā)明涉及機器視覺、圖像處理及三維測量領(lǐng)域，具體通過機器視覺技術(shù)標定相機繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度的方法。
背景技術(shù)：
：：隨著信息時代的到來，利用彩色數(shù)字相機和深度相機采集場景的顏色和三維信息在各個行業(yè)得到越來越廣泛的應用。但此類相機只能得到采集到一個方向的數(shù)據(jù)信息。為了得到大范圍或360度場景的信息，需要移動或轉(zhuǎn)動相機采集系列的二維或三維數(shù)據(jù)。特別是在室內(nèi)，常通過相機繞著旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動已知角度得到較大視場范圍的數(shù)據(jù)。通過轉(zhuǎn)換不同視角得到的數(shù)據(jù)到同一個坐標系中并加以合成，最終得到較大視場或360度場景的信息。在此過程中，精確確定相機繞一固定軸轉(zhuǎn)動的角度起著決定性作用，直接影響最后合成結(jié)果的好壞。為了簡化此過程，可把相機固定在一個自動轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺上。通過事先標定旋轉(zhuǎn)臺每次轉(zhuǎn)動的角度，可獲得相機從不同視角采集數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。因此，精確、簡易標定相機轉(zhuǎn)動的角度對后期數(shù)據(jù)拼接計算起著重要的作用。在申請人檢索的范圍內(nèi)，相機轉(zhuǎn)動的相關(guān)文獻信息如下：1.P.Chen,M.Dai,K.Chen,Z.S.Zhang在“基于約束全局優(yōu)化方法的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸標定”(Rotationaxiscalibrationofaturntableusingconstrainedglobaloptimization,Optik,2014,125:4831-4836)文章中，提出了利用相機和棋盤格標定轉(zhuǎn)軸的軸心和方向矢量的方法。該方法將棋盤格標定板固定在轉(zhuǎn)臺上，并在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)360°過程中利用相機拍照得到棋盤格角點的坐標，通過對角點坐標進行最小二乘法擬合得到圓心坐標即轉(zhuǎn)軸中心位置，然后對角點坐標進行平面擬合得到的法向量即轉(zhuǎn)軸的方向矢量。但這種方法適用于相機與旋轉(zhuǎn)軸分離的情況，即相機可直接拍攝到旋轉(zhuǎn)軸上的棋盤格標定板。同時此方法僅標定了轉(zhuǎn)軸中心和方向矢量。2.J.F.Li,M.Chen,X.B.Jin,Y.Chen等在“基于機器人的多軸三維激光掃描系統(tǒng)的標定”(Calibrationofamultipleaxes3-Dlaserscanningsystemconsistingofrobot,portablescannerandturntable,Optik,2011,122:324–329)文章中，提出了通過安裝一個標準球體與已知直徑的轉(zhuǎn)盤，完成對轉(zhuǎn)動軸的校準。通過計算標準球體在幾個不同角度和高度的中心位置，以及每個軌跡圓的中心來確定旋轉(zhuǎn)軸的方向。這種方法同樣僅適用于相機和轉(zhuǎn)軸分離的情況。同時，標定依賴于高精度設(shè)備，裝置復雜、測量時間長、適應范圍較小。3.李懷澤，沈會良，程岳在“基于旋轉(zhuǎn)多視角深度配準的三維重建方法”(計算機應用,2012,32(12):3365-3368)文章中，提出使用棋盤格標定板進行轉(zhuǎn)臺標定的方法。將棋盤格標定板固定在轉(zhuǎn)臺上，在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中利用相機拍照得到棋盤格角點的三維坐標。通過對角點坐標進行最小二乘法擬合得到圓心坐標即為轉(zhuǎn)軸中心位置；通過對角點坐標進行平面擬合得到的法向量即轉(zhuǎn)軸的方向矢量。但該方法沒有考慮到當雙目相機的有效視場較小時，棋盤格標定板的旋轉(zhuǎn)角度有限導致擬合的空間平面誤差增大的問題，并且僅標定了轉(zhuǎn)軸中心和方向矢量。同樣，該方法針對相機直接看到轉(zhuǎn)軸的情況。4.李鵬飛，張文濤，熊顯名在“基于線結(jié)構(gòu)光的三維測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸快速標定方法”(微型機與應用,2015,34(4):73-75)中，提出了一種基于圓錐體參照物的快速標定方法，完成旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的標定。該方法將一個圓錐體的參照物固定放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，控制旋轉(zhuǎn)臺每隔一定角度旋轉(zhuǎn)一次并采集每個位置的圖像。對圖像預處理后，提取圓錐體的亞像素邊緣。通過擬合圓錐體邊緣直線，計算得到兩條邊緣直線的空間直線方程，并利用Levenberg-Marquardt迭代法計算出空間中距離兩條邊緣直線最近的點作為圓錐體的頂點。然后根據(jù)得到的所有頂點擬合出所在的空間平面及空間圓的圓心。通過平面的法向量和圓心點建立起旋轉(zhuǎn)軸的直線方程，完成旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸標定。該標定方法依賴電機旋轉(zhuǎn)精度和圓錐體邊緣的精確提取，精度難以保證，并且僅得到了轉(zhuǎn)軸中心和方向矢量。該方法不能標定相機固定在轉(zhuǎn)軸上的情況。通過以上文獻可以看出：已有的轉(zhuǎn)軸標定方法都是針對相機和轉(zhuǎn)軸分離的情況。但當相機固定在轉(zhuǎn)軸上時，相機和轉(zhuǎn)軸一塊轉(zhuǎn)動。同時，相機無法從不同角度直接采集固定在轉(zhuǎn)軸上的棋盤格標定板圖像。因此，在保證標定精度的情況下，如何活性、快速、準確地標定相機和轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系，降低標定成本是一個急需解決的技術(shù)難題。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對已有技術(shù)無法標定轉(zhuǎn)軸上相機和轉(zhuǎn)軸間關(guān)系的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種簡易、精確直接標定二者之間關(guān)系方法。該標定方法通過另外一個大場景相機和一塊高精度的棋盤格標定平板，快速、準確的標定出相機和與其相連轉(zhuǎn)軸之間的夾角。該標定方法具有精度高、成本低、使用方便、推廣容易等一系列優(yōu)點。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種標定相機轉(zhuǎn)動角的方法，其特征在于執(zhí)行所述方法的標定系統(tǒng)包括大場景相機、待標定的相機、棋盤格標定板和能精密控制旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)軸，所述相機固定在轉(zhuǎn)軸上；以轉(zhuǎn)軸的軸向為水平方向，大場景相機1的成像方向和相機2的初始成像方向大致相同，所述方法包括以下步驟：步驟1標定相機和大場景相機的內(nèi)部參數(shù)棋盤格標定板事先任意擺放在相機2和大場景相機1前幾個任意位置并采集棋盤格標定板圖像，用以分別標定相機2和大場景相機1的內(nèi)部參數(shù)；步驟3初始成像相機和大場景相機均指向初始成像方向，棋盤格標定板3放置于相機2前方的初始位置2′時，相機2和大場景相機1同時對此位置的棋盤格標定板進行成像；步驟4轉(zhuǎn)動成像大場景相機1保持不動，將棋盤格標定板置于初始位置上方或下方的測試位置，并將相機2從初始成像方向向測試位置方向轉(zhuǎn)動，使棋盤格標定板的平面大致垂直大場景相機光軸與相機光軸的角平分線方向，相機2和大場景相機1分別對位于測試位置的棋盤格標定板成像；步驟5標定計算由于大場景相機1保持不動，根據(jù)步驟4中相機2拍攝的位于初始位置和測試位置的棋盤格標定板圖像和相機2的內(nèi)部參數(shù)，確定相機2的俯仰轉(zhuǎn)動角。所述的一種標定相機轉(zhuǎn)動角的方法，其特征是所述步驟5具體包括以下步驟設(shè)在測試位置處的棋盤格標定板的世界坐標系的原點坐標為P1，在初始位置處棋盤格標定板的世界坐標系的原點坐標為P2，大場景相機1的相機坐標系原點坐標為Psv,拍攝測試位置處棋盤格標定板的相機2的相機坐標系原點坐標為Px1，拍攝初始位置處棋盤格標定板的相機2的相機坐標系原點坐標為Px2。通過標定可以得到位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系與位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系分別到大場景相機1的相機坐標系和相機2的相機坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如下(1)～(4)所示，Rsc1P1+Tsc1＝Psv(1)Rsc2P2+Tsc2＝Psv(2)Rxc1P1+Txc1＝Px1(3)Rxc2P2+Txc2＝Px2(4)式(1)～(4)中，Rsc1、Tsc1分別為位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系到大場景相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，Rsc2、Tsc2分別為位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系到大場景相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；Rxc1、Txc1分別為位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系到相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，Rxc2、Txc2分別為位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系到相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；由式(1)和(2)可得測試位置處棋盤格標定板3的世界坐標系到初始位置處棋盤格標定板3的世界坐標系的坐標變換關(guān)系如式(5)所示，即Rsc2-1Rsc1P1+Rsc2-1(Tsc1-Tsc2)=P2---(5)]]>由式(3)～(5)可得相機在拍攝位于初始位置的棋盤格標定板時的相機坐標系與拍攝位于測試位置的棋盤格標定板時的相機坐標系之間的坐標變換關(guān)系如式(6)所示，即Rxc2Rsc2-1Rsc1Rx1-1Px1-Rxc2Rsc2-1Rsc1Rx1-1Txc1+Rxc2Rsc2-1(Tsc1-Tsc2)+Txc2=Px2---(6)]]>根據(jù)式(6)的旋轉(zhuǎn)矩陣可得到相機2在拍攝初始位置和測試位置的棋盤格標定板時轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度即相機的俯仰轉(zhuǎn)動角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的標定相機轉(zhuǎn)動角的方法為基于機器視覺的方法，其優(yōu)點如下：1.調(diào)節(jié)簡單，使用方便：本發(fā)明對標定系統(tǒng)沒有嚴格的制造要求及裝配要求，大大減少了標定前的調(diào)節(jié)工作量、節(jié)省了調(diào)節(jié)時間，提高了標定效率；2.結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，便于推廣：本發(fā)明僅用一個大場景相機和一個棋盤格標定板，即可標定相機隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度，因此成本節(jié)省、推廣容易。附圖說明圖1為一種標定相機轉(zhuǎn)動角的方法標定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為俯視角度標定系統(tǒng)示意圖，(b)為仰視角度標定系統(tǒng)示意圖。圖中，1、大場景相機，2、相機，3、棋盤格標定板，4、轉(zhuǎn)軸，2′、初始位置，1′、上方位置，3′、下方位置。具體實施方式下面結(jié)合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明，但本申請權(quán)利要求的保護范圍不受具體實施例的限制。用于本發(fā)明標定相機轉(zhuǎn)動角的方法的標定系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng)，參見圖1)，包括：大場景相機1、待標定的相機2、棋盤格標定板3、能精密控制旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)軸4，所述相機固定在轉(zhuǎn)軸上且能夠精密調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動角度。以轉(zhuǎn)軸的軸向為水平方向，大場景相機1的成像方向和相機2的初始成像方向大致相同。所述大場景相機1、相機2、棋盤格標定板3和步進電機均為市購產(chǎn)品。本發(fā)明提供的標定相機轉(zhuǎn)動角的方法包括如下具體步驟：步驟1：標定相機和大場景相機的內(nèi)部參數(shù)棋盤格標定板事先任意擺放在相機2和大場景相機1前幾個任意位置并采集棋盤格標定板圖像，用以分別標定相機2和大場景相機1的內(nèi)部參數(shù)。步驟3：初始成像相機和大場景相機均指向初始成像方向，棋盤格標定板3放置于相機2前方的初始位置2′時，相機2和大場景相機1同時對此位置的棋盤格標定板進行成像。步驟4：轉(zhuǎn)動成像大場景相機1保持不動，將棋盤格標定板置于初始位置上方或下方的測試位置，并將相機2從初始成像方向向測試位置方向轉(zhuǎn)動，使棋盤格標定板的平面大致垂直大場景相機光軸與相機光軸的角平分線方向，相機2和大場景相機1分別對位于測試位置的棋盤格標定板成像。步驟5：標定計算由于大場景相機1保持不動，根據(jù)步驟4中相機2拍攝的位于初始位置和測試位置的棋盤格標定板圖像和相機2的內(nèi)部參數(shù)，確定相機2的俯仰轉(zhuǎn)動角，具體包括以下步驟設(shè)在測試位置處的棋盤格標定板的世界坐標系的原點坐標為P1，在初始位置處棋盤格標定板的世界坐標系的原點坐標為P2，大場景相機1的相機坐標系原點坐標為Psv,拍攝測試位置處棋盤格標定板的相機2的相機坐標系原點坐標為Px1，拍攝初始位置處棋盤格標定板的相機2的相機坐標系原點坐標為Px2。通過標定可以得到位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系與位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系分別到大場景相機1的相機坐標系和相機2的相機坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如下(1)～(4)所示，Rsc1P1+Tsc1＝Psv(1)Rsc2P2+Tsc2＝Psv(2)Rxc1P1+Txc1＝Px1(3)Rxc2P2+Txc2＝Px2(4)式(1)～(4)中，Rsc1、Tsc1分別為位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系到大場景相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，Rsc2、Tsc2分別為位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系到大場景相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；Rxc1、Txc1分別為位于測試位置的棋盤格標定板的世界坐標系到相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，Rxc2、Txc2分別為位于初始位置的棋盤格標定板的世界坐標系到相機的相機坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；由式(1)和(2)可得測試位置處棋盤格標定板3的世界坐標系到初始位置處棋盤格標定板3的世界坐標系的坐標變換關(guān)系如式(5)所示，即Rsc2-1Rsc1P1+Rsc2-1(Tsc1-Tsc2)=P2---(5)]]>由式(3)～(5)可得相機在拍攝位于初始位置的棋盤格標定板時的相機坐標系與拍攝位于測試位置的棋盤格標定板時的相機坐標系之間的坐標變換關(guān)系如式(6)所示，即Rxc2Rsc2-1Rsc1Rx1-1Px1-Rxc2Rsc2-1Rsc1Rx1-1Txc1+Rxc2Rsc2-1(Tsc1-Tsc2)+Txc2=Px2---(6)]]>根據(jù)式(6)的旋轉(zhuǎn)矩陣可得到相機2在拍攝初始位置和測試位置的棋盤格標定板時轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度。實施例以位于初始位置上方的測試位置為上方位置1’,以位于初始位置下方的測試位置為下方位置3’，采用步進電機控制轉(zhuǎn)軸的精確轉(zhuǎn)動，當拍攝位于上方位置的棋盤格標定板時，相機的實際轉(zhuǎn)動角度A＝20°，當拍攝位于下方位置的棋盤格標定板時，相機的實際轉(zhuǎn)動角度B＝20°，分別以本發(fā)明提供的方法對拍攝位于上方位置和下方位置的標定板時相機的轉(zhuǎn)動角度進行標定，結(jié)果如表1所示表1、相機轉(zhuǎn)動角標定結(jié)果(單位，度)AB實際旋轉(zhuǎn)角度2020標定結(jié)果20.095919.9249由結(jié)果可知，步進電機控制的相機轉(zhuǎn)動角度與標定結(jié)果誤差在0.0959°左右，說明本文提出的標定相機轉(zhuǎn)動角方法精度較高。當前第1頁1 2 3 當前第1頁1 2 3