本發(fā)明涉及基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)及標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

在立體視覺理論體系中，像機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解(攝像機(jī)標(biāo)定)和左右圖像立體匹配是兩大核心問題，從某種意義上講，像機(jī)標(biāo)定技術(shù)和立體匹配算法的發(fā)展決定了立體視覺方法的發(fā)展。像機(jī)畸變系數(shù)的求解會(huì)影響無論單像機(jī)還是雙像機(jī)在應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量方面的結(jié)果。

經(jīng)典的兩步法標(biāo)定技術(shù)采用三維標(biāo)定塊進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，該方法精度高但標(biāo)定塊制作復(fù)雜，考慮的畸變模型簡(jiǎn)單粗略，使用較少。目前，常用的標(biāo)定工具為平面標(biāo)定板與標(biāo)定尺。其中，經(jīng)典的張正友棋盤格標(biāo)定算法通過提取Harris角點(diǎn)尋找世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系，算法的復(fù)雜度降低，并且標(biāo)定板制作容易，得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)，南京航空航天大學(xué)等在標(biāo)定算法方面做了大量研究，將帶有編碼的實(shí)心圓圓心作為靶點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，使用的靶標(biāo)為標(biāo)定板、高精度標(biāo)定十字架、漸變標(biāo)定板等。此外，也有學(xué)者使用高精度標(biāo)尺作為標(biāo)定工具。然而，這些靶標(biāo)的圓心需要通過查找編碼表進(jìn)行排序，不易編程實(shí)現(xiàn)；而高精度標(biāo)尺和標(biāo)定十字架雖方便用于大視場(chǎng)標(biāo)定，但造價(jià)較高，不適用于普通測(cè)量試驗(yàn)。此外，傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)方法有Roberts算子、Laplace算子、Prewitt算子和Canny算子等，這些方法只能定位到像素級(jí)，不能滿足精確定位要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有各種標(biāo)定方法的優(yōu)化變量數(shù)目過多，計(jì)算繁復(fù)的問題，而提出一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)及方法。

一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)包括：

用于輸入待標(biāo)定圖片張數(shù)以及標(biāo)定板上相鄰實(shí)心圓的圓心距參數(shù)的參數(shù)輸入模塊；

用于對(duì)參數(shù)輸入模塊中的待標(biāo)定圖片進(jìn)行預(yù)處理的圖像預(yù)處理模塊；

用于對(duì)圖像預(yù)處理模塊處理后的圖片進(jìn)行左圖像標(biāo)定、右圖像標(biāo)定和立體標(biāo)定的系統(tǒng)標(biāo)定模塊；

用于對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定模塊標(biāo)定后的圖片進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果輸出的參數(shù)輸出模塊。

一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法，具體過程為：

步驟一：對(duì)左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，得到圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)；

步驟二：根據(jù)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)進(jìn)行圓心排序；

步驟三：對(duì)步驟二排序后的圖像進(jìn)行立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定，得到左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解；

步驟四、根據(jù)左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解求解平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)包括兩臺(tái)CCD相機(jī)、實(shí)心圓標(biāo)定板、射燈、光學(xué)鏡頭、相機(jī)支架、射燈支架、多通道圖像采集卡和計(jì)算機(jī)；

所述實(shí)心圓標(biāo)定板為白色底面上均勻分布49個(gè)黑色圓形斑點(diǎn)；

光學(xué)鏡頭與CCD相機(jī)相連，CCD相機(jī)安裝在相機(jī)支架上；射燈安裝在射燈支架上；

其中，安裝的CCD相機(jī)型號(hào)性能相同，且CCD相機(jī)都具有較高圖像分辨率；光學(xué)鏡頭尺寸與CCD相機(jī)尺寸匹配，接口類型匹配；光學(xué)鏡頭像素為百萬像素級(jí)光學(xué)鏡頭；相機(jī)支架用于固定相機(jī)；

所述較高圖像分辨率為百萬像素以上；

每臺(tái)CCD相機(jī)通過導(dǎo)線連接到多通道圖像采集卡上，多通道圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)上，將計(jì)算機(jī)接通電源；將射燈接通電源，射燈作為補(bǔ)償光源；

所述多通道圖像采集卡采用模擬采集卡或數(shù)字采集卡，接口類型為IEEE1394、千兆網(wǎng)卡或USB接口。

本發(fā)明的有益效果為：

首先利用Canny-Zernike組合算法對(duì)靶標(biāo)圓心進(jìn)行識(shí)別并提出基于三角形標(biāo)記的圓心排序方法。接著基于線性針孔模型獲得立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)，然后分別對(duì)左右攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化變量數(shù)目減半，獲得外參數(shù)近似解。最后以實(shí)心圓靶標(biāo)對(duì)角線上兩實(shí)心圓的距離作為約束條件，對(duì)攝像機(jī)外參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得外參數(shù)最優(yōu)解。本標(biāo)定方法具有較高的精度，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)定，具有工程應(yīng)用性。

附圖說明

圖1為基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定軟件界面示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖2為立體視覺三維測(cè)量模型示意圖；

圖3為圓形標(biāo)識(shí)識(shí)別算法流程圖；

圖4a為實(shí)心圓標(biāo)定板示意圖；

圖4b為實(shí)心圓標(biāo)定板的二值化圖像示意圖；

圖4c為識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的3點(diǎn)示意圖；

圖4d為識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的4點(diǎn)示意圖；

圖4e為重排實(shí)心圓標(biāo)定板上的角點(diǎn)示意圖；

圖4f為識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖，為圖1、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12中A的放大圖；

圖5為實(shí)施例提出的基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定軟件的初始界面示意圖；

圖6為實(shí)施例提出的圖片預(yù)處理界面示意圖；

圖7為實(shí)施例提出的左相機(jī)標(biāo)定界面示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖8為實(shí)施例提出的左相機(jī)標(biāo)定結(jié)果示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖9為實(shí)施例提出的右相機(jī)標(biāo)定界面示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖10為實(shí)施例提出的右相機(jī)標(biāo)定結(jié)果示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖11為實(shí)施例提出的立體標(biāo)定界面示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖；

圖12為實(shí)施例提出的立體標(biāo)定結(jié)果示意圖，A為圖4f表示的識(shí)別實(shí)心圓標(biāo)定板上的所有點(diǎn)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)包括：

用于輸入待標(biāo)定圖片張數(shù)以及標(biāo)定板上相鄰實(shí)心圓的圓心距參數(shù)的輸入模塊(Parameter input)；

用于對(duì)參數(shù)輸入模塊中的待標(biāo)定圖片進(jìn)行預(yù)處理的圖像預(yù)處理模塊(Pretreatment)；

用于對(duì)圖像預(yù)處理模塊處理后的圖片進(jìn)行左圖像標(biāo)定、右圖像標(biāo)定和立體標(biāo)定的系統(tǒng)標(biāo)定模塊(Calibration)；

用于對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定模塊標(biāo)定后的圖片進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果輸出的參數(shù)輸出模塊(Calib result)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述圖像預(yù)處理模塊(Pretreatment)包括：

用于考慮光照的影響，對(duì)不符合要求的圖片進(jìn)行剔除的的Light子模塊.

用于對(duì)標(biāo)定圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理的預(yù)處理First_elim子模塊。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述系統(tǒng)標(biāo)定模塊Calibration包括：

用于顯示待標(biāo)定的標(biāo)定板圖片的標(biāo)定顯示Calib window子模塊；

用于對(duì)左相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的左相機(jī)標(biāo)定Left_calib子模塊；

用于對(duì)右相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的右相機(jī)標(biāo)定Right_calib子模塊；

用于進(jìn)行立體標(biāo)定的立體標(biāo)定Stereo_calib子模塊；

用于標(biāo)定完成后退出界面并保存標(biāo)定結(jié)果的輸出Exit子模塊。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述參數(shù)輸出模塊Calib result包括：

用于顯示左相機(jī)標(biāo)定結(jié)果的左參數(shù)Left_parameter子模塊；

用于顯示右相機(jī)標(biāo)定結(jié)果的右參數(shù)Right_parameter子模塊；

用于顯示立體標(biāo)定結(jié)果的立體參數(shù)Stereo_parameter子模塊。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1、2、3、4a、4b、4c、4d、4e、4f說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法，具體過程為：

根據(jù)針孔透視模型，空間點(diǎn)P在攝像機(jī)成像平面上的投影表示為

其中[u,v,1]^T為點(diǎn)P在圖像坐標(biāo)系下投影點(diǎn)的無畸變圖像的齊次坐標(biāo)，[x_w,y_w,z_w]^T是點(diǎn)P在世界坐標(biāo)下的坐標(biāo)；[x_c,y_c,z_c]^T是點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)下的坐標(biāo)；R和T分別為世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，A為攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣；

由于攝像機(jī)鏡頭存有畸變，實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)之間有一定偏差?？紤]徑向畸變及切向畸變，本發(fā)明選擇4參數(shù)畸變模型，畸變模型表示為

其中(X_u,Y_u)為無畸變情況下的像點(diǎn)歸一化坐標(biāo)，(X_d,Y_d)為有畸變情況下的像點(diǎn)歸一化坐標(biāo)；k₁,k₂為徑向畸變，p₁,p₂為切向畸變；式(1)中的攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣A及k₁,k₂,p₁,p₂統(tǒng)稱為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；

一般情況下，立體視覺測(cè)量系統(tǒng)對(duì)兩攝像機(jī)的位置不做任何要求。如圖2所示，P為空間中某一測(cè)點(diǎn)；設(shè)左攝像機(jī)坐標(biāo)系位于世界坐標(biāo)系o-x_wy_wz_w的原點(diǎn)處且無旋轉(zhuǎn)，圖像坐標(biāo)系為O_l-X_lY_l；右攝像機(jī)坐標(biāo)系為o_r-y_rx_rz_r，圖像坐標(biāo)系為O_r-X_rY_r；假定圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配關(guān)系已知，則根據(jù)兩攝像機(jī)幾何約束求得空間點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，如式(3)所示；

式中f_l,f_r分別為左右像機(jī)有效焦距；r₁,...,r₉，t_x,t_y,t_z為兩攝像機(jī)相互位置關(guān)系的外參數(shù)；

一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所述基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)包括兩臺(tái)CCD相機(jī)、實(shí)心圓標(biāo)定板、射燈、鏡頭、相機(jī)支架、射燈支架、多通道圖像采集卡和計(jì)算機(jī)。

步驟一：對(duì)左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，得到圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)；

步驟二：根據(jù)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)進(jìn)行圓心排序；

步驟三：對(duì)步驟二排序后的圖像進(jìn)行立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定，得到左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解；

步驟四、根據(jù)左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解求解平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五不同的是：所述步驟一中對(duì)左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理，得到圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)；具體過程為：

選用實(shí)心圓標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定的過程中，因不能保證標(biāo)定板與兩像機(jī)光軸絕對(duì)垂直，故圖像識(shí)別過程中看到的圓為橢圓。本發(fā)明通過提取實(shí)心圓標(biāo)定板上圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)的圓心坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)圓形標(biāo)識(shí)的定位，涉及圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)的邊緣檢測(cè)、特征識(shí)別及中心擬合算法等，具體工作流程如圖3所示。

步驟一一、對(duì)左右相機(jī)采集的圖像進(jìn)行濾波去噪及二值化處理，得到實(shí)心圓標(biāo)定板上各個(gè)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)目標(biāo)參數(shù)，圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)目標(biāo)參數(shù)包括形狀參數(shù)、偏心率、球狀度、圓形度及邊緣長(zhǎng)度等，以便進(jìn)行實(shí)心圓靶標(biāo)的邊緣檢測(cè)；

步驟一二、根據(jù)實(shí)心圓標(biāo)定板上各個(gè)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)目標(biāo)參數(shù)，利用Canny算法進(jìn)行初步的邊緣點(diǎn)粗定位，得到單一的邊緣，為下一步精確定位提供了方便；使用Zernike矩算法對(duì)單一的邊緣進(jìn)行亞像素定位，以提高定位精度，兩者的結(jié)合充分發(fā)揮了二者優(yōu)點(diǎn)，可快速精確地得到實(shí)心圓標(biāo)定板上圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)的邊緣；為了滿足測(cè)量系統(tǒng)高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)要求，本發(fā)明提出一種Canny-Zernike組合算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

步驟一三、由于透視投影變換所固有的特性，根據(jù)步驟一二得到的實(shí)心圓標(biāo)定板上各個(gè)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)的邊緣在相機(jī)成像平面上呈現(xiàn)的往往是一個(gè)橢圓，利用最小二乘法擬合橢圓方程，設(shè)定各個(gè)邊緣點(diǎn)到擬合橢圓距離的閥值，通過迭代提高擬合橢圓中心的精度，每次剔除5％的邊緣點(diǎn)，直到距離標(biāo)準(zhǔn)差小于閥值位置，這樣可以有效控制橢圓的擬合精度。通過對(duì)試驗(yàn)中圓形標(biāo)識(shí)中心坐標(biāo)的定位發(fā)現(xiàn)，采用以上算法可以實(shí)現(xiàn)0.02pixel的精度，實(shí)現(xiàn)亞像素定位，得到實(shí)心圓標(biāo)定板上各個(gè)(49個(gè))圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五或六不同的是：所述步驟二中根據(jù)圓形標(biāo)識(shí)點(diǎn)中心的圖像坐標(biāo)進(jìn)行圓心排序；具體過程為：

步驟二一、識(shí)別距離最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)坐標(biāo)：

經(jīng)過橢圓圓心識(shí)別，得到的實(shí)心圓靶標(biāo)的圓心坐標(biāo)是隨機(jī)排序的；而要實(shí)現(xiàn)各圓心世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)，需要對(duì)這些圓心坐標(biāo)進(jìn)行重排序。為此，本發(fā)明提出基于三角形標(biāo)記的圓心排序方法。如圖4a所示，實(shí)心圓標(biāo)定板的一角為等邊直角三角形，根據(jù)該三角形可確定1號(hào)實(shí)心圓的位置，由此實(shí)現(xiàn)標(biāo)定板上所有實(shí)心圓的排序。該標(biāo)定板含有49個(gè)實(shí)心圓，所以靶點(diǎn)即為實(shí)心圓圓心。實(shí)心圓標(biāo)定板上的圓心坐標(biāo)排序可通過如下過程實(shí)現(xiàn)：

對(duì)實(shí)心圓標(biāo)定板上49個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的任意兩點(diǎn)求距離，距離最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)位于對(duì)角線上，令其編號(hào)為1、2；這是由于標(biāo)定板上靶點(diǎn)幾乎在同一平面上。

步驟二二、通過搜索剩余坐標(biāo)點(diǎn)圓心坐標(biāo)使得與點(diǎn)1、2所形成的角度達(dá)到最小，利用余弦絕對(duì)值最小的方式得到第3個(gè)點(diǎn)；如圖4c所示。

步驟二三、由搜索到的1、2、3三個(gè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，1及3形成一條直線，而剩余的46個(gè)點(diǎn)同樣與2點(diǎn)形成直線，存在一個(gè)點(diǎn)與2點(diǎn)形成的直線平行1、3點(diǎn)形成的直線，且與2點(diǎn)的距離最遠(yuǎn)，這時(shí)找到的點(diǎn)編號(hào)為4；見圖4d。

步驟二四、從圖4a看出，該實(shí)心圓標(biāo)定板左上角有一個(gè)等邊直角三角形，將最靠近該等邊直角三角形部位的圓心作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，需要對(duì)步驟二一、步驟二二、步驟二三識(shí)別到的四個(gè)角點(diǎn)重新排序；

排序方法是讓編號(hào)為1、2、3、4的4個(gè)點(diǎn)向外搜索，首先進(jìn)入到黑色區(qū)域的點(diǎn)重新編號(hào)為1點(diǎn)，編號(hào)為1的點(diǎn)位于實(shí)心圓標(biāo)定板的左上角，即最靠近等邊三角形的圓心；

對(duì)另外三個(gè)點(diǎn)與點(diǎn)1求距離，將距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)定義為點(diǎn)4，剩余兩個(gè)點(diǎn)與點(diǎn)1形成兩條相交的直線，交點(diǎn)為點(diǎn)1；對(duì)這兩直線做叉積運(yùn)算，若叉積大于零，為正方向，從而得到點(diǎn)2、3的位置；見圖4e；若叉積小于零時(shí)，點(diǎn)2，3位置互換；

步驟二五、對(duì)49個(gè)圓心進(jìn)行排序，首先對(duì)所有點(diǎn)與1、2點(diǎn)形成的直線求距離，可以定出7列，在對(duì)這些點(diǎn)與1、3形成的直線求距離，對(duì)每一列進(jìn)行再次排序，通過這兩個(gè)步驟，最終完成了49個(gè)點(diǎn)的排序；如圖4f所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五或六相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至七之一不同的是：所述步驟三中對(duì)步驟二排序后的圖像進(jìn)行立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定，得到左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解；具體過程為：

本發(fā)明對(duì)經(jīng)典兩步標(biāo)定算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法，具體標(biāo)定過程如下：

步驟三一、與傳統(tǒng)兩步法的第一步相同，皆是以不考慮像機(jī)畸變的線性針孔模型為計(jì)算模型，分別對(duì)左右標(biāo)定板的靶點(diǎn)進(jìn)行像點(diǎn)重建，通過極大似然估計(jì)方法求解映射矩陣，結(jié)合旋轉(zhuǎn)矩陣的正交特性求解左右像機(jī)線性參數(shù)；

步驟三二、以左右像機(jī)線性參數(shù)為初值，考慮攝像機(jī)的畸變，減半優(yōu)化變量數(shù)目，分別對(duì)左右像機(jī)進(jìn)行Levenberg-Marquardt(LM)優(yōu)化，求解左右攝像機(jī)外參數(shù)近似解；具體過程為：

基于畸變模型的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解，對(duì)左右攝像機(jī)進(jìn)行Levenberg-Marquardt(LM)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)見式(4)

式中，上標(biāo)j表示第j個(gè)實(shí)心圓，上標(biāo)i表示第i幅標(biāo)定圖片；A_L為線性針孔模型下的左像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，為左相機(jī)的徑向畸變，為左相機(jī)的切向畸變，A_R為線性針孔模型下的右像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，為右相機(jī)的徑向畸變，為右相機(jī)的切向畸變，為左相機(jī)第i幅圖片上第j個(gè)實(shí)心圓經(jīng)式(1)與(2)計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)，為右相機(jī)第i幅圖片上第j個(gè)實(shí)心圓經(jīng)式(1)與(2)計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)，為真實(shí)圖像坐標(biāo)，i、j取值為正整數(shù)，R_r2l為表征左右像機(jī)相對(duì)位置的旋轉(zhuǎn)矩陣，T_r2l為表征左右像機(jī)相對(duì)位置的平移向量，為左靶標(biāo)平面和左像機(jī)坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣，為左靶標(biāo)平面和左像機(jī)坐標(biāo)系間的平移向量，n、取值范圍為正整數(shù)，n為左或右標(biāo)定圖片幅數(shù)，為左圖片實(shí)心圓個(gè)數(shù)，為右圖片實(shí)心圓個(gè)數(shù)；

由式(4)可知，該目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化變量共14個(gè)，即A_L、A_R、R_r2l、T_r2l為優(yōu)化變量數(shù)目，式(4)中優(yōu)化參數(shù)過多，在初值選擇不合適的情況下可能導(dǎo)致結(jié)果不收斂。為避免結(jié)果不收斂，本發(fā)明減少優(yōu)化變量數(shù)目，利用式(5)的目標(biāo)函數(shù)分別對(duì)左右攝像機(jī)進(jìn)行Levenberg-Marquardt(LM)優(yōu)化；相比(4)式，(5)式優(yōu)化變量數(shù)目從14個(gè)降為7個(gè)；

式中，m為標(biāo)定板上實(shí)心圓的個(gè)數(shù)，n為標(biāo)定圖片張數(shù)；為第i幅圖片上第j個(gè)實(shí)心圓經(jīng)式(1)與(2)計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)，X^ij為第i幅圖片上第j個(gè)實(shí)心圓的真實(shí)圖像坐標(biāo)，A為線性針孔模型下的單像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，k₁、k₂為徑向畸變，p₁、p₂為切向畸變，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移向量；R、T為外參數(shù)；

A、k₁、k₂、p₁、p₂、R、T為優(yōu)化變量數(shù)目；

將式(5)計(jì)算結(jié)果帶入式(6)

R_r2l＝R_r(R_l)^-1,T_r2l＝T_r-R_r(R_l)^-1T_l (6)

得到不同姿態(tài)下左右攝像機(jī)外參數(shù)R_r2l,T_r2l；

理論上所有姿態(tài)下R_r2l,T_r2l應(yīng)該相等。但由于噪聲的存在，且沒有經(jīng)過傳統(tǒng)二步法的全局優(yōu)化處理，會(huì)導(dǎo)致不同標(biāo)定姿態(tài)下兩像機(jī)外部參數(shù)的差異。因此對(duì)所有姿態(tài)得到的左右攝像機(jī)外參數(shù)R_r2l,T_r2l取平均，得到左右攝像機(jī)外參數(shù)R_r2l,T_r2l的近似值；

步驟三三、以步驟三二得到的不同標(biāo)定姿態(tài)下左右攝像機(jī)外參數(shù)近似解的均值為初值，以實(shí)心圓標(biāo)定板的對(duì)角線長(zhǎng)度為約束條件對(duì)左右攝像機(jī)進(jìn)行LM全局優(yōu)化，獲得左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解；具體過程為：

根據(jù)步驟三三以實(shí)心圓標(biāo)定板的對(duì)角線長(zhǎng)度為約束條件對(duì)左右攝像機(jī)進(jìn)行LM全局優(yōu)化，通過該長(zhǎng)度縮放修正步驟三二得到的左右攝像機(jī)外參數(shù)R_r2l,T_r2l的近似值，步驟三優(yōu)化變量?jī)H包含外參數(shù)R_r2l,T_r2l，算法復(fù)雜度大幅降低，且獲得R_r2l,T_r2l的優(yōu)化解。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五至八之一不同的是：所述步驟四中根據(jù)左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解求解平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣；具體過程為：

根據(jù)步驟三三中左右攝像機(jī)外參數(shù)的優(yōu)化解求解平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣；具體過程為：

設(shè)經(jīng)過畸變校正獲得的左右圖像理想圖像坐標(biāo)為(X_l,Y_l)，(X_r,Y_r)，則根據(jù)式(3)的第三個(gè)公式有

(f_rt_x-X_rt_z)(r₄X_l+r₅Y_l+f_lr₆)-(f_rt_y-Y_rt_z)(r₁X_l+r₂Y_l+f_lr₃)＝(Y_rt_x-X_rt_y)(r₇X_l+r₈Y_l+f_lr₉) (7)

式中，f_r為右像機(jī)有效焦距，f_l為左像機(jī)有效焦距，r₁,...,r₉，t_x,t_y,t_z為表征兩像機(jī)相互位置關(guān)系的外參數(shù)；

由于t_x≠0,上式兩邊同時(shí)除t_x，且令α＝1/t_x，則T'＝αT，T'＝(1,t'_y,t'_z)^T,式(7)得到含有11個(gè)未知數(shù)的方程，11個(gè)未知數(shù)為t'_y、t'_z、r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆、r₇、r₈、r₉，該方程可表示為f(x)＝0，其中x＝(t'_y,t'_z,r₁,r₂,r₃,r₄,r₅,r₆,r₇,r₈,r₉)；

式中，α為比例系數(shù)，T'為參數(shù)歸一化向量，t'_y＝t_y/t_x，t_z′＝t_z/t_x；

此外，旋轉(zhuǎn)矩陣R具有正交性，因此作為f(x)＝0的罰函數(shù)，形式如下：

這樣，可得到式(9)所示的49個(gè)點(diǎn)的無約束最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)；

其中，M₁,M₂,...,M₆六個(gè)系數(shù)為罰因子，f_i(x)為第i個(gè)圓心對(duì)應(yīng)的非線性函數(shù)，由公式(7)做公式變形得到，n取值為1≤n≤49；

為了保證正交性，6個(gè)罰因子都取較大的值為10⁵，當(dāng)罰因子大于10⁵時(shí)，得到的49個(gè)點(diǎn)的無約束最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)不變；通過LM優(yōu)化方法求得x值，再利用式(3)求解得到帶有比例系數(shù)的z_i'，需要通過確定比例系數(shù)α值來求解平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣真實(shí)值，下面介紹α的求解方法；

設(shè)圖4f所示實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)1、49兩圓圓心形成的對(duì)角線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，已知圓心距，通過幾何計(jì)算得到L值；圓1、49對(duì)應(yīng)的左圖像坐標(biāo)分別為(X_l1,Y_l1)、(X_l49,Y_l49)；通過式(3)有以下等式成立：

式中，z₁為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)1，z₄₉為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)49，X_l1為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)1對(duì)應(yīng)的左圖像橫坐標(biāo)，X_l49為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)49對(duì)應(yīng)的左圖像橫坐標(biāo)，Y_l1為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)1對(duì)應(yīng)的左圖像縱坐標(biāo)，Y_l49為實(shí)心圓標(biāo)定板編號(hào)1對(duì)應(yīng)的左圖像縱坐標(biāo)；

又由于z'₁＝αz₁，z'₄₉＝αz₄₉，則式(10)變?yōu)?/p>

由式(11)可求得

事實(shí)上α的符號(hào)由坐標(biāo)選取法決定，本發(fā)明中取負(fù)號(hào)，至此，得到平移向量T^*和旋轉(zhuǎn)矩陣R^*可以求得，而T^*可能仍含有比例因子，需要進(jìn)一步進(jìn)行縮放；通過式(3)再一次重建圓1，49形成的對(duì)角線長(zhǎng)度，設(shè)此時(shí)重建的長(zhǎng)度為L(zhǎng)^*，因此，最終得到的平移向量為T＝LT^*/L^*，旋轉(zhuǎn)矩陣R＝R^*。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式的一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)包括：

(1)基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)包括兩臺(tái)CCD相機(jī)、實(shí)心圓標(biāo)定板、射燈、鏡頭、相機(jī)支架、射燈支架、多通道圖像采集卡和計(jì)算機(jī)；所述實(shí)心圓標(biāo)定板為白色底面上均勻分布49個(gè)黑色圓形斑點(diǎn)；標(biāo)定板本身須有較大剛度，不會(huì)輕易發(fā)生變形；

(2)將光學(xué)鏡頭與CCD傳感器相連，并將CCD相機(jī)安裝在相機(jī)支架上；將射燈安裝在射燈支架上；

其中，安裝的CCD相機(jī)型號(hào)性能相同，并且CCD相機(jī)都具有較高圖像分辨率；光學(xué)鏡頭尺寸與CCD傳感器尺寸匹配，接口類型匹配；光學(xué)鏡頭根據(jù)物距和靶標(biāo)成像的大小來選擇鏡頭焦距；光學(xué)鏡頭像素為百萬像素級(jí)光學(xué)鏡頭；相機(jī)支架用于固定相機(jī)；較高圖像分辨率為百萬像素以上；

(3)每臺(tái)CCD相機(jī)通過導(dǎo)線連接到多通道圖像采集卡上，多通道圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)上，將計(jì)算機(jī)接通電源；將射燈接通電源，射燈作為補(bǔ)償光源，根據(jù)拍攝照片時(shí)的光照需要來選擇射燈是否打開；

(4)打開CCD相機(jī)，調(diào)整CCD相機(jī)的角度和焦距，使標(biāo)定板位于視場(chǎng)中央且圖像清晰，然后將CCD相機(jī)固定；打開射燈，并調(diào)整射燈的角度來對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)；調(diào)整完成后，將射燈固定；打開電腦，安裝CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，確保CCD相機(jī)正常工作；

(5)打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)中的基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定軟件進(jìn)行圖片標(biāo)定；

所述步驟(5)中多通道圖像采集卡采用模擬采集卡或數(shù)字采集卡，接口類型為IEEE1394、千兆網(wǎng)卡或USB接口。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式六相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

本實(shí)施例一種基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)及方法具體是按照以下步驟制備的：

步驟一：運(yùn)行計(jì)算機(jī)中的基于實(shí)心圓標(biāo)定板的立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定軟件得到標(biāo)定初始界面，如圖5所示；

步驟二：將待標(biāo)定圖片存放到當(dāng)前目錄下；

步驟三：選擇光照條件“dark”，在“Parameter_input”中輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊“First_elilm”進(jìn)行圖片預(yù)處理，如圖6所示；

步驟四：選擇要進(jìn)行標(biāo)定的圖片張數(shù)，對(duì)“Parameter_input”中參數(shù)進(jìn)行修改，點(diǎn)擊“Left_calib”，進(jìn)行左相機(jī)標(biāo)定，如圖7所示。得到左相機(jī)標(biāo)定結(jié)果如圖8所示；

步驟九：點(diǎn)擊“Right_calib”，得到右相機(jī)標(biāo)定界面如圖9所示。得到右相機(jī)標(biāo)定結(jié)果如圖10所示；

步驟十：點(diǎn)擊“Stereo_calib”，選擇標(biāo)定板序號(hào)“1”，得到圖11。

至此，如圖12所示，整個(gè)標(biāo)定過程完畢，相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在當(dāng)前路徑下。

本實(shí)施例為立體視覺標(biāo)定提供一種優(yōu)化變量數(shù)目少，計(jì)算簡(jiǎn)單、快速和精度高的標(biāo)定軟件和方法。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。