提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺測量領(lǐng)域，設(shè)及一種提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間=維測量是保證產(chǎn)品最終質(zhì)量的重要技術(shù)手段，航空航天，船舶、汽車等國家 重大工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展對測量提出了更高的要求。被測對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被測參數(shù)多、尺寸 W及運(yùn)動范圍在空間=維度各有延伸、測量范圍大。視覺測量技術(shù)具有非接觸、高精度、實(shí) 時(shí)性與適應(yīng)性強(qiáng)W及測量范圍廣優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于高精度測量中。相機(jī)安裝與標(biāo)定 至關(guān)重要，直接決定了測量精度。相機(jī)之間光軸之間的夾角、相機(jī)與物體之間的測量距離影 響特征提取精度。此外，由于光學(xué)設(shè)計(jì)、制造W及安裝誤差的存在，會使得物體成像發(fā)生崎 變，影響圖片質(zhì)量降低測量精度。特別是在景深方向，由于透視崎變W及其他崎變的綜合影 響，使得測量精度在景深方向很低，通常為其它兩測量方向測量精度的=分之一。因此，研 究相機(jī)安裝布局與景深標(biāo)定方法對于提高相機(jī)測量精度對于保證檢測質(zhì)量具有重要意義。
[0003] 北京市治安邦科技有限公司的付國亮、曾建平發(fā)明的專利號為CN101814184A"基 于線段的標(biāo)定方法和標(biāo)定裝置"發(fā)明了一種基于線段適用于室內(nèi)、室外場所的景深標(biāo)定方 法與標(biāo)定裝置。使用=條標(biāo)定線段標(biāo)定相機(jī)參數(shù)，一條線段驗(yàn)證W及提高景深標(biāo)定精度。該 發(fā)明雖能實(shí)現(xiàn)相機(jī)景深方向測量，但為了使用標(biāo)定線段需事先已知相機(jī)位置信息，標(biāo)定過 程繁瑣，并且未優(yōu)化相機(jī)布局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，發(fā)明了一種提高景深測量精度的 相機(jī)布局與標(biāo)定方法，標(biāo)定方法首先依據(jù)測量視場W及精度要求確定像機(jī)之間基線長度W 及光軸之間的夾角；再根據(jù)相機(jī)物距、焦距W及鏡頭等參數(shù)確定景深范圍；W標(biāo)定板為參 照物，利用電控裝置帶動標(biāo)定板在景深范圍內(nèi)移動多個(gè)位置，每一位置下標(biāo)定相機(jī)，使相機(jī) 在不同景深位置有不同標(biāo)定參數(shù)；測量時(shí)根據(jù)特征點(diǎn)所處不同位置選用不同相機(jī)標(biāo)定參數(shù) 重建。本發(fā)明提出的相機(jī)布局方式W及景深標(biāo)定方法從安裝和標(biāo)定的兩方面考慮，并解決 了現(xiàn)有相機(jī)景深方向測量精度低的問題。本發(fā)明的景深標(biāo)定方法不需要相機(jī)參數(shù)模型預(yù) 巧。，簡化了計(jì)算流程，提高了測量精度。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定方法；其特征在 于，標(biāo)定方法從相機(jī)優(yōu)化布局W及景深標(biāo)定兩方面出發(fā)，提高視覺測量系統(tǒng)在景深方向的 測量精度；首先根據(jù)測量視場要求確定兩相機(jī)基線長度W及光軸之間的夾角，使相機(jī)布置 方式最優(yōu)；隨后根據(jù)測量物距、對焦?fàn)顟B(tài)W及鏡頭參數(shù)確定景深范圍，在此基礎(chǔ)上，利用高 精度電控裝置帶動標(biāo)定板在相機(jī)景深方向移動多個(gè)位置，在每一位置上利用標(biāo)定板多張圖 片標(biāo)定雙目相機(jī)參數(shù)；測量時(shí)根據(jù)特征信息在景深所處不同位置選取不同的相機(jī)參數(shù)重建 特征=維信息；標(biāo)定方法的具體步驟如下：
[0006] (1)雙目相機(jī)最優(yōu)化布局
[0007] 兩像機(jī)光屯、之間連線稱為基線，本發(fā)明通過首先調(diào)整兩像機(jī)之間的基線長度提高 相機(jī)縱向測量精度，縱向測量精度與基線之間的關(guān)系表述為：
[0008]
C1 )
[0009] 其中，AZ為相機(jī)在縱深方向的實(shí)際測量值與理論測量值之間的差值；Z為相機(jī)重 建的特征點(diǎn)深度信息；f為左相機(jī)3、右相機(jī)4選取的焦距值；d為基線長度；5為特征標(biāo)志 點(diǎn)定位偏差；
[0010] 根據(jù)測量視場要求計(jì)算測量物距與視場之間的關(guān)系，通過調(diào)整相機(jī)物距提高測量 精度，其公式表示為：
[0011]
(2)
[0012] 其中，W為左、右相機(jī)3、4確定的公共視場大??；Z為相機(jī)重建的特征點(diǎn)深度信息； a為視場角與相機(jī)光軸之間的夾角；P為相機(jī)光軸與Z軸之間的夾角；d為基線長度；在兩 相機(jī)測量視場固定條件下減小物距可提高測量精度；并且，當(dāng)相機(jī)光軸與Z軸、X軸滿足公 式（3)時(shí)相機(jī)獲得高測量精度；
[0013]
)
[0014] 其中，Z為相機(jī)重建的特征點(diǎn)深度信息；X為雙目相機(jī)重建的特征點(diǎn)在X方向的分 量；0為相機(jī)光軸與Z軸之間的夾角；
[0015] 構(gòu)造最小化目標(biāo)函數(shù)，降低Z方向測量誤差，提高縱方向測量精度，公式如下：
[0016]minAZ=ming(f,d,曰，P,S,W)，W=const(4)
[0017] 最小化目標(biāo)函數(shù)Az求得相機(jī)配置參數(shù)最優(yōu)值，使相機(jī)Z軸精度最優(yōu)；
[0018] (2)雙目相機(jī)景深標(biāo)定
[0019] 在獲得相機(jī)最優(yōu)配置方案后，考慮成像過程中，由透視崎變W及光學(xué)放大率造成 的相機(jī)景深方向的成像崎變，在景深方向標(biāo)定相機(jī)；根據(jù)確定的最優(yōu)相機(jī)安裝參數(shù)確定景 深大小，景深計(jì)算公式為：
[0020]
")
[0021] 其中，AL為景深，e為容許彌散圓直徑，f為左相機(jī)3、右相機(jī)4確定的焦距，F(xiàn)為 鏡頭拍攝的光圈值，L為對焦距離；
[0022] 采用張正友標(biāo)定算法結(jié)合高精度平面標(biāo)定板2完成景深標(biāo)定；
[0023] 標(biāo)定板2上特征點(diǎn)為圓形標(biāo)志點(diǎn)，首先將已知尺寸的標(biāo)定板2固定在高精度電控 裝置1上，移動電控裝置1帶動標(biāo)定板2使其處于測量位置，合焦使圓形標(biāo)志點(diǎn)成像清晰； 利用高精度電控裝置1控制標(biāo)定板2移動多個(gè)位置，利用獲取的標(biāo)定板2圖像，標(biāo)定相機(jī) 左、右相機(jī)3、4 ;標(biāo)定完該位置后，根據(jù)標(biāo)定板2尺寸W及標(biāo)定板2擺動角度的大小控制電 控裝置1帶動標(biāo)定板2沿縱深方向移動到景深的下一位置，設(shè)移動到的位置為第k個(gè)位置， 并在第k個(gè)位置使用相機(jī)獲取標(biāo)定板2的多張圖像標(biāo)定相機(jī)；
[0024]參數(shù)計(jì)算流程為首先采用灰度重屯、法提取圓形標(biāo)志點(diǎn)中屯、坐標(biāo)，公式為：
[0025]
(6)
[002引其中，（ij)代表圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)，m，n分別為像素在圖像橫、縱方向的數(shù)量； (X，y)為提取的圓形標(biāo)志點(diǎn)的質(zhì)屯、坐標(biāo)，f(i，j)為像素坐標(biāo)（i，j)對應(yīng)的灰度值；由透視投 影關(guān)系可知，=維空間點(diǎn)與圖像對應(yīng)點(diǎn)像素坐標(biāo)之間的關(guān)系可表示為：
[0027]
(7)
[002引式中，為第k個(gè)位置標(biāo)定的相機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)，)為第k個(gè)位置標(biāo)定的 相機(jī)像元在橫、縱方向的等效尺寸，Rk為Pk的旋轉(zhuǎn)矩陣，Tk為第k個(gè)位置標(biāo)定的相機(jī)的平移 矩陣，表達(dá)了相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移關(guān)系；狂《，Y。，ZJ為標(biāo)定板2上特 征點(diǎn)圓屯、在世界坐標(biāo)系下的S維坐標(biāo);Mk為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，pk為外參數(shù)矩陣，（u，v)為標(biāo) 定板2特征點(diǎn)圓屯、在圖像上的像素坐標(biāo)；考慮相機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、裝配、成像等過程中產(chǎn)生 的崎變，本發(fā)明將崎變系數(shù)引入到成像模型中，記第k個(gè)位置引入的第一階與第二階徑向 崎變系數(shù)為療、磚；第一階和第二階切向崎變參數(shù)為A'、;根據(jù)二維平面祀標(biāo)上棋盤 格=維點(diǎn)與成像二維點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系即可求解每一個(gè)相機(jī)的內(nèi)、外W及崎變參數(shù)；
[0029] (3)基于景深不同位置的特征點(diǎn)重建
[0030] 在布置好雙目相機(jī)W及完成景深標(biāo)定后，實(shí)際測量時(shí)根據(jù)不同特征點(diǎn)所處景深不 同位置，選取不同的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)解算特征=維信息W提高測量精度，重建公式為：
[0031]
(8)
[00礎(chǔ)其中，戊，，蠶L)為物方控制點(diǎn)p在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，Xi= (Ui，fl, 、）Xf= (Uf，Vf，1)分別為物方控制點(diǎn)P在左相機(jī)3、右相機(jī)4的成像平面上像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)， M;、編？分別為左相機(jī)3、右相機(jī)4對應(yīng)的投影矩陣；4、4分別為第k個(gè)位置標(biāo)定出的 物方控制點(diǎn)P在兩像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由兩方程組即可求空間點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：為提高相機(jī)縱向測量精度，優(yōu)化了相機(jī)安裝配置和標(biāo)定了 相機(jī)景深，解決了相機(jī)在縱深方向測量精度低的問題。與基于景深方向相機(jī)參數(shù)模型預(yù)測 的景深標(biāo)定方法相比，本發(fā)明的標(biāo)定方法不需要模型預(yù)測，從而提高了標(biāo)定精度、簡化了計(jì) 算流程；標(biāo)定方法實(shí)施簡單，精度高。
【附圖說明】
[0034] 圖1為提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定系統(tǒng)圖。其中，1-電控裝置，2-標(biāo)定 板，3-左相機(jī)，4-右相機(jī)，OiXAZi-左相機(jī)坐標(biāo)系，，OfXfYfZf-右相機(jī)坐標(biāo)系，a-視場角與 相機(jī)光軸之間的夾角，P-相機(jī)光軸與Z軸之間的夾角，d-基線長度。
[0035] 圖2為提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]W下結(jié)合技術(shù)方案W及附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0037] 附圖1為提高景深測量精度的相機(jī)布局與標(biāo)定系統(tǒng)圖。實(shí)施例選用卓立漢光高精 度電控裝置1，本發(fā)明的高精度電控裝置1可W實(shí)現(xiàn)單方向的直線運(yùn)動，直線行程為500mm、 繞水平軸的3