一種用于視覺傳感器標(biāo)定的網(wǎng)格球靶標(biāo)及相應(yīng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器視覺領(lǐng)域的視覺傳感器標(biāo)定，尤其涉及一種利用新的靶標(biāo)形式-網(wǎng)格球靶標(biāo)及相應(yīng)的標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺傳感器標(biāo)定一直以來都是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。視覺傳感器標(biāo)定 主要包括攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定、雙目視覺傳感器標(biāo)定、多攝像機(jī)測量系統(tǒng)全局標(biāo)定。
[0003] 目前視覺傳感器標(biāo)定多采用靶標(biāo)，具體包括三維立體靶標(biāo)、二維平面靶標(biāo)、一維靶 標(biāo)和球靶標(biāo)。三維立體靶標(biāo)具有2個(gè)平面，該方法可以獲得較高的精度，但加工困難，容易發(fā) 生自身遮擋、不適合多個(gè)不同視角攝像機(jī)的同步標(biāo)定。以張正友提出的基于棋盤平面靶標(biāo) 的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定方法為代表的采用平面靶標(biāo)的視覺傳感器標(biāo)定方法是目前最流行 的靶標(biāo)形式及標(biāo)定方法。另外，還有研究人員在平面靶標(biāo)上使用不同特征的標(biāo)定方法，例如 使用同心圓環(huán)、平面雙圓環(huán)等。采用二維平面靶標(biāo)的標(biāo)定方法靈活、方便，標(biāo)定精度高，但不 適合同步完成不同位置多個(gè)視覺傳感器標(biāo)定。球靶標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是在任何角度下可以獲得完整 的球靶標(biāo)外輪廓，非常適合不同位置多個(gè)視覺傳感器同步標(biāo)定，但標(biāo)定精度很難滿足高精 度測量需求。另一類是不需要靶標(biāo)的視覺傳感器自標(biāo)定，適用于視覺導(dǎo)航、場景重建等領(lǐng) 域，但該類方法標(biāo)定精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種新的靶標(biāo)形式-網(wǎng)格球靶標(biāo)和使用這 種靶標(biāo)對視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，來解決現(xiàn)有靶標(biāo)中二維靶標(biāo)靈活但不能同步完成不同視點(diǎn) 攝像機(jī)同步標(biāo)定的問題和球靶標(biāo)可以完成不同視點(diǎn)攝像機(jī)同步標(biāo)定但標(biāo)定精度不高等問 題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種新的靶標(biāo)形式-網(wǎng)格球靶標(biāo)。網(wǎng)格球靶標(biāo)就是可以有網(wǎng)格線的 球靶標(biāo)，表面畫好了平行的煒線圓和等角度經(jīng)線圓。
[0006] 本發(fā)明還提供了三種網(wǎng)格球靶標(biāo)在視覺傳感器標(biāo)定中的應(yīng)用，既攝像機(jī)內(nèi)外部參 數(shù)標(biāo)定，雙目視覺傳感器標(biāo)定和多攝像機(jī)測量系統(tǒng)全局標(biāo)定。
[0007] 其中，所述網(wǎng)格球靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)標(biāo)定分為三個(gè)階段:提取網(wǎng)格球靶 標(biāo)的橢圓曲線圖像;利用橢圓曲線圖像求解攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù);對求得的初解帶入線性優(yōu)化 中得到最后的優(yōu)化解；
[0008] 其中，所述網(wǎng)格球靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)雙目視覺傳感器標(biāo)定為：首先采用網(wǎng)格球靶標(biāo)標(biāo)定雙 目立體視覺傳感器的兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)，再以網(wǎng)格球靶標(biāo)為中介實(shí)現(xiàn)兩個(gè)攝像機(jī)之間 的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量1? 12，t12的求解，完成對雙目視覺傳感器的標(biāo)定；
[0009] 其中，所述網(wǎng)格球靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)測量系統(tǒng)全局標(biāo)定為:首先采用網(wǎng)格球靶標(biāo) 標(biāo)定方法獲得多個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)AhRhU(其中i為第i個(gè)視覺傳感器）。再 計(jì)算第i個(gè)攝像機(jī)到第j個(gè)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)換矩陣Tij(i，j = l，2,3，n)，Tij下標(biāo)中的i，j分別表示 攝像機(jī)的序號。最后通過兩兩標(biāo)定方式完成多攝像機(jī)測量系統(tǒng)全局標(biāo)定。
[0010]本發(fā)明提出的網(wǎng)格球靶標(biāo)是帶有高精度網(wǎng)格線的球靶標(biāo)，經(jīng)煒線交點(diǎn)坐標(biāo)也已 知，且具有較高精度。不同視角的攝像機(jī)在標(biāo)定時(shí)都可以拍攝到清晰的網(wǎng)格球靶標(biāo)上高精 度的網(wǎng)格線和經(jīng)煒線交點(diǎn)。本發(fā)明公開的所有標(biāo)定算法都不需要拍攝到網(wǎng)格球靶標(biāo)上全部 的高精度網(wǎng)格線，只需要部分線條和部分經(jīng)煒線交點(diǎn)就可以。因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比 的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明解決了現(xiàn)有靶標(biāo)中二維靶標(biāo)的不能同步完成不同視點(diǎn)攝像機(jī)同步標(biāo)定 的問題和球靶標(biāo)的標(biāo)定精度不高等問題。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中網(wǎng)格球祀標(biāo)的內(nèi)外參數(shù)求解示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中使用網(wǎng)格球靶標(biāo)對多攝像機(jī)測量系統(tǒng)全局標(biāo)定的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
[0014] 本發(fā)明所提供的一種新的靶標(biāo)形式-網(wǎng)格球靶標(biāo)和使用這種靶標(biāo)在視覺測量系統(tǒng) 標(biāo)定中的應(yīng)用。
[0015] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)例新的靶標(biāo)形式-網(wǎng)格球靶標(biāo)。
[0016] 該靶標(biāo)為刻有高精度網(wǎng)格像的球靶標(biāo)，網(wǎng)格線由多個(gè)已知距離的平行煒線圓和多 個(gè)已知角度間隔的同心經(jīng)線圓。球體本身可以使用各種材料，例如金屬、陶瓷和玻璃等，網(wǎng) 格線可以采用機(jī)械加工方式刻在球體上，也可以采用印刷等方式將與球體顏色有明顯區(qū)別 的線印在球體上。網(wǎng)格球靶標(biāo)上各網(wǎng)格線位置已知，且精度較高。經(jīng)煒網(wǎng)格線的交點(diǎn)在網(wǎng)格 球靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)也已知，且具有較高精度。
[0017] 本發(fā)明分別介紹了采用網(wǎng)格球靶標(biāo)完成攝像機(jī)、雙目立體視覺傳感器和多攝像機(jī) 測量系統(tǒng)全局標(biāo)定的三種標(biāo)定方法。
[0018] A.攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)標(biāo)定方法
[0019] 步驟1，提取網(wǎng)格球靶標(biāo)的橢圓曲線圖像，具體為，將網(wǎng)格球靶標(biāo)靶標(biāo)在攝像機(jī)前 自由移動十次以上，采用Steger在1998年2月發(fā)表的論文"An unbiased detector of curvilinear structures，IEEE Transaction on Pattern Analysis Machine Intelligence."提到的光條圖像中心提取方法提取光柵光條圖像中心點(diǎn)。首先計(jì)算圖像各 點(diǎn)Hessian (海森)矩陣，根據(jù)光條圖像灰度曲面特征，通過各圖像點(diǎn)的Hessian矩陣中特征 值和特征向量判斷光條中心候選點(diǎn)，再通過鏈接方式將光條中心候選點(diǎn)鏈接在一起形成光 條圖像數(shù)據(jù)。通過橢圓擬合得到對應(yīng)的橢圓曲線方程。計(jì)算所有橢圓曲線的長軸、短軸長 度、橢圓中心、長軸與圖像縱軸的夾角。根據(jù)以上參數(shù)，將所有橢圓曲線分為兩類，第一類是 所有橢圓曲線的Θ角、長軸、橢圓中心基本相同，相對偏差小于閾值，該類為經(jīng)線圓的橢圓曲 線圖像;除了第一類以外的所有橢圓曲線為第二類，該類為煒線圓的橢圓曲線圖像；
[0020] 步驟2,利用橢圓曲線圖像求解攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，首先識別橢圓方程對 應(yīng)的煒線圓，并求出攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。然后，根據(jù)求解出的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)求出攝像機(jī)的 外部參數(shù)。
[0021] 識別橢圓方程對應(yīng)的煒線圓，并求出攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。任意兩個(gè)平行的煒線圓 投影曲線eii(j)和eii(j+i)的交點(diǎn)為一對圓環(huán)點(diǎn)mi和mj，mi和mj是共輒虛數(shù)。通過求解出的mi和 mj，可確定所有平行煒線圓的消隱線In:
[0022] lii = Ami Xmj (1)
[0023] 設(shè)(31山尸|^1山），71山），21山），1]1'為煒線圓(：1山)的中心點(diǎn)。〇1山)=[111山），￥1山），1 ] 1'為(^〇)點(diǎn)在圖像中的無畸變圖像坐標(biāo)。(313(〇 = |^13(〇,713(〇,21必)，1]1'為經(jīng)線圓(：13(〇的中 心點(diǎn)，Ola⑴=[Ul a(i)，Vla(i)，:^為^⑴點(diǎn)在圖像中的投影坐標(biāo)。消隱線lli與Oli(j)相對于 eii(j)存在配極關(guān)系，因此根據(jù)式(2)可以求解出oii(j):
[0024]
(2)
[0025] 式中λ為非零常數(shù)。
[0026] 將所有〇1ιω進(jìn)行直線擬合獲得lax，該直線為網(wǎng)格球靶標(biāo)軸線在圖像中的投影直 線。a、b是網(wǎng)格球靶標(biāo)軸線的兩個(gè)端點(diǎn)，它也是網(wǎng)格球靶標(biāo)軸線與球靶標(biāo)兩個(gè)交點(diǎn)A和B的投 影點(diǎn)?；诮槐炔蛔冃栽?，通過a、b和 〇1ιω可以識別出所有確定的煒線橢圓曲線圖像的序 號。因此，確定最大煒線圓中心在圖像中的圖像點(diǎn)馬0，該點(diǎn)也為網(wǎng)格球靶標(biāo)球心在圖像 中的圖像點(diǎn)，也是所有經(jīng)線圓中心點(diǎn)在圖像中的圖像點(diǎn)〇ia(i)，既=0lat;l。〇i a(i)與經(jīng)線圓 所在平面的消隱線liaW相對于eiaW存在配極關(guān)系，即：
[0027] lia(i)=Aeia(i)oia(i) (3)
[0028] 式中λ為非零常數(shù)。
[0029] 求解出lla⑴與ela⑴相交的兩個(gè)共輒圓環(huán)點(diǎn)。因此只需要在一個(gè)位置拍攝到三個(gè) 經(jīng)線圓或兩個(gè)煒線圓配合經(jīng)線圓就可以求解出ω ( ω =ΙΓΤΚ為絕對二次曲線的像，其中內(nèi)部 參數(shù)矩陣Κ)，ω有6個(gè)自由度，再通過cholesky分解就可以求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣Κ)。 或者將靶標(biāo)移動三次以上也可以用煒線圓的像解出ω，再通過cholesky分解就可以求解攝 像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣K。
[0030] 然后，根據(jù)第一步中