一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機視覺技術(shù)，具體涉及一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定 方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙目視覺傳感器主要由兩臺攝像機組成，以光學三角法為基礎(chǔ)，基于立體視差原 理，完成公共視場內(nèi)的特征點、特征線等的三維測量。由于雙目視覺測量具有非接觸、速度 快、系統(tǒng)柔性好、測量精度高等優(yōu)點，廣泛應用于三維模型重建、物體表面輪廓三維信息測 量以及物體關(guān)鍵幾何參數(shù)測量等領(lǐng)域。
[0003] 雙目視覺傳感器的測量模型參數(shù)的標定是雙目視覺傳感器能否應用成功的關(guān)鍵， 主要包括攝像機內(nèi)部參數(shù)的標定和傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標定。攝像機內(nèi)部參數(shù)不隨兩臺攝 像機之間結(jié)構(gòu)而改變，可以離線標定，而傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)則不同，容易受到安裝過程的影 響，需要在線標定。
[0004] 目前雙目視覺傳感器模型參數(shù)的標定方法主要有：①基于已知三維坐標的三維 靶標法，如馬頌德在"計算機視覺一計算理論與算法基礎(chǔ)[M].北京：科學出版社，2003" 中所述；②基于未知運動平面圓孔靶標法，見周富強文章"雙目視覺傳感器的現(xiàn)場標定技 術(shù)[J].儀器儀表學報，2000,21(2) :142-145"；③基于未知運動一維靶標法，張廣軍的"基 于標準長度的立體視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定方法.2001年航空工業(yè)測控技術(shù)學術(shù)交流會： 259~263"、周富強的"基于未知運動一維靶標的雙目視覺傳感器標定[J].機械工程學 報，2006, 42(6) :92-96"和孫軍華的"大視場雙目視覺傳感器的現(xiàn)場標定[J].光學精密工 程，2009, 17(3) :633-640"均屬此類；④基于特征點匹配的雙目視覺傳感器自標定方法， 以 R. I. Hartley 在文章"Estimation of relative camera positions for uncalibrated cameras,In Proc. European Conference on Computer Vision，LNCS 588,pages 579-587. Springer Verlag，1992"中所提出方法為典型代表。三維靶標法由于不同平面對光照的相 互影響，只能在特定位置才能獲得高質(zhì)量標定圖像，且三維靶標加工難度大、制作成本高， 所以該方法在工程中的應用受到限制。基于未知運動平面圓孔靶標法，計算過程為求解非 線性方程根的迭代過程，計算量大、計算過程復雜?；谖粗\動一維靶標法，雖然精度較 高、實現(xiàn)方便，但是求解過程需多次矩陣變換和非線性方程迭代求根，使得計算復雜性高、 計算誤差大?；谔卣鼽c匹配的攝像機自標定方法，標定的高精度需以圖像特征點提取的 高精度和高匹配率為基礎(chǔ)，在復雜的現(xiàn)場環(huán)境下這一點是很難保證的。另外，還有一些其他 標定方法，如李明哲在文章"基于計算機視覺的板材曲面3維測量系統(tǒng)"提出的基于BP神 經(jīng)網(wǎng)絡的雙目視覺傳感器標定方法，但未給出標定精度；馬永壯在"一種基于雙目主動視覺 的線性自標定算法"提出了基于雙目主動視覺的自標定方法，但要求兩攝像機之間存在純 平移關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 文章"Parallel-based calibration method for line-structured light vision sensor [J]. Optical Engineering, 2014, 53 (3): 033101-033101. " 中利用平行線消 隱特征完成了結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標定。在此工作的啟發(fā)下，本發(fā)明提出了一種利用平行 線平面靶標（至少3條等間距平行線）完成雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定的新方法，目的 在于能夠在所需靶標易于加工制造、操作過程簡單有效、計算過程簡便快捷且無需輔助設(shè) 備的前提下完成雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的高精度標定。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定方法，該方 法包括如下步驟：
[0007] 步驟1、根據(jù)測量對象，固定左右攝像機的位置，標定過程中，兩攝像機的參數(shù)和位 置保持不變，利用張正友標定方法完成左右攝像機內(nèi)部參數(shù)的標定；
[0008] 步驟2、將平行線靶標放置在左右攝像機的公共視場內(nèi)，即測量空間內(nèi)，利用標定 好的左右攝像機獲取靶標圖像，通過移動靶標得到足夠數(shù)量的靶標圖像，過程中靶標平面 與左右攝像機的圖像平面需有一定夾角，以保證消隱線可以精確求解；
[0009] 步驟3、根據(jù)步驟1中標定出的攝像機畸變系數(shù)對靶標圖像進行畸變矯正；在靶標 圖像上利用基于hessian矩陣的子像素級邊緣提取算法提取直線上特征點，通過最小二乘 擬合得到直線方程；
[0010] 步驟4、利用從靶標圖像上提取的直線方程計算消隱線，求解靶標平面在攝像機坐 標系下的法線方向，由靶標平面的法線方向在左右攝像機坐標系下的表示完成雙目視覺傳 感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)R的計算，利用平行線束共面且間距為D的約束，計算結(jié)構(gòu)參數(shù)T ;
[0011] 步驟5、以步驟4中線性求解的R、T為初值，利用平行線間距約束和靶標平面法線 方向在左右攝像機坐標系下的一致性進行整體優(yōu)化，得到最終標定結(jié)果。
[0012] 本發(fā)明另外提供一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定裝置，該裝置包括：平 面靶標、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和穩(wěn)壓電源；其中：
[0013] 所述的平面靶標包括左右攝像機內(nèi)部參數(shù)標定用棋盤格平面靶標和雙目視覺傳 感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定用平行線靶標；
[0014] 所述的數(shù)據(jù)采集部分由左右兩臺攝像機組成的雙目視覺傳感器拍攝平面靶標，得 到多張靶標圖像；
[0015] 所述的數(shù)據(jù)處理部分包括硬件和軟件，其中硬件由一套計算機系統(tǒng)組成，軟件包 括攝像機內(nèi)參數(shù)標定軟件和雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定軟件，攝像機內(nèi)參數(shù)標定軟件完 成棋盤格靶標圖像上棋盤格角點的提取和攝像機內(nèi)參數(shù)求解，雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標 定軟件完成平行線靶標圖像上直線的提取和結(jié)構(gòu)參數(shù)求解；
[0016] 所述的穩(wěn)壓電源用于給所述的平面靶標、所述的數(shù)據(jù)采集部分與所述的數(shù)據(jù)處理 部分提供工作電壓，其供電電壓由所述的平面靶標、所述的數(shù)據(jù)采集部分與所述的數(shù)據(jù)處 理部分輸入電壓確定。
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：
[0018] 1)、本發(fā)明中提出的一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定方法及裝置，采用 帶有一組間距為D的平行線的平面靶標，在測量空間內(nèi)自由擺放至少兩次，由兩個攝像機 獲取多幅靶標圖像。相對已有的標定方法，該方法所需的靶標加工制造容易，標定過程簡單 有效，適合線上標定。
[0019] 2)、此外，本發(fā)明提出的雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定方法，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù) R和平移向量參數(shù)T的分步求解，降低了計算的難度和復雜性?；诳臻g直線絕對距離約束 和同一靶標平面的法線方向在左右攝像機坐標系下的一致性建立目標優(yōu)化函數(shù)，以線性方 法求出的參數(shù)為初值，采用非線性的方法進行整體優(yōu)化，保證了求解結(jié)果為全局最優(yōu)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明一種雙目視覺傳感器的消隱特征約束標定方法流程圖；
[0021] 圖2為攝像機內(nèi)參標定用棋盤格靶標；
[0022] 圖3為雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定模型示意圖；
[0023] 圖4為平行線靶標圖像示意圖；
[0024] 圖5為景物為一組等間距平行線時消隱線位置示意圖；
[0025] 圖6為平面Si