本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的分步標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

雙目立體視覺(jué)是根據(jù)雙目攝像機(jī)同時(shí)拍攝的兩張圖片的二維圖像信息得到物體的幾何三維信息。從二維圖像信息恢復(fù)物體三維信息依賴于雙目視覺(jué)系統(tǒng)的模型，最重要的是需要確定攝像機(jī)的成像幾何模型，該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)。攝像機(jī)參數(shù)包括內(nèi)參數(shù)與外參數(shù)，其中內(nèi)參數(shù)是與攝像機(jī)幾何和光學(xué)特性有關(guān)的參數(shù)，只依賴于攝像機(jī)自身的制造特點(diǎn)；外參數(shù)為攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于建立好的世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移關(guān)系量。攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程就是確定內(nèi)、外參數(shù)的過(guò)程，標(biāo)定方法的精度直接影響到計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)的精度。因此，如何對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行快速、簡(jiǎn)捷、精準(zhǔn)的標(biāo)定具有重大的意義。

傳統(tǒng)的攝像機(jī)和雙目視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法通常依賴于精密加工的2d或3d輔助標(biāo)定物。tsai提出的“aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh-accuracy3dvisionmetrologyusingoff-the-shelftvcamerasandlenses”(ieeejournalofroboticsandautomation,1987,3(4)：323-344)基于徑向約束的兩步法能夠獲得較為精確的標(biāo)定結(jié)果，張正友提出的“aflexiblenewtechniqueforcameracalibration”(ieeetransactionsonpatternanalysis&machineintelligence，2000,22(11):1330-1334)基于棋盤格靶標(biāo)標(biāo)定方法同樣可以獲得較高的精度。但是對(duì)于大視場(chǎng)下的攝像機(jī)標(biāo)定而言，由于傳統(tǒng)標(biāo)定方法所占有視場(chǎng)較小，導(dǎo)致特征點(diǎn)提取誤差大；同時(shí)傳統(tǒng)標(biāo)定方法所使用的2d或3d靶標(biāo)造價(jià)昂貴并且維護(hù)困難，標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜，標(biāo)定時(shí)間長(zhǎng)，因此不適合無(wú)法應(yīng)用輔助標(biāo)定物的場(chǎng)合、大場(chǎng)景測(cè)量以及在線標(biāo)定的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)在鍛造現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)標(biāo)定方法嚴(yán)格依賴于高精度輔助標(biāo)定無(wú)，且標(biāo)定方法復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，提出了雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)離線標(biāo)定、外參數(shù)實(shí)時(shí)在線標(biāo)定的分步標(biāo)定方法。這種方法標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)便，標(biāo)定時(shí)間短，精度高；能以較少的圖像精確實(shí)現(xiàn)鍛造現(xiàn)場(chǎng)雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)的標(biāo)定。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)攝像機(jī)參數(shù)的分步標(biāo)定方法，該方法首先在實(shí)驗(yàn)室中離線標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，通過(guò)高精度電控平臺(tái)帶動(dòng)攝像機(jī)做兩組相互獨(dú)立三正交運(yùn)動(dòng)，利用foe點(diǎn)的性質(zhì)列出線性方程，可以唯一求解出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)；在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)8-點(diǎn)法求解兩幅圖像之間基礎(chǔ)矩陣，進(jìn)而分解本質(zhì)矩陣的方法，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)外參數(shù)的實(shí)時(shí)在線標(biāo)定。具體步驟如下：

步驟1：攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣k的標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定通常采用經(jīng)典的小孔成像模型，該模型的表達(dá)式如下：

其中，(xw,yw,zw,1)^t為空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，(u,v,1)^t為對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，fu為攝像機(jī)橫向尺度因子，fv為攝像機(jī)縱向尺度因子，(u0,v0)為主點(diǎn)坐標(biāo)，s為比例因子，k為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，[r|t]為攝像機(jī)的外部參數(shù)矩陣，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移向量。

利用高精度的位移電控平臺(tái)控制攝像機(jī)作一組三正交運(yùn)動(dòng)(兩兩正交的三次平移運(yùn)動(dòng))，根據(jù)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)計(jì)算對(duì)應(yīng)的3個(gè)foe(focusofexpansion)點(diǎn)，記做f1,f2,f3。設(shè)foe的圖像坐標(biāo)為(ui,vi)，i＝1,2,3。則向量與攝像機(jī)的平移向量平行。由foe點(diǎn)的性質(zhì)，可以得到以下3個(gè)有關(guān)fu,fv,u0,v0的約束方程：

將式(2)減去式(3)和(4)，并令x＝u0，可以得到關(guān)于x,y,z的二個(gè)線性約束方程：

(u1-u3)x+(v1-v3)y-v2(v1-v3)z＝u2(u1-u3)(5)

(u2-u3)x+(v2-v3)y-v1(v2-v3)z＝u1(u2-u3)(6)

顯然，通過(guò)式(5)，(6)不能唯一確定x,y,z，需要再作一次三正交運(yùn)動(dòng)。從二組形如式(5)，(6)的約束方程中線性唯一求解出x,y,z，進(jìn)而求得攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)fu,fv,u0,v0。

步驟2：攝像機(jī)外參數(shù)矩陣[r|t]的標(biāo)定

令左攝像機(jī)光學(xué)中心位于世界坐標(biāo)系o-xyz原點(diǎn)，且無(wú)旋轉(zhuǎn)。左攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系ol-ulvl，有效焦距為fl；右攝像機(jī)的坐標(biāo)系為or-xryrzr，右圖像坐標(biāo)系為or-urvr，有效焦距為fr。

(a)求取基本矩陣，在雙目視覺(jué)系統(tǒng)的公共視場(chǎng)內(nèi)擺放棋盤格標(biāo)定模板，拍攝后得到兩張標(biāo)定板圖像；選取棋盤格上的至少8個(gè)的任意特征點(diǎn)，找出其在兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)。(uil,vil)，(uir,vir)為兩幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)，利用8組點(diǎn)對(duì)的像素坐標(biāo)利用8組點(diǎn)對(duì)的像素坐標(biāo)，求解以下方程組:

其中，

然后對(duì)a的奇異值分解為a＝udv^t，則問(wèn)題(7)的解是v的最后一個(gè)列向量，即f＝v9，有此可構(gòu)造出兩幅圖像之間的基礎(chǔ)矩陣f。

(b)根據(jù)步驟1中得出的左右攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣kl,kr，由e＝kl^tfkr，即可得到本質(zhì)矩陣e。

(c)本質(zhì)矩陣由雙目立體視覺(jué)的內(nèi)外參數(shù)共同決定，根據(jù)e＝[t]xr，其中[t]x為平移矢量t的反對(duì)稱矩陣，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，由步驟(b)中得到的本質(zhì)矩陣e即可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矢量t，從而得到左右攝像機(jī)的外參數(shù)。

步驟3：攝像機(jī)比例因子s的求解

左攝像機(jī)坐標(biāo)系o-xyz與右攝像機(jī)坐標(biāo)系or-xryrzr之間的相互位置關(guān)系可以用步驟2得到的[r|t]矩陣表示成如下形式：

其中，

兩個(gè)攝像機(jī)視場(chǎng)中的三維坐標(biāo)可以表示成：

由(11)式可以看出，已知左右攝像機(jī)的焦距和空間點(diǎn)在2個(gè)攝像機(jī)中圖像坐標(biāo)，帶入旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矢量t的值，就可以求出空間點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值。

用已經(jīng)標(biāo)定出內(nèi)外參數(shù)的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)去拍攝長(zhǎng)度為l的高精度標(biāo)尺，利用式(11)求得該標(biāo)尺在空間中的三維坐標(biāo)值，從而重建出其三維長(zhǎng)度為l，則攝像機(jī)的比例因子

采用步驟1～3，即可計(jì)算雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)，完成系統(tǒng)的標(biāo)定過(guò)程。

本發(fā)明的有益效果是利用主動(dòng)視覺(jué)的方法在實(shí)驗(yàn)室中離線標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)；在鍛造現(xiàn)場(chǎng)利用該雙目系統(tǒng)拍攝到的圖像之間的基礎(chǔ)矩陣，實(shí)時(shí)對(duì)攝像機(jī)的外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明是一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的標(biāo)定方法，特別適用于鍛造現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確的標(biāo)定需求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1平臺(tái)；2左攝像機(jī)電控平臺(tái)；3右攝像機(jī)電控平臺(tái)；4左攝像機(jī)；5右攝像機(jī)；6二維棋盤格標(biāo)定板。

圖2為基于主動(dòng)視覺(jué)的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定原理示意圖。1、2為攝像機(jī)平移前后拍攝到的前、后圖像，3為空間中物點(diǎn)p，o1，o2分別為攝像機(jī)平移前后的前、后光心，空間點(diǎn)p在前圖像1中的前投影點(diǎn)為p1，在后圖像2中的后投影點(diǎn)為p2，p′2為后投影點(diǎn)p2在前圖像1中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，點(diǎn)e稱作foe點(diǎn)，也是極點(diǎn)。的方向即為攝像機(jī)平移的方向。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施。

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中采用的雙目視覺(jué)攝像機(jī)型號(hào)為：svcam-svs11002，分辨率為4008×2672；高精度的電控平臺(tái)采用physikinstrumente(pi)，位移精度達(dá)到0.1μm；高精度標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度為2001.464mm。在測(cè)量范圍為3m×2.5m的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，棋盤格標(biāo)定板到攝像機(jī)的距離約為5m。

該方法首先在實(shí)驗(yàn)室中離線標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，通過(guò)高精度電控平臺(tái)帶動(dòng)攝像機(jī)做兩組相互獨(dú)立三正交運(yùn)動(dòng)，利用foe點(diǎn)的性質(zhì)列出線性方程，可以唯一求解出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)；在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)8-點(diǎn)法求解兩幅圖像之間基礎(chǔ)矩陣，進(jìn)而分解本質(zhì)矩陣的方法，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)外參數(shù)的實(shí)時(shí)在線標(biāo)定。具體步驟如下：

步驟1：攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣k的標(biāo)定

利用pi位移電控平臺(tái)控制攝像機(jī)作一組三正交運(yùn)動(dòng)，兩兩正交的三次平移運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)計(jì)算對(duì)應(yīng)的3個(gè)foe點(diǎn)，記做f1,f2,f3。設(shè)foe點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為(ui,vi)，i＝1,2,3。則向量與攝像機(jī)的平移向量平行，如圖2所示。由foe點(diǎn)的性質(zhì)，可以得到有關(guān)fu,fv,u0,v0的三個(gè)約束方程公式(2)、(3)、(4)，

將公式(2)減去式公式(3)和公式(4)，并令x＝u0，可以得到關(guān)于x,y,z的二個(gè)線性約束方程(5)、(6)，顯然，通過(guò)式(5)，(6)不能唯一確定x,y,z，需要再作一次三正交運(yùn)動(dòng)。從二組形如式(5)，(6)的約束方程中線性唯一求解出x,y,z，進(jìn)而求得攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)fu,fv,u0,v0。

步驟2：攝像機(jī)外參數(shù)矩陣[r|t]的標(biāo)定

令左攝像機(jī)光學(xué)中心位于世界坐標(biāo)系o-xyz原點(diǎn)，且無(wú)旋轉(zhuǎn)。左攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系ol-ulvl，有效焦距為fl；右攝像機(jī)的坐標(biāo)系為or-xryrzr，右圖像坐標(biāo)系為or-urvr，有效焦距為fr。

(a)求取基本矩陣，在雙目視覺(jué)系統(tǒng)的公共視場(chǎng)內(nèi)擺放棋盤格標(biāo)定模板，拍攝后得到兩張標(biāo)定板圖像；選取棋盤格上的至少8個(gè)的任意特征點(diǎn)，找出其在兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)。(uil,vil)，(uir,vir)為兩幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)，利用8組點(diǎn)對(duì)的像素坐標(biāo)利用8組點(diǎn)對(duì)的像素坐標(biāo)，求解以下方程組:

其中，

然后對(duì)a的奇異值分解為a＝udv^t，則問(wèn)題(7)的解是v的最后一個(gè)列向量，即f＝v9，有此可構(gòu)造出兩幅圖像之間的基礎(chǔ)矩陣f。

(b)根據(jù)步驟1中得出的左右攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣kl,kr，由e＝kl^tfkr，即可得到本質(zhì)矩陣e。

(c)本質(zhì)矩陣由雙目立體視覺(jué)的內(nèi)外參數(shù)共同決定，根據(jù)e＝[t]xr，其中[t]x為平移矢量t的反對(duì)稱矩陣，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，由步驟(b)中得到的本質(zhì)矩陣e即可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矢量t，從而得到左右攝像機(jī)的外參數(shù)。

步驟3：攝像機(jī)比例因子s的求解

左攝像機(jī)坐標(biāo)系o-xyz與右攝像機(jī)坐標(biāo)系or-xryrzr之間的相互位置關(guān)系可以用步驟2得到的[r|t]矩陣表示成如下形式：

其中，

兩個(gè)攝像機(jī)視場(chǎng)中的三維坐標(biāo)可以表示成：

由(11)式可以看出，已知左右攝像機(jī)的焦距和空間點(diǎn)在2個(gè)攝像機(jī)中圖像坐標(biāo)，帶入旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矢量t的值，就可以求出空間點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值。

用已經(jīng)標(biāo)定出內(nèi)外參數(shù)的雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)去拍攝長(zhǎng)度為l的高精度標(biāo)尺，利用式(11)求得該標(biāo)尺在空間中的三維坐標(biāo)值，從而重建出其三維長(zhǎng)度為l＝2004.1mm，則攝像機(jī)的比例因子

采用步驟1～3，即可計(jì)算雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，從而完成系統(tǒng)的標(biāo)定過(guò)程。