一种双目视觉下的转轴标定方法

一种双目视觉下的转轴标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉技术领域，涉及一种双目视觉下的转轴标定方法。
【背景技术】
[0002] 双目视觉，是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图 像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。基于双目视觉的 双目测量技术是机器视觉的一种重要形式，是利用两个摄像机模拟人眼的结构对空间特征 点进行测量，它是融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，可以获得明显的深度 感，建立特征间的对应关系，把空间中一点在不同图像中的映像点对应起来。在双目测量技 术中，通常人们会将被测物体置于旋转台上，使被测物体在旋转台的旋转下随之旋转，从而 实现被测物体360度的测量，而为了保证被测物体随旋转台旋转之后测量的准确性，就需 要对旋转台标定，找出旋转台旋转轴线的中心位置以及方向。
[0003] 目前，旋转轴标定一般有两种方法：一种方法是针对计算机视觉测量中旋转轴标 定的方法，其主要由标准平面或高精度且半径已知的标准球来实现，被标定的视觉测量设 备首先从多个旋转位置获取标准平面或标准球的表面三维数据，然后根据三维点数据拟合 出平面或球的表面方程，最后根据平面或标准球的几何特征求取出旋转台的旋转轴线的位 置；但是这种方法需要标准平面或高精度半径已知的标准球来作为标定板，并且需要在多 个位置获取平面或标准球的表面三维数据，使得对于标定板的要求就比较高，且会造成标 定成本比较高，标定效率比较低。
[0004] 另外一种方法是利用球形标靶，旋转若干个位置后再通过灰度值跳变像素的寻找 粗略寻出标靶的边缘，然后根据标靶边缘上相邻像素点之间的曲率变化对边缘进行筛选， 得到准确的球形标靶边缘点，进而使用最小二乘法获取球形标靶的圆心，最后再通过每个 圆心三维点数据进行拟合平面来求取旋转轴。在寻找标靶边缘的过程中阈值选取的精确程 度直接影响着边缘的确定，而阈值的选取通常是根据灰度值跳变以及经验值来确定，存在 很大的不确定性；其次，在计算的时候数据计算量也是比较大的。
[0005] 综上，现有的对旋转轴标定的方法中，存在需要额外制作标记圆或标定球，使得标 定装置比较复杂，且需要通过一定的计算方法来获取标记点，从而导致标定效率低。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是提供一种双目视觉下的转轴标定方法，解决了现有技术中存在的 标定装置复杂，且需要通过大量的计算来获取标记点而导致标定效率低的问题。
[0007] 本发明所采用的技术方案是，一种双目视觉下的转轴标定方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，将旋转台置于两个摄像机的视场内，并将标定板摆放于旋转台上，使得旋 转台在旋转前后标定板整体都处于两个摄像机的共同视场范围内；两个摄像机分别记为左 摄像机和右摄像机；
[0009] 步骤2,利用左摄像机和右摄像机同时对标定板的角点进行检测，选取距离旋转台 中心最远的一个角点记为标记点Q1U1, yi，Z1);将旋转台依次旋转至少两个角度，选取距离 旋转台中心最远的两个角点并分别记为标记点Q2(x；i，y2, zJ和标记点%，zO，上述3 个标记点均位于同一水平面上；其中标记点Ql在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为 Q11 (U1, V1)和Q11 (u2, v2),标记点Q2在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为Q12 (u/，v/ ) 和(^2(112'，<)，标记点〇3在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为〇 13(111"^1")和 Qr3(u2〃，v2");
[0010] 步骤3,分别求取3个标记点在世界坐标系下的三维坐标；
[0011] 步骤4,根据步骤3中得到的三个标记点的三维坐标，求取旋转轴的方向以及旋转 台的圆心坐标，从而完成对转轴的标定。
[0012] 本发明的特点还在于，
[0013] 步骤1中标定板为棋盘格。
[0014] 步骤3具体为：
[0015] 步骤3. 1，分别对左摄像机和右摄像机进行标定，得到左摄像机的参数矩阵和右摄 像机的参数矩阵；
[0016] 步骤3. 2,分别根据左摄像机和右摄像机的参数矩阵得到左摄像机的投影矩阵 Ml、右摄像机的投影矩阵M2 ;
[0017] 其中，左摄像机的投影矩阵Ml记为：
【主权项】
1. 一种双目视觉下的转轴标定方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，将旋转台置于两个摄像机的视场内，并将标定板摆放于旋转台上，使得旋转台 在旋转前后标定板整体都处于两个摄像机的共同视场范围内；两个摄像机分别记为左摄像 机和右摄像机； 步骤2,利用左摄像机和右摄像机同时对标定板的角点进行检测，选取距离旋转台中心 最远的一个角点记为标记点Q1U1, yi，Z1);将旋转台依次至少旋转两个角度，选取距离旋 转台中心最远的两个角点并分别记为标记点Q 2U2, y2, z2)和标记点Q3(x3, y3, z3),上述3 个标记点均位于同一水平面上；其中标记点Ql在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为 Q11 (U1, V1)和Q11 (u2, v2),标记点Q2在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为Q12 (u/ , v/ ) 和(^2(112'，<)，标记点〇3在左摄像机和右摄像机中的坐标分别记为〇 13(111"^1")和 Qr3(u2〃，v2"); 步骤3,分别求取3个标记点在世界坐标系下的三维坐标； 步骤4,根据步骤3中得到的三个标记点的三维坐标，求取旋转轴的方向以及旋转台的 圆心坐标，从而完成对转轴的标定。
2. 根据权利要求1所述的一种双目视觉下的转轴标定方法，其特征在于，所述步骤1中 标定板为棋盘格。
3. 根据权利要求1所述的一种双目视觉下的转轴标定方法，其特征在于，所述步骤3具 体为： 步骤3. 1，分别对左摄像机和右摄像机进行标定，得到左摄像机的参数矩阵和右摄像机 的参数矩阵； 步骤3. 2,分别根据左摄像机和右摄像机的参数矩阵得到左摄像机的投影矩阵Ml、右 摄像机的投影矩阵M2; 其中，左摄像机的投影矩阵Ml记为：
式中，"#/_ = 1,···,3;./= 1，…,4)分别为左摄像机投影矩阵M1的第i行和第j列元素； 右摄像机的投影矩阵M2记为：
式中，％(/= 1，··_，3:./= 1，···，4)分别为右摄像机投影矩阵M2的第i行和第j列元素； 步骤3. 3,分别根据左摄像机投影矩阵Ml和右摄像机的投影矩阵M2求取标记点Q1、 Q2、Q3在世界坐标系下的三维坐标； 所述求取标记点Ql在世界坐标系下的三维坐标的具体方法如下：
式中，（U1, V1, 1)和（u2, V2, 1)分别为1与Qrt的齐次坐标；(X p Z1,1)是标记点Q1 的齐次坐标，Zc^P Z。2分别是比例系数； 所述求取标记点Q2在世界坐标系下的三维坐标的具体方法如下：
所述求取标记点Q3在世界坐标系下的三维坐标的具体方法如下：
步骤3. 4,通过对步骤3. 3中得到的表达式求解，得到3个标记点的表达式，具体为： 通过对公式12和公式13联立求解，得到标记点Ql的表达式为：
通过对公式14和公式15联立求解，得到标记点Q2的表达式：
通过对公式16和公式17联立求解，得到标记点Q3的表达式为：
步骤3. 5,分别利用最小二乘法求解步骤3. 4中得到的公式9、公式10和公式11，得到 标记点Ql、标记点Q2和标记点Q3在世界坐标系下的三维坐标。
4.根据权利要求1所述的一种双目视觉下的转轴标定方法，其特征在于，所述步骤4中 求取旋转轴方向具体为： 步骤A，选取标定板上的两个标记点组成向量Q1Q2，根据旋转轴向量R(a'，b'，c'）与旋 转台平面上的向量垂直，得到旋转轴向量的第一表达式为： R = Q1Q2XQ2Q3 (21) 或选取旋转台上的其中两个标记点组成向量Q2Q3，得到旋转轴向量的第二表达式为： R = Q2Q1XQ1Q3 (22) 或选取旋转台上的其中两个标记点组成向量Q1Q3，得到旋转轴向量的第三表达式为： R = Q1Q3XQ3Q2 (23) 步骤B，将旋转轴向量的第一表达式展开得： R - (x2-Xj, Y2-Yd Z2-Z1) X (χ3-Χ2，Υ3-Υ2) ^3_(24) 或将旋转轴向量的第二表达式展开得： R = (X1-X2, y「y2, Z1-Z2) X (X3-X1, Y3I1, Z3-Z1) (25) 或将旋转轴向量的第三表达式展开得： R -（Xg-X1, yg-y" Zg-Z1) X (x2_X3，y2_y"3，Z2_Z3) (26) 步骤C，根据步骤B中展开的旋转轴向量的第一表达式可以得到关于旋转轴向量的三 个坐标值a'，b'，c'的表达式为：
或根据步骤B中展开的旋转轴向量的第二表达式可以得到关于旋转轴向量的坐标 a'，b'，c'的表达式为：
或根据步骤B中展开的旋转轴向量的第三表达式可以得到关于旋转轴向量的坐标 a'，b'，c'的表达式为：
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种双目视觉下的转轴标定方法，其特征在 于，所述步骤4中求取旋转台圆形坐标是在旋转台平面上任选两个标记点组成向量，并根 据圆上任意两点的连线的垂直平分线必过圆心的原理来求取旋转台圆形坐标。
【专利摘要】本发明公开了一种双目视觉下的转轴标定方法，包括以下步骤：将旋转台置于两个摄像机的视场内，并将标定板摆放于旋转台上；利用两个摄像机同时对标定板的角点进行检测，选取距离旋转台中心最远的一个角点记为标记点Q1；将旋转台依次旋转两个角度，得到标记点Q2和标记点Q3；分别求取3个标记点在世界坐标系下的三维坐标；将旋转轴与旋转台平面的几何关系转换为向量之间的运算关系，并根据步骤3中得到的任意两个标记点的三维坐标，求取旋转轴的方向以及旋转台的圆心坐标，从而完成对转轴标定。本发明的一种双目视觉下的转轴标定方法，解决了现有技术中存在的标定装置复杂，且需要通过大量的计算来获取标记点而导致标定效率低的问题。
【IPC分类】G01B11-00, G01B11-245
【公开号】CN104634248
【申请号】CN201510058050
【发明人】隋连升, 张毅坤, 支煜, 王凯, 张苓苓, 王娜
【申请人】西安理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月4日