專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于測(cè)量、測(cè)試
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種面向三維測(cè)量的雙目立體攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)以及相對(duì)位置和姿態(tài)參數(shù)的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：雙目立體測(cè)量是指模仿人眼的視覺(jué)功能，利用兩臺(tái)攝像機(jī)從不同角度對(duì)被測(cè)物體拍攝圖像，對(duì)圖像進(jìn)行分析匹配，并通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算該物體的三維幾何信息的方法。雙目立體測(cè)量系統(tǒng)正越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于逆向工程、質(zhì)量檢測(cè)、車(chē)輛導(dǎo)引等各個(gè)領(lǐng)域。雙目立體攝像機(jī)的標(biāo)定是指獲取雙攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和兩個(gè)攝像機(jī)之間的相對(duì)位置和姿態(tài)參數(shù)的過(guò)程，它是雙目立體測(cè)量系統(tǒng)最基本也是最重要的組成部分。已有的攝像機(jī)標(biāo)定方法可以大體分為以下幾類(lèi)(1)利用空間幾何信息精確已知的立體標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定，立體標(biāo)定物一般由2個(gè)或3個(gè)相互垂直的平面構(gòu)成。高精度立體標(biāo)定物不便于制作、成本高，而且不便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)使用。(2)通過(guò)精確控制攝像機(jī)或平面標(biāo)定物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行標(biāo)定。精確的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，很多情況下也不適合現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定。(3)利用二維的平面標(biāo)定模板進(jìn)行單個(gè)攝像機(jī)標(biāo)定的方法。該方法提出至今廣受關(guān)注，但是目前基于平面標(biāo)定模板的標(biāo)定算法的標(biāo)定精度敏感地依賴(lài)于模板上各個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)位置的精度，因此要求精確已知標(biāo)定模板上各個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置，或要求各特征點(diǎn)精確位于若干族平行直線(xiàn)上，根據(jù)ZhengyouZhang在文獻(xiàn)"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration.(TechnicalReport,MSR-TR-98-71，MicrosoftResearch,1998)"中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)平面模板上特征點(diǎn)坐標(biāo)存在5%的誤差，則鏡頭一階徑向畸變系數(shù)的標(biāo)定誤差會(huì)達(dá)到20%以上；即使平面模板上特征點(diǎn)坐標(biāo)存在1%的隨機(jī)誤差，一階徑向畸變系數(shù)也會(huì)有5%左右的標(biāo)定誤差；而當(dāng)平面模板的平面度有1%的誤差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致IO個(gè)像素左右的主點(diǎn)標(biāo)定誤差。這顯然不能很好地滿(mǎn)足工業(yè)測(cè)量的要求。而要嚴(yán)格計(jì)量校準(zhǔn)標(biāo)定板上每一個(gè)特征點(diǎn)的精確位置，并保證標(biāo)定板的嚴(yán)格平面度要求，同樣會(huì)帶來(lái)標(biāo)定板制作困難、成本高以及各特征點(diǎn)和精確計(jì)量的各個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)之間的額外的對(duì)應(yīng)處理問(wèn)題。(4)基于一維的直線(xiàn)標(biāo)定物的標(biāo)定方法。這種方法也需要一維標(biāo)定物上的各特征點(diǎn)間的距離精確已知，且各特征點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格共線(xiàn)方可以獲得較高的標(biāo)定精度。(5)自標(biāo)定方法，這類(lèi)方法不用任何標(biāo)定物，僅僅通過(guò)具有一定重疊的靜態(tài)場(chǎng)景的圖像之間形成的約束對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，雖然這種方法實(shí)施最為簡(jiǎn)單，具有非常高的靈活性，但標(biāo)定精度難以達(dá)到工業(yè)測(cè)量的要求。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)便易行的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的高精度標(biāo)定方法，該方法設(shè)計(jì)并制作一塊平面標(biāo)定模板，標(biāo)定板沒(méi)有嚴(yán)格的平面度要求，其上各個(gè)特征點(diǎn)的位置也不需要精確測(cè)定，只要各個(gè)特征點(diǎn)基本上呈矩形陣列形式排列，且其中有兩個(gè)點(diǎn)之間的距離精確已知即可。對(duì)標(biāo)定模板在不同角度拍攝一組圖像就可以在精確確定標(biāo)定板的實(shí)際幾何信息的同時(shí)，方便地實(shí)現(xiàn)雙目立體攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的高精度標(biāo)定。本發(fā)明提出的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，采用如下技術(shù)方案步驟1.在標(biāo)定板上分布7V行M列易于識(shí)別的特征圓點(diǎn)，設(shè)計(jì)其中5個(gè)特征圓點(diǎn)的直徑明顯大于其它特征圓點(diǎn)的直徑，且它們?cè)陉嚵兄兴幍南鄬?duì)位置能夠區(qū)分它們各自的身份，而且其中有兩個(gè)特征圓點(diǎn)的圓心之間的距離事先經(jīng)過(guò)精確測(cè)定，W行M列特征圓點(diǎn)的行距和列距有一個(gè)基本估計(jì)值即可，分別記為M和Aj)，取標(biāo)定板上一個(gè)特征圓點(diǎn)的中心為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并令每個(gè)特征圓點(diǎn)中心的z坐標(biāo)等于零，每個(gè)特征圓點(diǎn)中心的x和y坐標(biāo)估計(jì)值F和j^可以由該特征圓點(diǎn)在陣列中的序號(hào)以及M和Aj)的值計(jì)算得到；在無(wú)需控制任何運(yùn)動(dòng)參數(shù)的情況下，由立體攝像機(jī)對(duì)標(biāo)定板在三個(gè)以上不同角度拍攝圖像，作為標(biāo)定圖像；步驟2.首先用Canny邊緣檢測(cè)算子提取圖像的邊緣輪廓，再對(duì)標(biāo)定圖像進(jìn)行輪廓的亞像素邊緣提取，并精確確定各個(gè)特征圓點(diǎn)的圓心的亞像素圖像坐標(biāo)；步驟3.在各幅標(biāo)定圖像中，利用5個(gè)大特征圓點(diǎn)的特定分布模式確定它們的身份編號(hào)，然后在單應(yīng)映射的基礎(chǔ)上建立各幅標(biāo)定圖像中其它特征圓點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟4.在不考慮攝像機(jī)鏡頭畸變的情況下，根據(jù)標(biāo)定板到圖像平面的單應(yīng)變換假設(shè)，以及旋轉(zhuǎn)矩陣列向量的單位正交性約束，分別建立兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的約束方程，并求解得到兩個(gè)攝像機(jī)各自的內(nèi)部參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算兩個(gè)攝像機(jī)在各次拍攝時(shí)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)參數(shù)；步驟5.考慮攝像機(jī)鏡頭的徑向和切向畸變，以?xún)蓚€(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和各次拍攝時(shí)兩個(gè)攝像機(jī)分別相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)參數(shù)作為優(yōu)化變量建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行第一次優(yōu)化；步驟6.考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何誤差的影響，以第一次優(yōu)化得到的單個(gè)相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)為初值，將標(biāo)定板上特征圓點(diǎn)中心的空間坐標(biāo)也作為優(yōu)化變量，與其它攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，包括徑向和切向畸變系數(shù)一起再進(jìn)行第二次優(yōu)化；步驟7.根據(jù)第二次優(yōu)化得到的特征圓點(diǎn)中心的空間坐標(biāo)，計(jì)算距離精確已知的那兩個(gè)特征圓點(diǎn)之間的距離，用該距離值與相應(yīng)的實(shí)際精確距離值之間的比例系數(shù)對(duì)第二次優(yōu)化得到的兩個(gè)攝像機(jī)之間的相對(duì)位置向量(平移向量)進(jìn)行比例縮放，從而得到兩個(gè)攝像機(jī)之間的相對(duì)位置向量的最終標(biāo)定結(jié)果，兩個(gè)攝像機(jī)的全部?jī)?nèi)參數(shù)以及它們之間的相對(duì)姿態(tài)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)矩陣)不受尺度縮放的影響，因此直接由第二次優(yōu)化的結(jié)果作為最終標(biāo)定結(jié)果。由于本發(fā)明在初步確定了兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將標(biāo)定板上特征圓點(diǎn)中心的空間坐標(biāo)作為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化求解，并用實(shí)際距離精確已知的兩個(gè)點(diǎn)之間的間距精確恢復(fù)由此帶來(lái)的尺度變化，因此即使標(biāo)定板的平面度以及預(yù)知的標(biāo)定板上特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)的精度不高，本發(fā)明的標(biāo)定方法也能通過(guò)算法優(yōu)化確定實(shí)際的標(biāo)定板幾何信息，從而大大降低了標(biāo)定板的制作和計(jì)量校準(zhǔn)要求，同時(shí)能夠獲得高精度的標(biāo)定效果，這對(duì)于雙目立體測(cè)量系統(tǒng)具有重要意義。圖1:標(biāo)定板示意圖。圖2:雙目立體測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖中1為1號(hào)特征圓點(diǎn)，2為2號(hào)特征圓點(diǎn)，3為3號(hào)特征圓點(diǎn)，4為4號(hào)特征圓點(diǎn)，5為5號(hào)特征圓點(diǎn)，6為支架，7和8分別為兩個(gè)攝像機(jī)。標(biāo)定板的前景和背景的黑白顏色可以互換。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明提出的雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定方法的具體實(shí)施步驟做進(jìn)一步描述。步驟l.制作標(biāo)定板并拍攝標(biāo)定圖像本發(fā)明要求標(biāo)定板上分布iV行M列易于識(shí)別的特征圓點(diǎn)，其中5個(gè)特征圓點(diǎn)的直徑明顯大于其它特征圓點(diǎn)的直徑，且它們?cè)陉嚵兄兴幍南鄬?duì)位置能夠區(qū)分它們各自的身份，標(biāo)定板沒(méi)有嚴(yán)格的平面度要求，各個(gè)特征點(diǎn)的位置也不需要精確測(cè)定，只要標(biāo)定板上有兩個(gè)點(diǎn)之間的距離精確已知即可。圖1為一個(gè)標(biāo)定板實(shí)例。對(duì)于5個(gè)特征圓點(diǎn)，只要從排布位置上看五個(gè)中的每一個(gè)都不同于另一個(gè)就行。就圖1而言，如果沒(méi)有3號(hào)大點(diǎn)，1與2以及4與5就沒(méi)法區(qū)分。而3號(hào)點(diǎn)放在4的旁邊也未嘗不可。在該實(shí)例中，精確測(cè)定1號(hào)和2號(hào)大特征圓點(diǎn)的圓心之間的距離《，取標(biāo)定板上左上角的那個(gè)特征圓點(diǎn)的中心為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以2號(hào)和1號(hào)特征點(diǎn)連線(xiàn)的方向?yàn)閤軸方向，4號(hào)和5號(hào)特征點(diǎn)連線(xiàn)的方向?yàn)閊軸方向,令每個(gè)特征圓點(diǎn)中心的z坐標(biāo)估計(jì)值等于零。由于特征圓點(diǎn)大致成陣列形式排列，因此每個(gè)特征圓點(diǎn)中心的jc和y坐標(biāo)很容易由其所在陣列中的位置以及特征圓點(diǎn)陣列的大致行距和列距值計(jì)算，由此得到第y'個(gè)特征圓點(diǎn)中心的坐標(biāo)估計(jì)值t=[F，^,0f;兩個(gè)攝像機(jī)相距一定間距和角度固定在支架上，如圖2所示，構(gòu)成立體攝像機(jī)對(duì)；由立體攝像機(jī)對(duì)標(biāo)定板在三個(gè)以上不同角度拍攝圖像，作為標(biāo)定圖像。步驟2.標(biāo)定圖像橢圓中心坐標(biāo)提取本發(fā)明采用以下方法確定標(biāo)定板上圓形特征點(diǎn)中心在各幅標(biāo)定圖像上的圖像坐標(biāo)位置首先用Canny邊緣檢測(cè)算子提取圖像的邊緣輪廓，但由于Canny邊緣檢測(cè)算子只能得到整像素精度級(jí)邊緣輪廓，因此邊緣定位精度不高?？紤]標(biāo)定板上圓形特征點(diǎn)成像到標(biāo)定圖像中的楠圓形目標(biāo)邊界均具有較大的曲率，本發(fā)明進(jìn)一步采用了結(jié)合圖像灰度梯度和灰度矩的方法來(lái)進(jìn)行邊界亞像素輪廓提取。在橢圓擬合時(shí)候，使用亞像素邊界進(jìn)行成像橢圓擬合，擬合的橢圓中心即是標(biāo)定板上特征圓中心的圖像坐標(biāo)。提取出的各橢圓中心的圖像坐標(biāo)存在一個(gè)鏈表Z"中，留待下一步使用。步驟3.特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)本發(fā)明采用單應(yīng)變換的理論建立圓點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)針孔攝像機(jī)模型，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(1)其中5為比例系數(shù);[XJ,zf'為點(diǎn)X在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；m=["《是X在圖像平面上的像點(diǎn)轉(zhuǎn)換成像素表示的坐標(biāo);R和t分別為從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣和平移變換向量;A是攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)其中的["。，v。f為圖像平面的主點(diǎn)坐標(biāo)，a、-表示在圖像"軸、v軸方向的以像素為單位的焦距參數(shù)，y為扭曲系數(shù)。由于中心投影把一張平面上的點(diǎn)映射為另一張平面上的點(diǎn)，因此在針孔攝像機(jī)模型下，針對(duì)平面標(biāo)定模板的成像過(guò)程可以認(rèn)為是一個(gè)射影變換過(guò)程，可以用非奇異3x3單應(yīng)矩陣H表示，艮口環(huán)*=HX*(3)其中，m、[w,v,lf'是圖像坐標(biāo)的齊次形式，X、[x,乂l]T表示被拍攝平面上的點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。利用標(biāo)定模板上5個(gè)大圓明顯大于其它特征圓且分布呈特定模式的特性，辨別它們的身份。然后根據(jù)5個(gè)大圓中心的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)定板上的平面坐標(biāo)估計(jì)值，求出標(biāo)定模板到圖像平面的單應(yīng)變換矩陣H。對(duì)于標(biāo)定板上第y個(gè)特征圓點(diǎn)，如果存在m-H(i")||<T,m""'v其中文"、[F,j^,ir,T是閾值，則視m為標(biāo)定板上第y個(gè)特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)。步驟4.單個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的初始估計(jì)平面標(biāo)定模板與其所成圖像之間的單應(yīng)矩陣與攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)間存在如下關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中r,、r,分別是攝像機(jī)相對(duì)于標(biāo)定板上的世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R的前兩個(gè)列向量。將H矩陣寫(xiě)為H^h,h2h小則有h！=Ar"h2=Ar2,h3=At利用旋轉(zhuǎn)矩陣列向量r,、！"2的單位正交性，可以得出以下約束方程:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>由公式(6)可以看出，每拍攝一次標(biāo)定板的圖像可以得到兩個(gè)線(xiàn)性約束方程，而矩陣A中有5個(gè)未知量需要標(biāo)定，那么如果有w幅圖像，則可以得到2"個(gè)線(xiàn)性方程。所以，當(dāng)《23時(shí)，就可以求解矩陣A中的5個(gè)未知量。根據(jù)(5)式可進(jìn)一步得到每次拍攝時(shí)攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的外部參數(shù)r,=/lA—'h,,r2=/lA—'h2(7)r3=rxr2,t=義A—'h3其中義=1/|卜-'h』=l/||A-'h2||。分別對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)執(zhí)行上述求解過(guò)程，得到左右兩個(gè)相機(jī)的各自的內(nèi)外參數(shù)a,、r;、t;和A。r:、t:(上標(biāo)'表示第/次拍攝，下標(biāo),和r分別表示左攝像機(jī)和右攝像機(jī))。要說(shuō)明的是，由于標(biāo)定板上特征點(diǎn)的坐標(biāo)可能存在一定的誤差，本發(fā)明只將這一步獲得的參數(shù)作為單個(gè)攝像機(jī)的初步標(biāo)定結(jié)果。步驟5.考慮畸變效應(yīng)的雙攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的一次優(yōu)化根據(jù)上一步標(biāo)定出的第z'次拍攝時(shí)左、右攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)參數(shù)r;、t;、r;.、t:，計(jì)算右攝像機(jī)到左攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量r:2'=r;r:—',(8)其中r:-'表示r二的逆矩陣。取攝像機(jī)的鏡頭非線(xiàn)性畸變模型為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中a、&是徑向畸變系數(shù)，a、a為切向畸變參數(shù)，[x;/r為理想針孔模型下的圖像坐標(biāo)，[x'y;T為畸變效應(yīng)作用下的實(shí)際圖像坐標(biāo)。a、&、a、a與式(2)矩陣A中的元素統(tǒng)稱(chēng)為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)?？紤]非線(xiàn)性畸變效應(yīng)，對(duì)雙攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行第一步優(yōu)化。具體方法是以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中A(a"u〖,",/4R;，t;，:^)是根據(jù)平面標(biāo)定模板上的特征點(diǎn)的初始值iM吏用針孔模型加非線(xiàn)性畸變模型計(jì)算出來(lái)的第y個(gè)特征圓點(diǎn)在左攝像機(jī)第z幅圖像上的圖像坐標(biāo)，mf是標(biāo)定板上第/個(gè)特征圓點(diǎn)在左攝像機(jī)第,l亮圖像上識(shí)別出的真實(shí)特征圓點(diǎn)圖像坐標(biāo)，m;是左攝像機(jī)第/幅圖像上識(shí)別出的特征圓點(diǎn)個(gè)數(shù)；*(\,仏《,;;^,1^;,、2,,、2,,)是根據(jù)^使用針孔模型加非線(xiàn)性畸變模型計(jì)算出來(lái)的在右攝像機(jī)第/幅圖像上的圖像坐標(biāo)，mf是標(biāo)定板上第y'個(gè)特征點(diǎn)在右攝像機(jī)第i幅圖像上的實(shí)際投影圖像坐標(biāo)，》,:是右攝像機(jī)第/幅圖像上識(shí)別出的特征圓點(diǎn)個(gè)數(shù)。在這一步優(yōu)化中保持標(biāo)定板上的特征圓點(diǎn)的空間坐標(biāo)f不變，a,,a,,r;t;的初始值由步驟4中解線(xiàn)性方程系統(tǒng)得到，^;和《的初始值設(shè)為o，r.2,和u的初始值取各次拍攝計(jì)算得到的r:2,和t:2,的平均值。步驟6.考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何影響的二次優(yōu)化通常的標(biāo)定算法都假定標(biāo)定物體上的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)均精確已知。這一假定帶來(lái)的問(wèn)題是，如果己知的標(biāo)定物上的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)精度不高，則最終的標(biāo)定精度會(huì)受到明顯影響；而若要確定標(biāo)定物上所有點(diǎn)的高精度的三維坐標(biāo)，則勢(shì)必給標(biāo)定物的制作和測(cè)量校準(zhǔn)提出很高的要求。為此，本發(fā)明假定標(biāo)定板上各特征圓點(diǎn)的預(yù)先給定的坐標(biāo)f存在一定的誤差，因此在步驟5進(jìn)行第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將標(biāo)定模板上的各特征圓點(diǎn)中心的實(shí)際坐標(biāo)X7也作為變量納入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行第二次優(yōu)化，具體目標(biāo)函數(shù)為幼卜卜"M"《'"'R"t;nxOir,-=1>1這里優(yōu)化變量除了a,,《,《,"，w,R;，t;,a,,^,《,K,《，R,.2,,t,2,以外還包括x'。a,^U〖^,;4，R;,t;,a,.W,《,(p"Ra人2,的初始值取步驟5中一次優(yōu)化的輸出結(jié)果，x'的初始值取為f。步驟7.比例縮放由于標(biāo)定模板上的各個(gè)特征圓點(diǎn)中心的實(shí)際坐標(biāo)XJ也參與了優(yōu)化過(guò)程，會(huì)使得雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果相差一個(gè)比例因子。為此，本發(fā)明根據(jù)優(yōu)化后得到的1號(hào)特征圓點(diǎn)中心和2號(hào)特征圓點(diǎn)中心的坐標(biāo)，計(jì)算它們之間的距離&,根據(jù)4和標(biāo)準(zhǔn)距離《之間的比值，對(duì)二次優(yōu)化得到的參數(shù)t,.2,乘以比例系數(shù)《M，得到最終標(biāo)定出的右攝像機(jī)到左攝像機(jī)之間的平移向量。兩個(gè)攝像機(jī)的全部?jī)?nèi)參數(shù)以及它們之間的相對(duì)姿態(tài)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)矩陣)不受尺度縮放的影響，因此直接由步驟6中的結(jié)果作為最終標(biāo)定結(jié)果。這樣即得到雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的全部?jī)?nèi)、外參數(shù)的最后的標(biāo)定結(jié)果。本發(fā)明在初步確定了兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮了標(biāo)定板幾何誤差的影響，進(jìn)一步將標(biāo)定板上特征圓點(diǎn)中心的空間坐標(biāo)作為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化求解，并用實(shí)際距離精確已知的兩個(gè)點(diǎn)之間的間跑精確恢復(fù)由此帶來(lái)的尺度變化，因此即使標(biāo)定板的平面度以及預(yù)先給定的標(biāo)定板上特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)的精度不高，本發(fā)明的標(biāo)定方法也能通過(guò)算法優(yōu)化確定實(shí)際的標(biāo)定板幾何信息，從而大大降低了標(biāo)定板的制作和計(jì)量校準(zhǔn)要求，同時(shí)能夠獲得高精度的標(biāo)定效果。下面結(jié)合一個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明方法的有益效果。該實(shí)施例采用分辨率為1392x1040的兩個(gè)數(shù)字CCD攝像機(jī)和50WW焦距的兩個(gè)光學(xué)鏡頭；兩個(gè)攝像機(jī)放置在帶有三機(jī)云臺(tái)的三角架上；系統(tǒng)的標(biāo)定程序以VC+十6.0為工具編寫(xiě)，在Windows2000平臺(tái)上運(yùn)行。用普通打印機(jī)打印出圖l所示的標(biāo)定模板圖案，黏貼于普通平板玻璃上，特征圓點(diǎn)陣列的設(shè)計(jì)行距和列距均為15mm，用萬(wàn)工顯測(cè)出l號(hào)和2號(hào)大特征圓點(diǎn)中心間的距離為89.977。用兩個(gè)攝像機(jī)對(duì)標(biāo)定板在不同角度拍攝5次，得到5個(gè)圖像對(duì)共10幅圖像。應(yīng)用本發(fā)明方法對(duì)該雙目立體攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果為左攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)A產(chǎn)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>右攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>左右攝像機(jī)的相對(duì)姿態(tài)和位置關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>根據(jù)標(biāo)定出的系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)分析三維空間點(diǎn)的再投影誤差利用標(biāo)定結(jié)果將標(biāo)定模板上的三維特征點(diǎn)坐標(biāo)按照標(biāo)定出的系統(tǒng)內(nèi)、外參數(shù)投影到左右攝像機(jī)的圖像平面，得到在相應(yīng)內(nèi)、外部參數(shù)下的標(biāo)定模板特征圓點(diǎn)的象素坐標(biāo)A,=&,化)，分別計(jì)算A,和實(shí)際圖像中提取出的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的象素坐標(biāo)m之間的平均誤差mean，最大誤差max，方差和sse以及標(biāo)準(zhǔn)偏差stddev。表1不考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何影響的重投影誤差(單位像素)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表l給出了不考慮標(biāo)定板幾何誤差(包括標(biāo)定板平面度以及其上特征圓點(diǎn)中心坐標(biāo)誤差)影響的情況下，得到的再投影誤差。表2是考慮了標(biāo)定板實(shí)際幾何影響，將特征圓點(diǎn)中心的實(shí)際坐標(biāo)作為優(yōu)化變量參與二次優(yōu)化，得到的再投影誤差。對(duì)比表1和表2可以看出，雙目立體攝像機(jī)參數(shù)在不考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何影響的情況下，特征點(diǎn)的再投影平均誤差在0.18個(gè)象素上下浮動(dòng)，最大誤差達(dá)到0.57個(gè)象素；使用本發(fā)明提出的考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何影響進(jìn)行二次優(yōu)化之后，特征點(diǎn)的再投影平均誤差和最大誤差分別減小到0.04個(gè)象素和0.16個(gè)象素，可見(jiàn)再投影誤差顯著降低。在兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)以及二者之間的相對(duì)位置和姿態(tài)參數(shù)確定以后，可以利用光學(xué)三角形原理計(jì)算出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，除了上述對(duì)再投影誤差的分析，我們還利用本發(fā)明方法標(biāo)定得到的系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)間距精確值為90mw的兩個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行了反求，50次測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到的這兩個(gè)點(diǎn)間的平均距離為90.02126畫(huà)，相對(duì)誤差均值為0.0236%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.3924X1()-3附附。而用不考慮標(biāo)定板實(shí)際幾何參數(shù)影響得到的系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同樣實(shí)驗(yàn)，得到的這兩個(gè)點(diǎn)間的平均距離為90.03406mw，相對(duì)誤差均值為0.0378%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.1650X10—3mm，誤差水平為本發(fā)明方法的1.6倍。由此進(jìn)一步說(shuō)明，使用本發(fā)明方法可以明顯提高雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的精度。權(quán)利要求1、一種雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟步驟1.制作標(biāo)定板并拍攝標(biāo)定圖像采用特殊設(shè)計(jì)的平面標(biāo)定板，其上分布易于識(shí)別的矩形陣列形式的特征圓點(diǎn)，其中5個(gè)特征圓點(diǎn)的直徑明顯大于其它特征圓點(diǎn)的直徑，且它們?cè)陉嚵兄兴幍南鄬?duì)位置能夠區(qū)分它們各自的身份，標(biāo)定板沒(méi)有嚴(yán)格的平面度要求，各個(gè)特征點(diǎn)的位置也不需要精確測(cè)定，只要標(biāo)定板上有兩個(gè)點(diǎn)之間的距離精確已知即可；利用特征圓點(diǎn)在陣列中的位置以及特征圓點(diǎn)陣列的大致行距和列距值計(jì)算得到第j個(gè)特征圓點(diǎn)中心的坐標(biāo)估計(jì)值<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msup><mover><mi>X</mi><mo>~</mo></mover><mi>j</mi></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mo>[</mo><msup><mover><mi>x</mi><mo>~</mo></mover><mi>j</mi></msup><mo>,</mo><msup><mover><mi>y</mi><mo>~</mo></mover><mi>j</mi></msup><mo>,</mo><mn>0</mn><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>;</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S2008100206865C00011.gif"wi="113"he="21"img-content="drawing"img-format="tif"/-->由立體攝像機(jī)對(duì)標(biāo)定板在三個(gè)以上不同角度拍攝圖像，作為標(biāo)定圖像；步驟2.確定標(biāo)定板上每個(gè)圓形特征點(diǎn)中心在各幅標(biāo)定圖像上的圖像坐標(biāo)位置首先用Canny邊緣檢測(cè)算子提取圖像的邊緣輪廓；進(jìn)一步采用結(jié)合圖像灰度梯度和灰度矩的方法來(lái)進(jìn)行邊界亞像素輪廓提??；在橢圓擬合時(shí)候，使用亞像素邊界進(jìn)行成像橢圓擬合，擬合的橢圓中心即是標(biāo)定板上特征圓中心的圖像坐標(biāo)；提取出的各橢圓中心的圖像坐標(biāo)存在一個(gè)鏈表Lu，v中，留待下一步使用；步驟3.特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)由于中心投影把一張平面上的點(diǎn)映射為另一張平面上的點(diǎn)，因此在針孔攝像機(jī)模型下，針對(duì)平面標(biāo)定模板的成像過(guò)程可以用非奇異3×3單應(yīng)矩陣H表示，即sm*＝HX*(1)其中，m*＝[u，v，1]T是圖像坐標(biāo)的齊次形式，X*＝[x，y，1]T表示被拍攝平面上的點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；利用標(biāo)定模板上5個(gè)大圓明顯大于其它特征圓且分布呈特定模式的特性，辨別它們的身份；然后根據(jù)5個(gè)大圓中心的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的標(biāo)定板上的平面坐標(biāo)估計(jì)值，求出標(biāo)定模板到圖像平面的單應(yīng)變換矩陣H；對(duì)于標(biāo)定板上第j個(gè)特征圓點(diǎn)，如果存在<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>m</mi><mo>-</mo><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><msup><mover><mi>X</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mo>*</mo><mi>j</mi></mrow></msup><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mo>&lt;</mo><mi>&tau;</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mo>&Element;</mo><msup><mi>L</mi><mrow><mi>u</mi><mo>,</mo><mi>v</mi></mrow></msup></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0002"file="S2008100206865C00021.gif"wi="183"he="27"img-content="drawing"img-format="tif"/-->其中<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msup><mover><mi>X</mi><mo>~</mo></mover><mrow><mo>*</mo><mi>j</mi></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mo>[</mo><msup><mover><mi>x</mi><mo>~</mo></mover><mi>j</mi></msup><mo>,</mo><msup><mover><mi>y</mi><mo>~</mo></mover><mi>j</mi></msup><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>]</mo></mrow><mi>T</mi></msup><mo>,</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0003"file="S2008100206865C00022.gif"wi="123"he="19"img-content="drawing"img-format="tif"/-->τ是閾值，則視m為標(biāo)定板上第j個(gè)特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)；步驟4.單個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的初始估計(jì)平面標(biāo)定模板與其所成圖像之間的單應(yīng)矩陣與攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)間存在如下關(guān)系H＝A[r1r2t](2)其中r1、r2分別是攝像機(jī)相對(duì)于標(biāo)定板上的世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R的前兩個(gè)列向量，t為從世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；A是攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣，表示為全文摘要一種雙目立體測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，屬于測(cè)量、測(cè)試
技術(shù)領(lǐng)域：
。采用有特征圓點(diǎn)陣列的平面標(biāo)定板，其中有兩個(gè)特征圓點(diǎn)中心的距離精確已知；對(duì)標(biāo)定板在三個(gè)以上角度拍攝圖像；在針孔模型下，用線(xiàn)性方法求解兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)初值；考慮畸變效應(yīng)，以?xún)蓚€(gè)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)為優(yōu)化變量進(jìn)行第一次優(yōu)化；進(jìn)一步將標(biāo)定板上特征圓點(diǎn)中心的空間坐標(biāo)也作為優(yōu)化變量，進(jìn)行第二次優(yōu)化；用計(jì)算距離與已知精確距離的比值對(duì)相機(jī)間的平移向量進(jìn)行比例縮放，得到該參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果，兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)姿態(tài)參數(shù)取第二次優(yōu)化的結(jié)果。本發(fā)明方法考慮了標(biāo)定板幾何誤差的影響，降低了標(biāo)定板的制作和計(jì)量校準(zhǔn)要求，同時(shí)能夠獲得高精度的標(biāo)定結(jié)果。文檔編號(hào)G01C11/30GK101231750SQ20081002068公開(kāi)日2008年7月30日申請(qǐng)日期2008年2月21日優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日發(fā)明者輝張,張麗艷申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)