專利名稱：雙目視覺位移測量誤差的測算方法及測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙目視覺位移測量誤差的測算方法及測量系統(tǒng)，更具體地，涉及 用于測算在具體測量環(huán)境下的雙目視覺位移測量誤差的方法及裝置。
背景技術(shù)：
雙目視覺技術(shù)是計算機視覺領(lǐng)域的重要技術(shù)，雙目視覺技術(shù)能夠通過兩個相機的 內(nèi)外參數(shù)和兩個相機成像平面上的對應(yīng)點坐標來重建空間一點坐標。如圖1所示，I1和I2 分別是左右兩個相機的成像平面，C1和C2分別是左右兩個相機的光心，在空間某一平面π 上有一點Μ,該M點在I1和I2上的投影點分別為P1和P2 (即，光心C1和點M的連線以及光 心C2和點M的連線分別與成像平面I1和I2的交點)，將兩個成像平面I1和I2分別與平面 η的交線稱為極線，必過極線。由對極幾何關(guān)系可知，如果知道兩個相機光 心C1和C2之間的距離、光心C1和C2分別到成像平面I1和I2的距離(焦距)、兩成像平面 I1和I2的夾角等雙目視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)以及像平面I1上的點P1的坐標，即可確定e2 (相 應(yīng)地，通過像平面I2上的點P2的坐標也可以確定ei)，則P1的對應(yīng)點P2必在極線上(可以 利用匹配算法在極線上搜索P2),再通過P1和P2的坐標，即可唯一確定平面η上的某一點 的空間坐標。利用雙目視覺技術(shù)重構(gòu)空間一點坐標和該點的實際坐標之間的誤差被稱為雙目 視覺測量誤差，雙目視覺測量誤差可作為指導雙目視覺測量系統(tǒng)參數(shù)選擇的標準。在現(xiàn)有 技術(shù)中存在對雙目視覺測量誤差的計算技術(shù)，雙目視覺測量技術(shù)(余慧杰，韓平疇.光學技 術(shù)[J]. 2007，33 (Suppl)，156-160)分析了兩相機相對位置關(guān)系誤差引起的雙目視覺測量 誤差，雙目視覺系統(tǒng)的測量誤差分析(陳杰春，丁振良.三維重構(gòu)不確定度的兩階估計方 法.光學精密工程[J] · 2008,16(6), 1110-1116)借助于不確定度傳遞原理估計了雙目視覺 測量誤差。這兩種誤差估計(分析)方法均屬于數(shù)學模型法，可作為通用的雙目視覺測量 誤差計算方法。由于對測量環(huán)境要求低、與被測量物不接觸及測量原理簡單等優(yōu)點，因此雙目視 覺技術(shù)還被廣泛地應(yīng)用于運動測量領(lǐng)域。因為各個運動參數(shù)均可由位移量導出，所以運動 測量的核心是位移測量并且運動測量誤差可由位移測量誤差表示。在雙目視覺運動測量技 術(shù)中，現(xiàn)場測量環(huán)境下的位移測量誤差是評價運動測量水平的重要指標。上述雙目視覺測量誤差并非雙目視覺位移測量誤差，這兩種誤差并不完全一樣， 并且，由于數(shù)學模型誤差計算方法往往不考慮具體測量環(huán)境，而雙目視覺測量方法對環(huán)境 光又非常敏感，不同環(huán)境光效果下的測量結(jié)果差別很大，所以數(shù)學模型方法不能計算具體 測量環(huán)境下的誤差。另外，數(shù)學模型誤差計算方法可以體現(xiàn)測量誤差的變化趨勢，可作為指 導測量參數(shù)選擇的依據(jù)，但不能準確計算誤差數(shù)值。因此，迄今為止，還不存在一種測算在 現(xiàn)場環(huán)境下的雙目視覺位移測量誤差的方法及相應(yīng)的測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種能夠測算在現(xiàn)場環(huán)境下的雙目 視覺位移測量誤差的方法及相應(yīng)的測量系統(tǒng)。雙目視覺位移測量誤差的測算方法包括以下步驟步驟1，將標記物設(shè)置在標準 量具的尺頭上；步驟2，分別沿立體空間的三維坐標系中的三個坐標軸方向平行地布置標 準量具，調(diào)節(jié)標準量具以使標記物分別沿三個坐標軸方向隨尺頭移動，并獲取標記物的位 移的實際值；步驟3，利用雙目視覺位移測量裝置獲得標記物的位移的測量值；步驟4，通過 對位移的實際值和測量值的差的絕對值計算算術(shù)平均值來分別獲得在三個坐標軸方向上 的位移測量誤差，再通過對三個坐標軸方向上的位移測量誤差進行計算以獲得整個測量范 圍內(nèi)的誤差。雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)包括標準量具(螺旋千分尺、游標卡尺等)， 標準量具具有尺頭，將標記物設(shè)置在標準量具的尺頭上以使標記物隨尺頭移動；雙目視覺 位移測量裝置，用于利用雙目視覺技術(shù)對標記物的位移進行測量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中通過雙目視覺技術(shù)來重建空間一點坐標的示意圖；圖2是本發(fā)明提供的用于測算在現(xiàn)場環(huán)境下的雙目視覺位移測量誤差的系統(tǒng)的 示意圖；圖3是本發(fā)明中的位移測量視場的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實施例進行詳細描述。本發(fā)明提供一種測算在現(xiàn)場環(huán)境下的雙目視覺位移測量誤差的方法。下面具體描 述該方法。首先，如圖2所示，將標記物11設(shè)置在標準量具1的尺頭上，標準量具1可以是螺 旋千分尺、游標卡尺等標準測量工具，本實施例中的標準量具1以螺旋千分尺作為示例。標 記物11是經(jīng)過特殊涂裝的圓球零件，經(jīng)過涂裝的圓球零件對光照非常敏感，從而可以將標 記物11同其所處的背景顯著區(qū)分。有多種方式將標記物11設(shè)置在標準量具1的尺頭上， 例如，利用螺釘?shù)葘擞浳?1固接在一個圓環(huán)上，再將固接了標記物11的圓環(huán)套在標準量 具1的尺頭上并進行固定。然后，利用標準量具1準確調(diào)節(jié)標記物11的位移，位移是按步進方式給出的，步長 應(yīng)大于雙目視覺位移測量裝置3的最小分辨率，步數(shù)應(yīng)該盡量多，步數(shù)越多測算的越準確。 標準量具1的測量范圍應(yīng)與雙目視覺位移視場范圍2 —致，且精度應(yīng)該大于雙目視覺位移 測量裝置3的設(shè)計測量精度。通過調(diào)節(jié)標準量具1來調(diào)節(jié)標記物11的位移具體包括調(diào)節(jié)標 準量具1的位移方向、單次位移距離和位移次數(shù)。如圖2所示，位移方向包括測量視場范圍 2的長(L)、寬(W)、高(H)三個方向，可以通過設(shè)置千分尺的位置來實現(xiàn)位移方向的調(diào)節(jié)， 圖2所示為將標準量具1與W方向平行設(shè)置，通過該設(shè)置可以測量沿著W方向移動的標記 物11的位移，還可以將標準量具1分別與L和H方向平行設(shè)置以分別測量沿著L方向和H方向移動的標記物11的位移。在進行位移測量時，需要定義位移測量視場，如圖3所示，一 般令位移測量視場為立方體，設(shè)置該立方體中點0，分別在圖示坐標系下的L、W及H三個方 向上轉(zhuǎn)動千分尺，令標記物11發(fā)生位移。L方向垂直于基線，指向遠端被測物體，即雙目視 覺測量系統(tǒng)的景深方向，W方向平行于基線方向，H方向垂直于L-W構(gòu)成的平面。標記物11 的具體位移方式是按步長1和位移步數(shù)η轉(zhuǎn)動千分尺來進行的。步長1和位移步數(shù)η同位 移測量視場范圍2相關(guān)，L、W及H三個測量方向上的IXn應(yīng)當分別與對應(yīng)的范圍近似，L、 W及H三個測量方向的測量范圍分別是0 L、0 W及0 H，在此前提下根據(jù)測量精度要 求定義步長1，步數(shù)η應(yīng)當盡量多，這樣誤差樣本就會越大，誤差計算也越準確。假設(shè)在某一 方向上按步長1和位移步數(shù)η移動標記物11，進行每次位移后標記物11實際的位移是Ii, 對每次位移后的標記物11的位置進行測量，記該時刻標記物11的位置為Pi,則根據(jù)測得的 標記物11的位置計算位移，這一步測量位移Ii' = Pi-Pg，然后計算在某一方向上的測量誤
差均值e=1/nΣ|li-li', L、W及H三個測量方向上的測量誤差分別被記為 ei, ew 和eh,則全
視場的位移測量誤差為e=√eH2+ew2+eL2。。在以上描述的對每次位移后的標記物11的位置進行測量時，需要利用雙目視 覺測量原理，重構(gòu)某時刻的標記物11空間坐標。先標定雙目視覺測量系統(tǒng)，標定方法可 以采用“一種靈活的攝像機標定新技術(shù)”(Zhang Zhengyou. Aflexible new technique for camera calibration.IEEE Transaction on Pattern Analysisand Machine Intelligence,22(11) =1300-1334,2000)中描述的標定方法進行標定；然后在左右相機圖 片上提取標記物11，根據(jù)灰度分割提取標記物11的成像區(qū)域，提取該區(qū)域重心，根據(jù)左右 圖像上的兩個中心坐標重構(gòu)標記物11中心的空間坐標，以這一坐標表示標記物11的空間 位置。本發(fā)明還提供一種雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括 標準量具1和雙目視覺位移測量裝置3。通過使用該系統(tǒng)來實施上述測算在現(xiàn)場環(huán)境下的 雙目視覺位移測量誤差的方法，可以獲得雙目視覺位移測量誤差。應(yīng)用本發(fā)明在某具體測量環(huán)境下(測量范圍10X 10X 10mm)使用螺旋千分尺測量
的測量數(shù)據(jù)見下表 0.0878 mm,e = 0.0852 mm,^ = 0.2006 mm,全場的位移測量誤差記
為忍=“2+“2+。,2 = 0.2350 mm?？芍琔景深)方向上位移測量誤差較大，在平行于 像平面的兩個方向上位移測量誤差較小。通過本發(fā)明提供的雙目視覺位移測量誤差的測算方法及測量系統(tǒng)能夠測算在現(xiàn) 場環(huán)境下的雙目視覺位移測量誤差。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種雙目視覺位移測量誤差的測算方法，該方法包括以下步驟步驟1，將標記物設(shè)置在標準量具的尺頭上；步驟2，分別沿立體空間的三維坐標系中的三個坐標軸方向平行地布置標準量具，調(diào)節(jié)標準量具以使標記物分別沿三個坐標軸方向隨尺頭移動，并獲取標記物的位移的實際值；步驟3，利用雙目視覺位移測量裝置獲得標記物的位移的測量值；步驟4，通過對位移的實際值和測量值的差的絕對值計算算術(shù)平均值來分別獲得在三個坐標軸方向上的位移測量誤差，再通過對三個坐標軸方向上的位移測量誤差進行計算以獲得整個測量范圍內(nèi)的誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙目視覺位移測量誤差的測算方法，其中，在所述步驟4中， 通過分別對三個坐標軸方向上的位移測量誤差進行平方計算后再對所獲得的平方值進行 求和，然后對所求得的和計算算術(shù)平方根以獲得整個測量范圍內(nèi)的誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙目視覺位移測量誤差的測算方法，其中，所述標記物是 經(jīng)過涂裝的圓球零件，經(jīng)過涂裝的圓球零件對光照非常敏感。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙目視覺位移測量誤差的測算方法，其中，在所述步驟2 中，以步進方式調(diào)節(jié)標準量具以使標記物分別沿三個坐標軸方向隨尺頭移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙目視覺位移測量誤差的測算方法，其中，所述標準量具 是螺旋千分尺或游標卡尺。
6.一種雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)，包括標準量具，標準量具具有尺頭，將標記物設(shè)置在標準量具的尺頭上以使標記物隨尺頭 移動；雙目視覺位移測量裝置，用于利用雙目視覺技術(shù)對標記物的位移進行測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)，其中，分別沿立體空間的三維坐標系中的三個坐標軸方向平行地布置標準量具，調(diào)節(jié)標準量 具以使標記物分別沿三個坐標軸方向隨尺頭移動，對由雙目視覺位移測量裝置測量得到的位移的測量值和標準量具移動標記物的位移 的實際值進行計算以獲得雙目視覺位移測量誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)，其中，以步進方式調(diào) 節(jié)所述標準量具以使標記物隨尺頭移動。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的雙目視覺位移測量誤差的測量系統(tǒng)，其中，所述標記物是 經(jīng)過涂裝的圓球零件，經(jīng)過涂裝的圓球零件對光照非常敏感。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于標準量具(螺旋千分尺或游標卡尺)的雙目視覺位移測量誤差的測算方法及測量系統(tǒng)。該方法包括以下步驟將標記物設(shè)置在標準量具的尺頭上；分別沿立體空間的三維坐標系中的三個坐標軸方向平行地布置標準量具，調(diào)節(jié)標準量具以使標記物分別沿三個坐標軸方向隨尺頭移動，并獲取標記物的位移的實際值；通過對位移的實際值和測量值的差的絕對值計算算術(shù)平均值來分別獲得在三個坐標軸方向上的位移測量誤差，再通過對三個坐標軸方向上的位移測量誤差進行計算以獲得整個測量范圍內(nèi)的誤差。該系統(tǒng)包括標準量具(螺旋千分尺或游標卡尺)和雙目視覺測量裝置。
文檔編號G01B11/03GK101900531SQ20101023108
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者劉檢華, 寧汝新, 王小寅 申請人:北京理工大學