本發(fā)明涉及三維測(cè)量和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域,是一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法。
背景技術(shù):
在三維重建,結(jié)構(gòu)光測(cè)量,全景視頻獲取等各計(jì)算機(jī)視覺的研究方向中,相機(jī)都是重要的測(cè)量和圖像信號(hào)獲取手段。準(zhǔn)確地標(biāo)定相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)是很多計(jì)算機(jī)視覺研究中的重要步驟。因此,對(duì)于相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定方法的研究一直是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)熱門方向。
目前主流的相機(jī)標(biāo)定方法分為三類,分別為傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定方法,相機(jī)自標(biāo)定方法以及主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法。與其他兩種方法相比,主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法在應(yīng)用的時(shí)候一般將相機(jī)放置在可精確讀取移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)參數(shù)的精密平臺(tái)上,利用已知的相機(jī)移動(dòng)信息建立關(guān)于相機(jī)參數(shù)的方程,具有標(biāo)定速度快、可自動(dòng)化和標(biāo)定精度高等特點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,使用本發(fā)明的標(biāo)定方法不僅減少人力,而且提高了標(biāo)定的效率,提高標(biāo)定的準(zhǔn)確率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,包括:如下步驟:
步驟一:以液晶面板的左上角為原點(diǎn)建立世界坐標(biāo)系,面板平面為z=0平面,z軸向外,記錄顯示屏中各標(biāo)定板特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo),用標(biāo)定相機(jī)拍攝顯示在液晶面板上的標(biāo)定板;
步驟二:控制器控制標(biāo)定板的位置平移運(yùn)動(dòng)多次,重復(fù)記錄各特征點(diǎn)坐標(biāo),標(biāo)定相機(jī)重復(fù)拍攝標(biāo)定板;
步驟三:控制器控制旋轉(zhuǎn)裝置多次轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)裝置上的液晶面板也轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角,重復(fù)步驟一、步驟二,采集標(biāo)定板各特征點(diǎn)世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及采集相機(jī)拍攝標(biāo)定板得到的圖片;
步驟四:計(jì)算相機(jī)平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);同一相機(jī)在不同位置拍攝空間中同一點(diǎn),得到的該點(diǎn)的不同像素坐標(biāo)稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn),在相差一個(gè)常數(shù)因子的情況下,通過兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)解出基礎(chǔ)矩陣F,通過公式Fe=0解得此平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);
步驟五:利用相機(jī)的平移運(yùn)動(dòng)信息和極點(diǎn)坐標(biāo)建立方程,計(jì)算從世界坐標(biāo)到相機(jī)坐標(biāo)的相機(jī)內(nèi)外參數(shù),內(nèi)外參數(shù)包括:平移向量tp,內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp;
步驟六:將計(jì)算得到的內(nèi)外參數(shù)作為初值進(jìn)行最速下降擬合優(yōu)化,得到最終結(jié)果。
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,步驟三:控制器控制旋轉(zhuǎn)裝置多次轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)裝置上的液晶面板也轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角,重復(fù)步驟一、步驟二,采集標(biāo)定板各特征點(diǎn)世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及采集相機(jī)拍攝標(biāo)定板得到的圖片;旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)大于或等于5次。
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,
步驟四:計(jì)算相機(jī)平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);同一相機(jī)在不同位置拍攝空間中同一點(diǎn),得到的該點(diǎn)的不同像素坐標(biāo)稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn),對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素坐標(biāo)分別為m1和m2,利用公式在相差一個(gè)常數(shù)因子的情況下,通過兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)解出基礎(chǔ)矩陣F,再通過公式Fe=0解得此平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,
步驟五:利用相機(jī)的平移運(yùn)動(dòng)信息和極點(diǎn)坐標(biāo)建立方程,計(jì)算從世界坐標(biāo)到相機(jī)坐標(biāo)的相機(jī)內(nèi)外參數(shù),內(nèi)外參數(shù)包括:平移向量tp,內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp;
面板中兩點(diǎn)的世界坐標(biāo)為P1和P2,其在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:
若面板中的點(diǎn)由從P2移動(dòng)到P1,則相當(dāng)于相機(jī)沿向量進(jìn)行了一次平移運(yùn)動(dòng),此平移運(yùn)動(dòng)在相機(jī)坐標(biāo)系中表示為:
由極點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)向量之間的關(guān)系可以得到λ1e1=KRpT0,
令A(yù)=KRp,A有九個(gè)未知量,如下所示:
假設(shè)平移運(yùn)動(dòng)向量T0=(t11,t12,t13),極點(diǎn)坐標(biāo)為e1=(e11,e12,1);
將A展開為一維的列向量整理得到
在標(biāo)定板完成兩次位置變換之后,需要將液晶面板轉(zhuǎn)動(dòng)5至10度,使得接下來的運(yùn)動(dòng)與前兩次運(yùn)動(dòng)不在同一平面內(nèi);在這一步驟中,需要人為測(cè)量液晶面板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,以便將面板轉(zhuǎn)動(dòng)后測(cè)量得到的標(biāo)定板位置坐標(biāo)統(tǒng)一到初始的世界坐標(biāo)系中;本文提出的方法在標(biāo)定時(shí)利用的是液晶面板中標(biāo)定板的運(yùn)動(dòng)向量Tc,由于向量的平移不變性,液晶面板旋轉(zhuǎn)前后位置的平移變化并不影響標(biāo)定精度,可簡(jiǎn)單地設(shè)為(0,0,0);
求解矩陣A后,假設(shè)矩陣A、內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp具有以下形式;
按照下面公式分解矩陣A得到內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp;
每一點(diǎn)在液晶面板中的坐標(biāo),即空間坐標(biāo)為M,定義相機(jī)實(shí)際拍攝標(biāo)定板中特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為m;解得相機(jī)的內(nèi)矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣后,可得
其中
整理上面各式得到
αtp1+γtp2+(u0-m1)tp3=b2m1-αb1-γb2-u0b3
βtp2+(v0-m2)tp3=b3m2-βb2-v0b3;
公式中共有三個(gè)未知數(shù),每一個(gè)空間中點(diǎn)可以建立兩個(gè)方程,因此至少需要兩個(gè)空間點(diǎn)來計(jì)算平移向量t;
假設(shè)液晶面板中標(biāo)定板共有i個(gè)特征點(diǎn),利用標(biāo)定得到的參數(shù)K,Rp,tp,由Mi根據(jù)公式λm=K(RM+t)計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)為定義下面這個(gè)函數(shù)計(jì)算兩坐標(biāo)值之間的差異為:
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,步驟六:將計(jì)算得到的內(nèi)外參數(shù)作為初值進(jìn)行最速下降擬合優(yōu)化,得到最終結(jié)果;最速下降擬合優(yōu)化的定義為:也稱為梯度下降法,要使用梯度下降法找到一個(gè)函數(shù)的局部極小值,必須向函數(shù)上當(dāng)前點(diǎn)對(duì)應(yīng)梯度(或者是近似梯度)的反方向的規(guī)定步長(zhǎng)距離點(diǎn)進(jìn)行迭代搜索。具體步驟如下:a)求目標(biāo)函數(shù)梯度;b)向梯度相反的方向移動(dòng)x;c)循環(huán)迭代步驟b,直到目標(biāo)函數(shù)自變量的值變化到使得目標(biāo)函數(shù)取值在兩次迭代之間的差值足夠?。籨)此時(shí),輸出自變量,這個(gè)自變量就是使得目標(biāo)函數(shù)取值最小時(shí)的自變量的取值。
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,旋轉(zhuǎn)裝置組成有:連接于液晶面板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,連接于轉(zhuǎn)動(dòng)軸并讀取轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的讀取器。
前述的一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,控制器為intelPentium 4中央處理器。
本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明提供一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,本發(fā)明采用主動(dòng)視覺原理,利用已知的標(biāo)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)建立線性方程組進(jìn)行求解;使用本發(fā)明的標(biāo)定方法不僅減少人力,而且提高了標(biāo)定的效率,提高標(biāo)定的準(zhǔn)確率。
附圖說明
圖1是本發(fā)明標(biāo)定裝置一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明的液晶面板中標(biāo)定板平移運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖3為本發(fā)明的液晶面板坐標(biāo)系建立方式與旋轉(zhuǎn)方式示意圖。
圖4是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)裝置的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖中附圖標(biāo)記的含義:
1液晶面板,2旋轉(zhuǎn)裝置,3標(biāo)定相機(jī),201轉(zhuǎn)動(dòng)軸,202讀取器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,包括:如下步驟:
步驟一:以液晶面板1的左上角為原點(diǎn)建立世界坐標(biāo)系,面板平面為z=0平面,z軸向外,記錄顯示屏中各標(biāo)定板特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo),用標(biāo)定相機(jī)3拍攝顯示在液晶面板1上的標(biāo)定板。
步驟二:控制器控制標(biāo)定板的位置平移運(yùn)動(dòng)多次,重復(fù)記錄各特征點(diǎn)坐標(biāo),標(biāo)定相機(jī)3重復(fù)拍攝標(biāo)定板。
步驟三:控制器控制旋轉(zhuǎn)裝置2多次轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)裝置2上的液晶面板1也轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角,重復(fù)步驟一、步驟二,采集標(biāo)定板各特征點(diǎn)世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及采集相機(jī)拍攝標(biāo)定板得到的圖片;作為一種優(yōu)選,旋轉(zhuǎn)裝置2轉(zhuǎn)動(dòng)5次以上為宜;需要說明的是:物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,相機(jī)在位置不變的情況下拍攝在液晶面板1中的位置變化的標(biāo)定板,并且將標(biāo)定所需要的特征點(diǎn)的選取位置局限在標(biāo)定板內(nèi),可以等效地看作標(biāo)定板位置不變,相機(jī)做了相應(yīng)地平移運(yùn)動(dòng)。液晶面板1中標(biāo)定板的移動(dòng)即相當(dāng)于相機(jī)在相反方向完成里一次平移運(yùn)動(dòng)。如圖2左所示,標(biāo)定板在液晶面板1中向右平移一段距離,等效于圖2右中標(biāo)定板位置不變,相機(jī)平移向左移動(dòng)相同距離。
步驟三:計(jì)算相機(jī)平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);同一相機(jī)在不同位置拍攝空間中同一點(diǎn),得到的該點(diǎn)的不同像素坐標(biāo)稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn),對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素坐標(biāo)分別為m1和m2,利用公式在相差一個(gè)常數(shù)因子的情況下,通過兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)解出基礎(chǔ)矩陣F,再通過公式Fe=0解得此平移運(yùn)動(dòng)的極點(diǎn)坐標(biāo);
步驟四:利用相機(jī)的平移運(yùn)動(dòng)信息和極點(diǎn)坐標(biāo)建立方程,計(jì)算從世界坐標(biāo)到相機(jī)坐標(biāo)的相機(jī)內(nèi)外參數(shù),內(nèi)外參數(shù)包括:平移向量tp,內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp;
面板中兩點(diǎn)的世界坐標(biāo)為P1和P2,其在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:
若面板中的點(diǎn)由從P2移動(dòng)到P1,則相當(dāng)于相機(jī)沿向量進(jìn)行了一次平移運(yùn)動(dòng),此平移運(yùn)動(dòng)在相機(jī)坐標(biāo)系中表示為:
由極點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)向量之間的關(guān)系可以得到λ1e1=KRpT0,
令A(yù)=KRp,A有九個(gè)未知量,如下所示:
假設(shè)平移運(yùn)動(dòng)向量T0=(t11,t12,t13),極點(diǎn)坐標(biāo)為e1=(e11,e12,1);
將A展開為一維的列向量整理得到
在標(biāo)定板完成兩次位置變換之后,需要將液晶面板1轉(zhuǎn)動(dòng)5至10度,使得接下來的運(yùn)動(dòng)與前兩次運(yùn)動(dòng)不在同一平面內(nèi);在這一步驟中,需要人為測(cè)量液晶面板1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,以便將面板轉(zhuǎn)動(dòng)后測(cè)量得到的標(biāo)定板位置坐標(biāo)統(tǒng)一到初始的世界坐標(biāo)系中;本方法在標(biāo)定時(shí)利用的是液晶面板1中標(biāo)定板的運(yùn)動(dòng)向量Tc,由于向量的平移不變性,液晶面板1旋轉(zhuǎn)前后位置的平移變化并不影響標(biāo)定精度,可簡(jiǎn)單地設(shè)為(0,0,0);
求解矩陣A后,假設(shè)矩陣A、內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp具有以下形式;
按照下面公式分解矩陣A得到內(nèi)參數(shù)矩陣K和旋轉(zhuǎn)矩陣Rp;
每一點(diǎn)在液晶面板1中的坐標(biāo),即空間坐標(biāo)為M,定義相機(jī)實(shí)際拍攝標(biāo)定板中特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為m;解得相機(jī)的內(nèi)矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣后,可得
其中
整理上面各式得到
αtp1+γtp2+(u0-m1)tp3=b2m1-αb1-γb2-u0b3
βtp2+(v0-m2)tp3=b3m2-βb2-v0b3;
公式中共有三個(gè)未知數(shù),每一個(gè)空間中點(diǎn)可以建立兩個(gè)方程,因此至少需要兩個(gè)空間點(diǎn)來計(jì)算平移向量t;
假設(shè)液晶面板1中標(biāo)定板共有i個(gè)特征點(diǎn),利用標(biāo)定得到的參數(shù)K,Rp,tp,由Mi根據(jù)公式λm=K(RM+t)計(jì)算得到的圖像坐標(biāo)為定義下面這個(gè)函數(shù)計(jì)算兩坐標(biāo)值之間的差異為:
步驟五:將計(jì)算得到的內(nèi)外參數(shù)作為初值進(jìn)行最速下降擬合優(yōu)化,得到最終結(jié)果。最速下降擬合優(yōu)化的定義為:也稱為梯度下降法,要使用梯度下降法找到一個(gè)函數(shù)的局部極小值,必須向函數(shù)上當(dāng)前點(diǎn)對(duì)應(yīng)梯度(或者是近似梯度)的反方向的規(guī)定步長(zhǎng)距離點(diǎn)進(jìn)行迭代搜索。具體步驟如下:a)求目標(biāo)函數(shù)梯度;b)向梯度相反的方向移動(dòng)x;c)循環(huán)迭代步驟b,直到目標(biāo)函數(shù)自變量的值變化到使得目標(biāo)函數(shù)取值在兩次迭代之間的差值足夠小;d)此時(shí),輸出自變量,這個(gè)自變量就是使得目標(biāo)函數(shù)取值最小時(shí)的自變量的取值。
如圖1所示,標(biāo)定裝置組成有:標(biāo)定相機(jī)3,連接于標(biāo)定相機(jī)3的液晶面板1,連接于液晶面板1的旋轉(zhuǎn)裝置2。如圖4所示,旋轉(zhuǎn)裝置2組成有:連接于液晶面板1的轉(zhuǎn)動(dòng)軸201,連接于轉(zhuǎn)動(dòng)軸201并讀取轉(zhuǎn)動(dòng)軸201轉(zhuǎn)動(dòng)角度的讀取器202。
作為一種實(shí)施例,控制器為intel Pentium 4中央處理器,此為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最低配,其他中央處理器能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明內(nèi)容的也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
與傳統(tǒng)的手動(dòng)標(biāo)定方法相比,此方法可以在計(jì)算機(jī)控制的平臺(tái)下按照安排好的流程進(jìn)行標(biāo)定。傳統(tǒng)標(biāo)定方法中,需要預(yù)先制作帶有一定樣式圖案的標(biāo)定板,并在標(biāo)定過程中不斷改變標(biāo)定板位置與角度,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本方法中,將標(biāo)定板圖案顯示在顯示屏中,省去了制作實(shí)物標(biāo)定板的步驟,同時(shí)將改變標(biāo)定板位置的步驟改為變換標(biāo)定板在顯示屏中的顯示位置,可以做到瞬間完成,提高了標(biāo)定速度。
傳統(tǒng)的標(biāo)定板一般采用打印方法制作,打印精度在0.1mm左右,其標(biāo)定圖案不可避免的存在誤差。而液晶顯示屏幕的像素尺寸在微米級(jí)別,因此利用顯示器顯示的標(biāo)定板可以將其誤差控制在微米精度。另外,傳統(tǒng)的標(biāo)定方法由于標(biāo)定板移動(dòng)前后相對(duì)位置無法精確測(cè)量,在計(jì)算得出相機(jī)參數(shù)的過程中只是利用了標(biāo)定板上對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的關(guān)系建立方程,本方法利用位置可控的標(biāo)定板,將運(yùn)動(dòng)參數(shù)加入到計(jì)算中,提高了標(biāo)定的準(zhǔn)確率。
本發(fā)明提供一種基于可變標(biāo)定目標(biāo)的主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定方法,本發(fā)明采用主動(dòng)視覺原理,利用已知的標(biāo)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)建立線性方程組進(jìn)行求解;使用本發(fā)明的標(biāo)定方法不僅減少人力,而且提高了標(biāo)定的效率,提高標(biāo)定的準(zhǔn)確率。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解,上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明,凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案,均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。