[发明专利]一种基于固定相机和单靶标的单轴旋转角的视觉测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于固定相机和单靶标的单轴旋转角的视觉测量方法，属于视觉测量技术领域。

背景技术

角位移测量广泛应用于工业、航空航天等领域。由于在恶劣的环境中，角位移传感器的电气、机械等参数会发生变化，因此需要定期对其进行标定矫正。视觉测量技术因具有结构简单，非接触实时测量，现场安装和调试方便等优点而备受青睐。现有的视觉测角方法分为双目视觉和单目视觉的方法。双目视觉方法，因其公共视场小，安装复杂而受到很大的限制。现有的单目视觉的方法大都对靶标的安装有一定的要求，安装难度大。因此，本专利申请提出了一种基于固定相机和单靶标的单轴旋转角的视觉测量方法，该方法对靶标的安装没有任何要求。另外，本发明对有遮挡的情况同样成立，更加实用。

发明内容

本发明提出了一种基于固定相机和单靶标的单轴旋转角的视觉测量方法，它是一种利用单目相机对绕轴旋转运动的旋转角进行测量的方法。它解决了现有视觉测角方法中靶标安装困难的问题。同时，本发明对有遮挡的情况同样适用，实用性很好。

该方法，通过二维靶标，对相机内参及相对于轴的外参数进行标定，进而测量旋转角，该方法对靶标安装没有任何要求，可以将靶标固定到任意位置。

本发明采用的摄像机模型为非线性透视投影模型，模型描述如下：

1.线性摄像机模型

如图(1)所示，空间任何一点P在图像中的成像位置可以用针孔成像模型近似表示，即点P在图像中的投影位置p，为光心O与点P的连线与图像平面的交点。因而世界坐标系下P点坐标(X_w,Y_w,Z_w)^T与投影点p的像素坐标(u,v)^T之间的关系如下：

其中α_x＝f/dX为u轴上的尺度因子，α_y＝f/dY为v轴上的尺度因子。α_x,α_y,u₀,v₀只与摄像机内部参数有关，称为摄像机的内参数。R_cw,T_cw分别为相机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵和平移向量，称为摄像机的外部参数。

1.非线性摄像机模型

实际上，镜头并不是理想的透视成像，而是带有一定程度的畸变。本发明采用的是非线性畸变模型，由世界坐标(X_w,Y_w,Z_w)^T求取像素坐标(u,v)^T的过程如下：

x＝X_c/Z_c,y＝Y_c/Z_c,r²＝x²+y², (1.3)

其中，k₁,k₂,k₃,k₄,k₅为畸变系数。α_x,α_y,u_0,v₀,k₁,k₂,k₃,k₄,k₅构成摄像机的内参数，R_cw,T_cw为摄像机的外参数。

为描述方便，我们记u,v为p_in＝(α_x,α_y,u₀,v₀,k₁,k₂,k₃,k₄,k₅)^T,R_cwxT_cw,X_w,Y_w,Z_w的函数，即