[发明专利]基于四套共线约束标定尺的大视场相机标定方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量领域，涉及一种基于四套共线约束标定尺的大视场相机标定方法。

背景技术

随着社会的不断进步，工业生产中面临越来越多的测量问题，如何提高测量的精度与效率成为相关研究领域的热点问题。视觉测量具有非接触，实时性好，效率高以及能够实现在机测量的优点，近年来在工业测量以及机械制造领域应用广泛，引起了极大的关注。相机标定环节作为视觉测量中关键的一部分，标定结果的精度将直接决定最终测量结果的精度。现阶段用于视觉测量的标定方法主要有三种：传统视觉测量方法、相机自标定方法以及基于主动视觉的相机标定方法；相机的自标定方法是依靠多目相机拍摄图片上一定数量具有对应关系的特征点进行标定，只需要利用多幅拍摄的图片即可实现，理论应用范围广，但是该方法鲁棒性较差精度难以保证；基于主动视觉的相机标定方法是利用相机之间的已知相对位置变换进行求解的，该方法鲁棒性较好，但是相机之间的精确位置关系难以保证，应用范围有限；传统相机标定方法主要是结合高精度的标准参照物进行标定，具有易操作、精度高优点，其中张氏标定法以及Tsai两步法是目前应用最为广泛的标定方法。针对大视场相机标定，南京航空航天大学的张丽艳等人于2012年在《光学学报》第九期发表了文章《面向大视场视觉测量的摄像机标定技术》，提出了利用三坐标测量机带动发光标志点在空间构建虚拟立体靶标的大视场标定方法，该方法摆脱了传统标定方法必须依靠标定物的局限，但是测量范围有限，且需要大量测量点标定效率较低。

发明内容

本发明为了解决现有标定方法针对大视场标定有一定局限性的问题，发明了一种基于四套共线约束标定尺的大视场相机标定方法。其目的是针对大视场标定中传统标定方法的高精度标定物难以加工，测量精度难以保证的问题，通过在大视场测量空间柔性布置标定控制点，并且结合四套共线约束标定尺，编写了相关Matlab运算以及图像提取函数，对标定结果进行了整体优化，实现了大视场相机的高精度标定。

本发明采用的技术方案是一种基于四套共线约束标定尺的大视场相机标定方法，其特征是，通过在大型视觉测量视场内布置四套共线约束标定尺，利用交比不限性质以及直线约束求解畸变参数，通过空间的标定控制点，线性求解标定参数的初值，最后结合畸变系数以及标定初值利用L-M优化方法，以重投影误差最小为目标函数进行整体优化，得到大视场相机标定的精确结果，具体标定步骤如下：

(1)根据视场适应原则布置标定控制点

通过在测量现场视场中心布置圆形标定控制点1的方法求解相机标定的初始参数，由于标定控制点直接关系到优化求解的复杂程度，过多的点将增大计算量，使标定效率降低；过少的点得到的标定精度较低，不能满足测量要求，所以根据视场适应的原则提出了大视场标定控制点的数量公式：

N=ceil(15f2whL2)---(1)]]>

其中，N是需要布置的标定控制点(1)的数量，根据计算要求N的数值要大于等于8，f是相机测量的焦距，L是左、右相机(7、8)距离被测零件的距离，w是相机图像传感器的水平尺寸，h是相机图像传感器的竖直尺寸；ceil函数表示取比括号内计算值大的最小整数，这样根据现场的实际情况就可以合理布置标定控制点。

(2)求解标定初始参数

标定控制点1在空间中的三维世界坐标为[X_wY_wZ_w1]^T，投影到成像平面上对应的平面坐标为[xy1]^T，相应的像素坐标为[uv1]^T，根据直接线性变换原理将像点和物点的成像几何关系在齐次坐标下写成透视投影矩阵的形式如下：