[发明专利]虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法

权利要求书

1.一种虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建旋转光学测量系统，具体包括：

一旋转台、由两个相互垂直的平移台组成并设置在所述旋转台上的伺服控制单元、一设置在所述伺服控制单元上的摄像机、一设置在所述摄像机前方的棋盘格标靶以及一执行对准方法的处理单元；

S2、基于旋转光学测量系统建立用于转台中心和摄像机光心对准的虚拟坐标系，具体为：

基于步骤S1构建的旋转光学测量系统中棋盘格标靶所处的世界坐标系建立用于转台中心和摄像机光心对准的虚拟坐标系，所述虚拟坐标系的原点设置于摄像机光心，所述虚拟坐标系的X_p轴与世界坐标系的Y_w轴平行且同向设置，所述虚拟坐标系的Y_p轴与世界坐标系的X_w轴平行且同向设置，所述虚拟坐标系的Z_p轴与世界坐标系的Z_w轴平行且反向设置；

S3、对旋转光学测量系统的摄像机标定得到摄像机的内外参数，并计算摄像机光心在世界坐标系下的位置坐标；

S4、根据摄像机的内外参数计算摄像机坐标系与虚拟坐标系之间的旋转矩阵；

S5、利用旋转矩阵将摄像机光心通过虚拟坐标系映射到世界坐标系下与标靶平面垂直且平行于标靶上边缘的虚拟平面上，具体为：

根据摄像机坐标系与虚拟坐标系之间的关系，利用旋转矩阵将摄像机光心通过虚拟坐标系映射到世界坐标系的O_w-Y_wZ_w平面上；所述映射的关系式为：

M＝R_cpR^T(M_ci-T)

其中，M表示摄像机光心在世界坐标系的O_w-Y_wZ_w平面上的坐标，M_ci表示摄像机光心在摄像机坐标系下的坐标，R_cp表示摄像机坐标系与虚拟坐标系之间的旋转矩阵，R^T表示摄像机与标靶之间的旋转矩阵，T表示摄像机与标靶之间的平移向量；

S6、对映射后的摄像机光心采用最小二乘平面圆拟合得到拟合圆心，作为转台中心与摄像机光心对准。

2.根据权利要求1所述的虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，所述步骤S3对旋转光学测量系统的摄像机进行标定，得到摄像机的内外参数具体为：

利用步骤S1构建的旋转光学测量系统中的摄像机拍摄多幅不同角度的标靶图像；

根据小孔成像模型，对标靶图像采用张氏标定方法计算多个单应性矩阵；

利用单应性矩阵计算摄像机的内外参数，并计算摄像机光心在世界坐标系中的位置坐标；

其中摄像机的内部参数包括摄像机内部参数矩阵，摄像机的外部参数包括旋转矩阵和平移向量。

3.根据权利要求1所述的虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，所述步骤S6中对映射后的摄像机光心采用最小二乘平面圆拟合得到拟合圆心具体为：

重复步骤S3至S5，利用虚拟坐标系得到多个映射到世界坐标系的O_w-Y_wZ_w平面上的摄像机光心二维坐标(y_i,z_i)，再采用最小二乘平面圆对多个摄像机光心坐标进行拟合，得到拟合圆心(y₀,z₀)。

4.根据权利要求3所述的虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，所述拟合过程的目标函数C_i设定为：

其中，N表示摄像机的旋转次数，R表示拟合圆的半径。

5.根据权利要求4所述的虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，所述对准方法还包括：

重复步骤S3至S6得到多个拟合圆心O_ri，再对多个拟合圆心O_ri求平均值作为转台中心与摄像机光心对准。

6.根据权利要求5所述的虚拟坐标系辅助摄像机标定的旋转光学测量系统对准方法，其特征在于，所述对准方法还包括：

调整摄像机光心对准转台中心再次重复步骤S3至S5得到多个摄像机光心坐标对多个摄像机光心坐标求平均值得到新的转台中心O_r，作为转台中心与摄像机光心对准。