[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

说明书

本发明公开了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，其包括构建旋转光学测量系统，建立用于转台中心和摄像机光心对准的虚拟坐标系，对摄像机标定得到摄像机的内外参数，计算摄像机坐标系与虚拟坐标系之间的旋转矩阵，利用旋转矩阵将摄像机光心映射到世界坐标系中与标靶平面垂直且平行于标靶上边缘的虚拟平面上，对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。本发明通过建立虚拟坐标系统将3D空间的圆拟合降维到2D空间，实现对摄像机的外部参数矩阵进行修正，并采用最小二乘平面圆拟合法计算转台中心，实现利用摄像机光心的位置信息准确地确定转台中心的位置，提高了旋转中心的计算精度。

技术领域

本发明涉及旋转光学测量系统技术领域，具体涉及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。

背景技术

近年来，基于摄影测量原理的光学测量方法以其速度快、非接触、精度高、灵活性强等优点得到了迅速发展。光学测量是坐标测量、轨迹测量或曲面重建的有效方法之一。它广泛应用于三维传感器测量、全景图像拼接、航空航天、国防建设、工业制造等各个领域。

在大视场或360°环形测量中，由于摄像机视场的限制，需要将摄像机固定在旋转装置上形成旋转光学测量系统，对目标进行扫描测量。通过对摄像机旋转获得的多个视场数据进行拼接，可以得到被测物体的三维信息。目前，大多数旋转光学测量系统都是基于全站仪或经纬仪与摄像机的结合。例如：将普通数码相机安装在全站仪的水平轴支架上，构成计算机辅助摄影测量系统(CAPS)；将内部参数已知的量测型数码相机安装在全站仪的望远镜上，构成摄影全站仪系统(PTSS)的测量系统，扩大测量视场和提高测量精度；也可将经纬仪和摄像机组成大视角精密测量系统(TCs)。全站仪或经纬仪可以给出控制点的空间坐标，有助于设置旋转过程中摄像机的关系，但增加了系统的成本、体积，测量的复杂性。

为了降低系统成本和测量的复杂性，一般采用非量测相机和简单的旋转平台组成的旋转光学测量系统。为了测量数据的可靠和后期的数据融合，需要保证测量系统安装时，摄像机的光心与旋转机构的旋转中心重合，否则系统的安装误差会导致最终测量结果中的误差，特别是对物体进行近距离测量时误差较为明显。因此，为了提高旋转光学测量系统的测量精度，需要对摄像机镜头的光心与旋转机构旋转中心的位置偏差进行精确标定，以指导系统的安装和调整。

在旋转光学测量系统中，摄像机固定安装在旋转平台上，形成刚体连接，当转台旋转时，摄像机与转台的相对位置关系保持不变。如果摄像机的光心没有通过转台中心，那么在旋转过程中摄像机光心相对于转台中心的运动轨迹为一个圆。摄像机光心与转台中心的距离越近，圆轨迹的半径越短。当摄像机的光心与转台中心重合时，理论上圆的半径应减小为0。但在实际安装中，由于成像系统是由多个透镜组成，很难准确计算和确定摄像机光心的真实位置。因此，如何保证摄像机的光心通过旋转机构的旋转中心是一个挑战。

为了计算摄像机的光心与转台中心的距离，可以利用摄像机标定的思想来解决旋转光学测量系统的对准问题。利用张正友的基于二维(2D)标靶的摄像机标定原理，控制摄像机随着转台的转动，标定出摄像机所在位置相对于参考世界系的旋转矩阵和平移矩阵用以计算摄像机的光心位置。标定时，相机转动过程中，转台平面与参考世界坐标系中的水平面严格平行，摄像机的光心的轨迹在平行于世界坐标水平面的一个圆上，可以用平面圆拟合得到的转台中心坐标。

然而，在转台的旋转过程中，转台除了绕轴转动之外，若转台平面与参考世界坐标系中的水平面存在小角度倾斜，摄像机的光心轨迹严格意义上应分布在一个空间圆上。由于标定所的相机光心数目的限制，空间圆拟合误差很大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种提高旋转中心计算精度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，通过建立虚拟平面坐标系统将3D空间的圆拟合降维到2D空间，实现对摄像机的外部参数矩阵进行修正，并采用最小二乘平面圆拟合法计算转台中心，实现利用摄像机光心的位置信息准确地确定转台中心的位置，提高了旋转中心的计算精度。