[发明专利]基于编码立体靶标的双目摄像机内外参数的快速标定方法

权利要求书

1.一种基于编码立体靶标的双目摄像机内外参数的快速标定方法，用于双目摄像机的标定图像的采集，该编码立体靶标与两台摄像机在空间相对放置，其中两台摄像机位置固定，所述编码立体靶标由基准板和基准板上连接的多个编码平面靶标组成，基准板和编码平面靶标的空间位置和姿态均可单独调节，所述编码立体靶标的基准板被划分为S个区域，其中每个区域均放置有一个编码平面靶标，其中S为整数且S＞3，所有的编码平面靶标均具有编号，且每个编码平面靶标的编号互不相同，任意两个编码平面靶标的空间姿态具有明显差异，每个编码平面靶标上均设置有多个平行四边形编码单元，每个平行四边形编码单元的编码号互不相同，且同一个编码平面靶标上的所有平行四边形编码单元的编码号具有连续性，编码平面靶标中每一个平行四边形编码单元的内部设置有编码图案，编码图案包括一个定位图案、一个定向图案和编码标志图案，其中编码标志图案又由多个编码单元图案组成；由定向图案和定位图案可实现编码平面靶标旋转方向的判断；编码标志图案则是用于给编码平面靶标中每个标定角点进行编码，且编码单元图案的数量和分布均由其所在的平行四边形编码单元的编号决定；

在任意一个编号为α_τ的编码平面靶标上，任取该编码平面靶标中的一个平行四边形编码单元记为该编码平面靶标向量确定编码单元任取该编码平面靶标向量确定编码单元的一个顶点记为向量确定编码单元第一顶点在该编码平面靶标向量确定编码单元中将相交形成向量确定编码单元第一顶点的任意一条边记为向量确定编码单元第一边在向量确定编码单元第一边上取向量确定编码单元的顶点记为向量确定编码单元第一边上第一点其中向量确定编码单元第一边上第一点与向量确定编码单元第一顶点是互不重合的2个点，记向量为该编码平面靶标的规定向量并且编码平面靶标内的每一个平行四边形编码单元中的定位图案和定向图案的位置关系如下：在同一平行四边形编码单元内由定向图案质心指向定位图案质心的方向与该编码平面靶标的规定向量的方向相同，其特征在于：所述的编码立体靶标的双目摄像机标定方法，主要包括以下步骤：

步骤1、定义左摄像机标定靶标个数阈值G₁，右摄像机标定靶标个数阈值G₂，标定角点个数阈值k₁，编码平面靶标个数阈值k₂，外参标定靶标个数阈值G₃，公共标定角点个数阈值k₃，外参优化靶标个数阈值G₄，其中，G₁、G₂、G₃、G₄、k₁、k₂、k₃均为整数且G₁＞3，G₂＞3，G₃＞1，1≤G₄≤G₃，k₁＞4，k₂＞3，k₃＞1；

步骤2、将左摄像机、右摄像机同时拍摄一次空间中的编码立体靶标获得的图像分别记为左摄像机靶标图像和右摄像机靶标图像，并建立左摄像机靶标图像标定角点像素坐标系o_l-x_ly_l和右摄像机靶标图像标定角点像素坐标系o_r-x_ry_r；

步骤3、建立左摄像机的摄像机坐标系和右摄像机的摄像机坐标系；

步骤4、利用空间中相对位置和绝对位置均固定且具有公共视场的两台摄像机同时拍摄一次空间中放置的编码立体靶标，分别获得第τ次拍摄的左摄像机靶标图像和第τ次拍摄的右摄像机靶标图像；

步骤5、记空间中第τ次移动位置上的编码立体靶标上α_τ号编码平面靶标上的第1行第1个平行四边形编码单元的4个顶点中是标定角点的个数为根据数值的大小，建立对应的α_τ号靶标坐标系α_τ为整数且α_τ∈[1，S]；

步骤6、将第τ次拍摄的左/右摄像机靶标图像作为输入条件，利用编码立体靶标的解码方法，获得第τ次拍摄的左/右摄像机靶标图像中编码平面靶标的个数第τ次拍摄的左、右摄像机靶标图像中每个编码平面靶标的编号、第τ次拍摄的左/右摄像机靶标图像中每个编码平面靶标上提取到的标定角点个数和每个标定角点在左、右摄像机靶标图像标定角点像素坐标系o_l-x_ly_l/o_r-x_ry_r下的亚像素坐标、第τ次拍摄的左/右摄像机靶标图像中每个编码平面靶标上提取到的标定角点的唯一编码序号，以及第τ次拍摄的左/右摄像机靶标图像中每个编码平面靶标上提取到的标定角点在左/右摄像机靶标图像标定角点像素坐标系o_l-x_ly_l/o_r-x_ry_r下的亚像素坐标和与之一一对应的在空间中编码立体靶标上具有相同唯一编码序号的标定角点在相应靶标坐标系下的靶标坐标之间的匹配关系，其中为整数且

步骤7、若且将获得的第τ次拍摄的左摄像机靶标图像上个编码平面靶标的编号按照从小到大的顺序排列，并分别记为其中均为整数；并将第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中编号为的编码平面靶标分别记为第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中的第1个编码平面靶标、第2个编码平面靶标、第3个编码平面靶标、…、第个编码平面靶标；

将获得的第τ次拍摄的右摄像机靶标图像上个编码平面靶标的编号按照从小到大的顺序排列，并分别记为其中均为整数；并将第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中编号为的编码平面靶标分别记为第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中的第1个编码平面靶标、第2 个编码平面靶标、第3个编码平面靶标、…、第个编码平面靶标；

步骤8、统计左、右摄像机靶标图像中满足标定角点阈值的编码平面的个数β_τ,1和β_τ,2；

步骤9、若β_τ,1≥G₁且β_τ,2≥G₂，在第τ次拍摄的左摄像机靶标图像上获得了β_τ,1个满足标定条件的标定靶标，在第τ次拍摄的右摄像机靶标图像上获得了β_τ,2个满足标定条件的标定靶标，以及β_τ,1个左摄像机标定匹配组和β_τ,2个右摄像机标定匹配组；

步骤10、在左摄像机标定靶标集合中和右摄像机标定靶标集合中寻找具有相同靶标标号的编码平面靶标的个数β_τ,3，在第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中共获得了β_τ,3个外参标定靶标和β_τ,3个左摄像机外参标定匹配组，在第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中共获得了β_τ,3个外参标定靶标和β_τ,3个右摄像机外参标定匹配组；

步骤11、若β_τ,3≥G₃，定义整数变量β_τ,4并赋值β_τ,4＝0，取整数变量i_τ并赋值i_τ＝1；

步骤12、根据第τ次拍摄的第i_τ个左摄像机外参标定匹配组和第τ次拍摄的第i_τ个右摄像机外参标定匹配组，统计第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中第i_τ个外参标定靶标上和第τ次拍摄的右摄像机靶标图像上第i_τ个外参标定靶标上具有相同标定角点唯一编码序号的同名标定角点个数

步骤13、若将β_τ,4+1赋值给β_τ,4，将第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中第i_τ个外参标定靶标作为第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中第β_τ,4个外参优化靶标，将第τ次拍摄的第i_τ个左摄像机外参标定匹配组作为第τ次拍摄的第β_τ,4个左摄像机外参优化匹配组，将第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中第i_τ个外参标定靶标作为第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中第β_τ,4个外参优化靶标，将第τ次拍摄的第i_τ个右摄像机外参标定匹配组作为第τ次拍摄的第β_τ,4个右摄像机外参优化匹配组；

步骤14、若β_τ,4≥G₄，则获得第τ次拍摄的左摄像机靶标图像中β_τ,4个外参优化靶标、第τ次拍摄的β_τ,4个左摄像机外参优化匹配组以及第τ次拍摄的右摄像机靶标图像中β_τ,4个外参优化靶标、第τ次拍摄的β_τ,4个右摄像机外参优化匹配组；

步骤15、根据获得的第τ次拍摄的β_τ,1个左摄像机标定匹配组和β_τ,2个右摄像机标定匹配组，利用单目摄像机内外参数标定算法计算出左、右摄像机的内参数和畸变系数，以及从左摄像机坐标系分别变换到空间中编码立体靶标上各个编号靶标坐标系的旋转矩阵和平移向量从右摄像机坐标系分别变换到空间中编码立体靶标上各个编号靶标坐标系的旋转矩阵和平移向量

步骤16、在旋转矩阵和平移向量中，寻找左摄像机坐标系分别变换到外参标定靶标各个编号靶标坐标系的旋转矩阵和平移向量

在旋转矩阵和平移向量中，寻找右摄像机坐标系分别变换到外参标定标靶各个编号靶标坐标系的旋转矩阵和平移向量

步骤17、利用旋转矩阵和平移向量以及旋转矩阵和平移向量根据式(1)和(2)求解出左摄像机坐标系和右摄像机坐标系之间的旋转和平移关系：

其中i_τ＝1，2...，β_τ，3；

步骤18、通过公式(3)计算出从左摄像机坐标系变换到右摄像机坐标系的旋转矩阵R和平移向量T的初始值：

其中i_τ＝1，2...，β_τ，3；

步骤19、根据左摄像机的内参数和畸变系数、右摄像机的内参数和畸变系数以及左摄像机与右摄像机之间的初始外参数，利用基于标准长度的优化方法，计算出双目摄像机外参的精确值R′和T′，以此完成双目摄像机标定。