[发明专利]一种虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型及标定方法

说明书

本发明属于机器视觉测量领域，公开了一种虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型及标定方法，首先基于远心镜头安装误差建立双远心镜头的成像模型；其次，利用高精度位移平台搭载标定板分别获取初始标定板图像以及经过确定的步进距离向x以及y方向移动后的两张标定图像，以简化相对外参矩阵；接着采用非线性辛普森求解方法计算单应性矩阵，利用初始外参矩阵中旋转矩阵的正交性建立方程组，求解内参数：安装误差角、放大倍率、CMOS倾斜角以及图像中心点坐标，同时求解初始外参矩阵；最后采用L‑M优化算法求解镜头畸变系数。该方法兼具高效、准确等优势，对于视觉测量的标定方法具有良好的应用价值。

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，一种虑及相机安装误差的远心镜头成像模型及标定方法。

背景技术

视觉测量技术是非接触测量中的主流测量技术，而镜头标定作为视觉测量过程中的核心环节，对测量精度起着决定性的作用。双远心镜头特殊的光路结构使其具有高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等优点，常被用来提升测量精度。基于普通镜头标定模型，现有的双远心镜头标定算法主要是对其成像模型进行简化，进一步使用张氏标定法标定流程，通过线性算法DLT求解像素坐标系到世界坐标系的单应性矩阵；接着利用外参矩阵中的旋转矩阵正交性，求解内参，最后利用非线性优化算法求解畸变系数。然而在一般的视觉测量仪器中，镜头处于垂直安装位姿，因此该标定方法将成像平面理想化为平行状态，没有考虑镜头安装误差，且标定精度会受限制。

针对视觉测量中双远心镜头的标定方法，天津科技大学的李林娜等人于2015年在《天津科技大学学报》第30卷第4期发表了文章《基于有序图像序列与可控外部参数的远心镜头标定方法》，通过控制高精度位移平台搭载标定板采集序列标定图像，将外参由未知变为已知并得以简化，通过线性DLT算法求解出远心镜头放大率、远心度，最后通过L-M非线性优化算法求解出畸变系数。但是该方法未考虑标定板与远心镜头轴线不完全垂直的误差，对于投影测量方法的精度难以保证，因此提供一种针对相机安装误差的双远心镜头成像模型及标定方法极为重要。

发明内容

本发明为了弥补现有远心镜头标定算法的不足，发明了一种虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型及标定方法，其目的是针对垂直位姿的二维视觉测量中双远心镜头的标定环节，计算出所需的镜头放大倍率、安装误差角以及畸变系数，为基于二维视觉测量的几何量参数测量提供精度保障。首先基于远心镜头安装误差建立双远心镜头的成像模型；其次，利用高精度位移平台搭载标定板分别获取初始标定板图像以及经过确定的步进距离向x以及y方向移动后的两张标定图像，以简化相对外参矩阵；接着采用非线性辛普森(Simpson)求解方法计算单应性矩阵，利用初始外参矩阵中旋转矩阵的正交性建立方程组，求解内参数：安装误差角、放大倍率、CMOS倾斜角以及图像中心点坐标，同时求解初始外参矩阵；最后采用L-M优化算法求解镜头畸变系数。该方法兼具高效、准确等优势，对于视觉测量的标定方法具有良好的应用价值。

本发明采用的技术方案：

一种虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型及标定方法，该方法首先建立双远心镜头成像模型，O_w-X_wY_wZ_w为世界坐标系，o_c-x_cy_cz_c,o'_c-x'_cy'_cz'_c分别为理想的相机坐标系以及存在安装误差的相机坐标系，o_d-x_dy_dz_d为图像坐标系，uv为像素坐标系，具体计算步骤如下：

第一步、建立虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型；

虑及相机安装误差的双远心镜头成像模型为：