[发明专利]摄像机大视场高精度快速现场全局标定方法

摘要

摄像机大视场高精度快速现场全局标定方法，它涉及视觉测量中的摄像机标定方法。它解决了大视场标定过程中使用大型高精度靶标成本高，难以维护且运输困难的问题和摄像机参数在测量过程中发生变化对测量结果的影响及现场标定参数计算耗时过大的问题。高精度全局预先标定：基于控制线的摄像机畸变参数的标定和基于控制点的摄像机非畸变参数的全局标定；快速现场校正：设置若干个特征点，使用预先标定的参数求取特征点在世界坐标系下的坐标，相应的摄像机坐标系下的坐标，图像坐标；检测在测量过程中特征点在图像坐标的变化；测量过程中摄像机非畸变参数的变化量Δc的最小二乘解，根据求得Δc进行校正完成。应用于视场达8m×8m的摄像机的高精度现场标定。

主权项

1.摄像机大视场高精度快速现场全局标定方法，其特征在于它步骤如下：A、高精度全局预先标定：步骤一：基于控制线的摄像机畸变参数的标定：建立二维图像平面上被弯曲直线的直线度误差函数χ²；假设被弯曲的直线l_i上有n个点，其上第j个点的图像坐标记为[x_ij，y_ij]^T，那么被弯曲的直线l_i的直线度误差函数χ²表示为：x²(l_i)＝a sin²φ-2|b||sinφ|cosφ+c cos²φ式中a=Σj=1nxij2-1n(Σj=1nxij)2]]>b=Σj=1nxijyij-1nΣj=1nxijΣj=1nyij]]>c=Σj=1nyij2-1n(Σj=1nyij)2]]>α=a-c;β=α2α2+4b2]]>|sinφ|=1/2-β;cosφ=1/2+β]]>再用直线度误差函数χ²建立关于畸变参数优化的目标函数F^d，目标函数F^d为：Fd(l,Cd)=ΣiLχ2(luj)]]>其中，l_uj表示利用摄像机畸变模型校正后的曲线或直线；      L表示空间直线的根数；      i表示直线的序号，第i条直线表示为l_i；      C_d表示摄像机畸变参数；      l表示直线集合，即{l_i：i＝1...L}；建立了目标函数F^d后，使用非线性优化算法求得摄像机畸变参数；步骤二：基于控制点的摄像机非畸变参数的全局标定：步骤1：使用激光跟踪仪对实际平面上的点的位置进行测量；步骤2：利用实际平面上测量得到的点的位置数据建立表示控制点位置的世界坐标系，并建立实际平面模型，所述实际平面模型描述了实际平面上每个点在世界坐标系中的三维坐标间的函数；步骤3：在世界坐标系中按照标定需求构造一个点，并控制激光跟踪仪的激光光束指向该构造点；光束在实际平面上将形成一个光点；步骤4：根据构造点和激光光束发射点在世界坐标系中的坐标计算激光光束在世界坐标系中的方向和位置；步骤5：利用实际平面模型，求取所述激光光束与实际平面上的光点在世界坐标系中的坐标；步骤6：使用摄像机采集所述光点的图像；如果光点数量满足标定精度的需求，则所述的光点即为控制点，控制点生成结束；否则返回步骤3，重新生成构造点；步骤7：求取控制点在图像中的位置数据后，把相应的位置数据代入下式所示的优化函数，就实现大视场摄像机的高精度预先标定；F(Cp)=Σi=1n|u-C(Cp,Xw)|]]>其中，u为特征点的图像坐标；      X_w为特征点的三维世界坐标；      C_p为摄像机参数；      C表示世界坐标系到图像坐标系的映射关系；B、快速现场校正：步骤三：在测量现场预先设置若干个特征点P_ti(i＝1，2，...，n)，使用预先标定的参数求取特征点在世界坐标系下的坐标X_twi，特征点在相应的摄像机坐标系下的坐标X_tci，特征点在图像坐标为X_ti，其中X_tci≡[x_tci，y_tci，z_tci]^T，X_ti≡[x_ti，y_ti]^T；步骤四：实时检测步骤三中所述的若干个特征点P_ti(i＝1，2，...，n)在测量过程中特征点在图像坐标的变化ΔX_ti≡(Δx_ti，Δy_ti)^T，i＝1，2...n；步骤五：测量过程中摄像机非畸变参数的变化量Δc的最小二乘解，如下式所示；Δc＝(E^TE)^-1E^TΔx_tc其中：矩阵；T为转置符号，为数学运算符，Ei=xtciztcif0Rrx1′ztci-f0xtciRγx3′Xtwi(ztci)2f0Rry1′Xtwiztci-f0xtciRry3′(ztci)2f0Rrz1′Xtwiztci-f0xtciRrz3′Xtwi(ztci)2f0ztci0-f0xtci(ztci)2ytciztcif0Rrx2′Xtwiztci-f0ytciRγx3′Xtwi(ztci)2f0Rry2′Xtwiztci-f0ytciRry3′Xtwi(ztci)2f0Rrz2′ztci-f0ytciRrz3′Xtwi(ztci)20f0ztci-f0ytci(ztci)2]]>f₀表示预先标定出来的摄像机焦距；R′_γi表示矩阵R′_γ的第i行元素组成的行向量，下脚标x，y，z表示x，y，z的分量，其它变量符号的定义类推，测量过程中特征点摄像机坐标系下的坐标变化量；Δc≡[Δf Δγ_x Δγ_y Δγ_z Δt_x Δt_y Δt_z]^T步骤六：根据求得的Δc进行校正，完成标定。