[发明专利]基于消隐点的大锻件测量系统标定方法

摘要

本发明基于消隐点的大锻件测量系统标定方法属于图像处理和计算机视觉检测领域，特别涉及大型锻件尺寸测量系统中摄像机内、外参数的现场标定方法。该标定方法首先在不同焦距下拍摄标定模板的七幅图像，通过对应点连线交于一点求得摄像机主点坐标，其次在测量所需的焦距下拍摄标定模板的三个不同方位的图像，然后对模板图像进行直线提取，并利用所得直线求取三组对应正交消隐点，即可求得摄像机内参数，最后标定双目视觉测量系统的外参数。这种方法标定过程简便，标定时间短，精度高，能以较少的图像精确实现锻造现场双目视觉测量系统摄像机的标定。

主权项

一种基于消隐点的大锻件测量系统标定方法，其特征是，首先在不同焦距下拍摄标定模板的7幅图像，通过对应点连线交于一点求得摄像机主点坐标，其次在测量所需的焦距下拍摄标定模板的3个不同方位的图像，然后对模板图像进行直线提取，之后利用所得直线求取3组对应正交消隐点，即可求得摄像机内参数，最后，同时标定双目视觉测量系统的外参数，具体步骤如下： 步骤1：图像采集 首先，采集变焦距图像；在待测目标的同一侧布置两台摄像机，分别为左摄像机1和右摄像机2，构成双目视觉测量系统；标定左摄像机1时，调整标定模板3的位置，保证标定模板3在不同拍摄焦距时，均在摄像机视场内，在最大焦距下，对摄像机合焦；标定模板3静止，逐渐减小摄像机焦距，在不同焦距下拍摄七幅模板图像；使用同样的方法采集右摄像机2的七张图像；通用的摄像机模型可表示为： 其中，(X_w,Y_w,Z_w,1)^T为在世界坐标系下空间点的齐次坐标，(x,y,1)^T为空间点在图像坐标系下的对应像点坐标，f_x，f_y为摄像机尺度因子，(u₀,v₀)为像机的主点坐标，即主点坐标，z为比例因子； 其次，采集正交消隐点图像；将双目测量系统中的左、右摄像机合理放置，调整摄像机的视场，使左、右摄像机有足够的公共视场区，在后续标定中，摄像机焦距以及两摄像机间方位不再发生变化；在测量所需的摄 像机焦距下拍摄3张标定模板不同角度的图像，且保证不在同一平面上； 步骤2：求取摄像机主点坐标 改变焦距时，摄像机视场呈现比例扩缩现象，因此在不同焦距拍摄的图像中，特征点连线的交点即为主点；计算摄像机主点坐标，拍摄的七张图片中，将不同图像上标定模板相同特征点对应的7个像点采用线性回归的方法拟合成n条直线，第i条直线的拟合方程为： l_i:a_iu+b_iv+c_i＝0,(i＝1,2...n)  (2) 以到像点连线距离平方和最小为目标函数S，其中 计算主点坐标(u₀,v₀)，分别求出左、右摄像机的主点坐标(u_l0,v_l0)和(u_r0,v_r0)； 步骤3：求取摄像机尺度因子 根据步骤1获得求取正交消隐点标定模板的3幅图像，求出3组图像的正交消隐点，计算摄像机的尺度因子f_x和f_y，具体过程如下： (a)根据步骤2拍摄得到标定模板的四个不同方位的图像，分别求出左摄像机的3组正交消隐点对P_i(u_Pi,v_Pi),Q_i(u_Qi,v_Qi),i＝1,2,3； (b)将3组正交消隐点对分别代入线性方程： (u_Pi+u_Qi‑u_Pj‑u_Qj)·x+(u_Pju_Qj‑u_Piu_Qi)·z+(v_Pi+v_Qi‑v_Pj‑v_Qj)·y (4)＝(v_piv_Qi‑v_Pjv_Qj)(i≠j)                 其中，i≠j表示不同的摄像机参数调整模板图像，(u_Pi,v_Pi)、(u_Qi,v_Qi)(u_Pj,v_Pj)和(u_Qj,v_Qj)分别为第i幅、第j幅图像的正交消隐点对，联立方程求解出未知参数x，y，z，再由： 利用非线性最小二乘方法迭代求解非线性方程组(2)获得尺度因子，即f_y,f_x；其中，(u₀,v₀)为左摄像机1的主点坐标，f_y,f_x为摄像机等效焦距，由此可得左摄像机内参数矩阵K_L： 采用相同的步骤(a)和(b)，可得到右摄像机2的尺度因子，由步骤3中的主点坐标构成右摄像机2的内参数矩阵K_R； 步骤4：求取摄像机的外参数 在两台摄像机的公共视场区摆放两次标定模板，并拍摄图像，进行摄像机间外部参数的标定；具体如下： (a)求取基本矩阵F，根据对应像点的齐次坐标获得线性方程： [uu′,vu′,u′,uv′,vv′,v′,u,v,1]f＝0  (7) 其中，(u,v),(u′,v′)为左右摄像机图像中对应的像点坐标，f＝[f₁₁,f₁₂,f₁₃,f₂₁,f₂₂,f₂₃,f₃₁,f₃₂,f₃₃]^T为9维列向量,f_ij为基本矩阵F的第i行、第j列上的元素；提取所采集的两幅图像中n(n≥8)组对应点构成对应点矩阵A 其中(u_i,v_i),(u′_i,v′_i)为两幅图像中对应点坐标；利用Af＝0，即可求得基本矩阵F； (b)根据步骤4中得出的左右摄像机的内参数矩阵K_L,K_R，由E＝K_R^TFK_L，即可得到本质矩阵E； (c)本质矩阵由双目立体视觉的内外参数决定，根据E＝[t]_XR，其中[t]_X为平移矢量t的反对称矩阵，R为旋转矩阵，由(b)中得到的本质矩阵E即可计算出旋转矩阵R和平移矢量t，得到左右摄像机的外参数； (d)计算摄像机的比例因子，采用长度为L的高精度标尺作为长度基准，使用上述双目测量系统对其进行拍摄，并重建出三维长度l，则摄像机的比例因子采用步骤1～4，即可计算双目视觉测量系统的内外参数，完成系统的标定过程。