一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法技术

本发明专利技术提供一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，本发明专利技术采用主动视觉原理，利用已知的标定目标运动信息对相机的内外参数建立线性方程组进行求解；使用本发明专利技术的标定方法不仅减少人力，而且提高了标定的效率，提高标定的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法
本专利技术涉及三维测量和工业检测领域，是一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法。
技术介绍
在三维重建，结构光测量，全景视频获取等各计算机视觉的研究方向中，相机都是重要的测量和图像信号获取手段。准确地标定相机的内外参数是很多计算机视觉研究中的重要步骤。因此，对于相机参数的标定方法的研究一直是计算机视觉领域的一个热门方向。目前主流的相机标定方法分为三类，分别为传统相机标定方法，相机自标定方法以及主动视觉相机标定方法。与其他两种方法相比，主动视觉相机标定方法在应用的时候一般将相机放置在可精确读取移动以及旋转参数的精密平台上，利用已知的相机移动信息建立关于相机参数的方程，具有标定速度快、可自动化和标定精度高等特点。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，使用本专利技术的标定方法不仅减少人力，而且提高了标定的效率，提高标定的准确率。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，包括：如下步骤：步骤一：以液晶面板的左上角为原点建立世界坐标系，面板平面为z＝0平面，z轴向外，记录显示屏中各标定板特征点在世界坐标系中的坐标，用标定相机拍摄显示在液晶面板上的标定板；步骤二：控制器控制标定板的位置平移运动多次，重复记录各特征点坐标，标定相机重复拍摄标定板；步骤三：控制器控制旋转装置多次转动，带动固定在旋转装置上的液晶面板也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；步骤四：计算相机平移运动的极点坐标；同一相机在不同位置拍摄空间中同一点，得到的该点的不同像素坐标称为对应点，在相差一个常数因子的情况下，通过两个对应点解出基础矩阵F，通过公式Fe＝0解得此平移运动的极点坐标；步骤五：利用相机的平移运动信息和极点坐标建立方程，计算从世界坐标到相机坐标的相机内外参数，内外参数包括：平移向量tp，内参数矩阵K和旋转矩阵Rp；步骤六：将计算得到的内外参数作为初值进行最速下降拟合优化，得到最终结果。前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，步骤三：控制器控制旋转装置多次转动，带动固定在旋转装置上的液晶面板也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；旋转装置转动次数大于或等于5次。前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，步骤四：计算相机平移运动的极点坐标；同一相机在不同位置拍摄空间中同一点，得到的该点的不同像素坐标称为对应点，对应点像素坐标分别为m1和m2，利用公式在相差一个常数因子的情况下，通过两个对应点解出基础矩阵F，再通过公式Fe＝0解得此平移运动的极点坐标；前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，步骤五：利用相机的平移运动信息和极点坐标建立方程，计算从世界坐标到相机坐标的相机内外参数，内外参数包括：平移向量tp，内参数矩阵K和旋转矩阵Rp；面板中两点的世界坐标为P1和P2，其在相机坐标系中的坐标为：若面板中的点由从P2移动到P1，则相当于相机沿向量进行了一次平移运动，此平移运动在相机坐标系中表示为：由极点与运动向量之间的关系可以得到λ1e1＝KRpT0，令A＝KRp，A有九个未知量，如下所示：假设平移运动向量T0＝(t11，t12，t13)，极点坐标为e1＝(e11，e12，1)；将A展开为一维的列向量整理得到在标定板完成两次位置变换之后，需要将液晶面板转动5至10度，使得接下来的运动与前两次运动不在同一平面内；在这一步骤中，需要人为测量液晶面板的转动角度，以便将面板转动后测量得到的标定板位置坐标统一到初始的世界坐标系中；本文提出的方法在标定时利用的是液晶面板中标定板的运动向量Tc，由于向量的平移不变性，液晶面板旋转前后位置的平移变化并不影响标定精度，可简单地设为(0，0，0)；求解矩阵A后，假设矩阵A、内参数矩阵K和旋转矩阵Rp具有以下形式；按照下面公式分解矩阵A得到内参数矩阵K和旋转矩阵Rp；每一点在液晶面板中的坐标，即空间坐标为M，定义相机实际拍摄标定板中特征点的图像坐标为m；解得相机的内矩阵和旋转矩阵后，可得其中整理上面各式得到αtp1+γtp2+(u0-m1)tp3＝b2m1-αb1-γb2-u0b3βtp2+(v0-m2)tp3＝b3m2-βb2-v0b3；公式中共有三个未知数，每一个空间中点可以建立两个方程，因此至少需要两个空间点来计算平移向量t；假设液晶面板中标定板共有i个特征点，利用标定得到的参数K，Rp，tp，由Mi根据公式λm＝K(RM+t)计算得到的图像坐标为定义下面这个函数计算两坐标值之间的差异为：前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，步骤六：将计算得到的内外参数作为初值进行最速下降拟合优化，得到最终结果；最速下降拟合优化的定义为：也称为梯度下降法，要使用梯度下降法找到一个函数的局部极小值，必须向函数上当前点对应梯度(或者是近似梯度)的反方向的规定步长距离点进行迭代搜索。具体步骤如下：a)求目标函数梯度；b)向梯度相反的方向移动x；c)循环迭代步骤b，直到目标函数自变量的值变化到使得目标函数取值在两次迭代之间的差值足够小；d)此时，输出自变量，这个自变量就是使得目标函数取值最小时的自变量的取值。前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，旋转装置组成有：连接于液晶面板的转动轴，连接于转动轴并读取转动轴转动角度的读取器。前述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，控制器为intelPentium4中央处理器。本专利技术的有益之处在于：本专利技术提供一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，本专利技术采用主动视觉原理，利用已知的标定目标运动信息对相机的内外参数建立线性方程组进行求解；使用本专利技术的标定方法不仅减少人力，而且提高了标定的效率，提高标定的准确率。附图说明图1是本专利技术标定装置一种实施例的结构示意图；图2为本专利技术的液晶面板中标定板平移运动的示意图。图3为本专利技术的液晶面板坐标系建立方式与旋转方式示意图。图4是本专利技术旋转装置的一种实施例的结构示意图；图中附图标记的含义：1液晶面板，2旋转装置，3标定相机，201转动轴，202读取器。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，包括：如下步骤：步骤一：以液晶面板1的左上角为原点建立世界坐标系，面板平面为z＝0平面，z轴向外，记录显示屏中各标定板特征点在世界坐标系中的坐标，用标定相机3拍摄显示在液晶面板1上的标定板。步骤二：控制器控制标定板的位置平移运动多次，重复记录各特征点坐标，标定相机3重复拍摄标定板。步骤三：控制器控制旋转装置2多次转动，带动固定在旋转装置2上的液晶面板1也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；作为一种优选，旋转装置2转动5次以上为宜；需要说明的是：物体的运动是相对的，相机在位置不变的情况下拍摄在液晶面板1中的位置变化的标定板，并且将标定所需要的特征点的选取位置局限在标定板内，可以等效地看作标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，其特征在于，包括：如下步骤：步骤一：以液晶面板的左上角为原点建立世界坐标系，面板平面为z＝0平面，z轴向外，记录显示屏中各标定板特征点在世界坐标系中的坐标，用标定相机拍摄显示在液晶面板上的标定板；步骤二：控制器控制标定板的位置平移运动多次，重复记录各特征点坐标，标定相机重复拍摄标定板；步骤三：控制器控制旋转装置多次转动，带动固定在旋转装置上的液晶面板也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；步骤四：计算相机平移运动的极点坐标；同一相机在不同位置拍摄空间中同一点，得到的该点的不同像素坐标称为对应点，在相差一个常数因子的情况下，通过两个对应点解出基础矩阵F，通过公式Fe＝C解得此平移运动的极点坐标；步骤五：利用相机的平移运动信息和极点坐标建立方程，计算从世界坐标到相机坐标的相机内外参数，内外参数包括：平移向量t

【技术特征摘要】
1.一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，其特征在于，包括：如下步骤：步骤一：以液晶面板的左上角为原点建立世界坐标系，面板平面为z＝0平面，z轴向外，记录显示屏中各标定板特征点在世界坐标系中的坐标，用标定相机拍摄显示在液晶面板上的标定板；步骤二：控制器控制标定板的位置平移运动多次，重复记录各特征点坐标，标定相机重复拍摄标定板；步骤三：控制器控制旋转装置多次转动，带动固定在旋转装置上的液晶面板也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；步骤四：计算相机平移运动的极点坐标；同一相机在不同位置拍摄空间中同一点，得到的该点的不同像素坐标称为对应点，在相差一个常数因子的情况下，通过两个对应点解出基础矩阵F，通过公式Fe＝C解得此平移运动的极点坐标；步骤五：利用相机的平移运动信息和极点坐标建立方程，计算从世界坐标到相机坐标的相机内外参数，内外参数包括：平移向量tp，内参数矩阵K和旋转矩阵Rp；步骤六：将计算得到的内外参数作为初值进行最速下降拟合优化，得到最终结果。2.根据权利要求1所述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，其特征在于，步骤三：控制器控制旋转装置多次转动，带动固定在旋转装置上的液晶面板也转动，测量转动角，重复步骤一、步骤二，采集标定板各特征点世界坐标系中的坐标以及采集相机拍摄标定板得到的图片；旋转装置转动次数大于或等于5次。3.根据权利要求1所述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，其特征在于，步骤四：计算相机平移运动的极点坐标；同一相机在不同位置拍摄空间中同一点，得到的该点的不同像素坐标称为对应点，对应点像素坐标分别为m1和m2，利用公式在相差一个常数因子的情况下，通过两个对应点解出基础矩阵F，再通过公式Fe＝0解得此平移运动的极点坐标；4.根据权利要求1所述的一种基于可变标定目标的主动视觉相机标定方法，其特征在于，步骤五：利用相机的平移运动信息和极点坐标建立方程，计算从世界坐标到相机坐标的相机内外参数，内外参数包括：平移向量tp，内参数矩阵K和旋转矩阵Rp；面板中两点的世界坐标为P1和P2，其在相机坐标系中的坐标为：若面板中的点由从P2移动到P1，则相当于相机沿向量进行了一次平移运动，此平移运动在相机坐标系中表示为：由极点与运动向量之间的关系可以得到λ1e1＝KRpTo，令A＝KRp，A有九个未知量，如下所示：假设平移运动向量T0＝(t11，t12，t13)，极点坐标为e1＝(e11，e12，1)；将A展开为一维的列向量a＝[a1a2…a2ae]T，整理得到在标定板完成两次位置变换之后，需要将液晶面板转动5至10度，使得接下来的运动与前两次运动不在同一平面内；在这一步骤中，需要人为测量液晶面板的转动角度，以便将面板转动后测量得到的标定板位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：林斌，杨浩，
申请(专利权)人：浙江四点灵机器人股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33