用于水下双目视觉测量系统的标定方法技术方案

技术编号:20161911 阅读:26 留言:0更新日期:2019-01-19 00:14
本发明专利技术属于水下探测和测量技术领域,旨在解决现有水下双目视觉测量系统不具有一般性,无法应用于精度较高的场合,因而不能满足所有水下探测以及测量需求的问题。为此,本发明专利技术提供了一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法,在空气中对双目相机进行标定,获取内参数矩阵和畸变参数;在水下利用双目相机拍摄棋盘格的图像并进行畸变校正,检测得到棋盘格角点,通过水下折射关系测量角点位置坐标;根据棋盘格角点间相对位置关系设计优化目标,用多目标优化完成水下双目视觉测量系统的标定。本发明专利技术可以提高水下双目视觉测量系统的测量精度,使其能够满足精度较高场合的需求,提高水下双目视觉测量系统的一般性,能满足所有水下探测以及测量需求。

【技术实现步骤摘要】
用于水下双目视觉测量系统的标定方法
本专利技术属于水下探测和测量
,具体提供一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法。
技术介绍
作为海洋探测技术的一个重要分支,基于水下机器人的水下探测正在被广泛使用。在利用机器人视觉技术的水下探测和测量中,由于视觉系统多由防水仓保护,导致光线在进入相机时发生两次折射,在空气中的相机标定技术无法直接应用于水下相机的标定。针对折射对相机成像过程中的影响,现有技术中关于这个问题的解决方法可以大致分为五类,第一类是物理方法,通过设计特殊的光学部件抵消折射现象,此方法对光学部件的工艺要求很高,不便于生产制造;第二类是采用辅助平面的方法,即通过一个辅助标定板确定光线入射时的方向向量,但是此方法的操作比较复杂,不适用于推广应用;第三类方法把折射当成焦距变化,但是采用此方法在光线入射角度大时误差也会很大,从而造成测量偏差较大;第四类是把水下折射的误差看作镜头畸变,对图像进行校正处理,这种方法是继续使用了线性的小孔成像模型,误差依旧很大;第五类是建立水下相机的折射模型,进行水下相机的标定,这种方式的准确性更高。在国内,已经有许多公司和大学的研究人员对水下相机折射模型开展了广泛的研究,并提出了基于多层平面折射几何的水下相机标定方法和基于粒子群的水下测量系统标定等方法,例如在专利申请号为CN201511019268.0的专利中,提出了一种水下相机标定方法,该专利虽然考虑到了水下折射的影响,但是其方法是假设相机成像平面法向量与折射平面法向量平行,并且忽略了防水仓的壁厚,因此不具有一般性,即在精度较高的应用场合无法应用,不能满足所有水下探测以及测量的需求。因此,本领域需要一种新的用于水下双目视觉测量系统的标定方法来解决上述问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题,即为了解决现有水下双目视觉测量系统不具有一般性,无法应用于精度较高的场合,因而不能满足所有水下探测以及测量需求的问题。本专利技术提供了一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法,该水下双目视觉测量系统包括位于左侧的第一相机和位于右侧的第二相机,该标定方法包括:在空气中对第一相机和第二相机进行标定,得出第一相机和第二相机的内参数矩阵、畸变系数以及第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵;在水下通过第一相机和第二相机拍摄棋盘格的图像;通过第一相机的内参数矩阵、第一相机的畸变系数对第一相机的图像进行畸变校正,通过第二相机的内参数矩阵、第二相机的畸变系数对第二相机的图像进行畸变校正;采用角点检测的方法,得到棋盘格角点在第一相机的图像上的坐标以及棋盘格角点在第二相机的图像上的坐标;获取角点位置坐标的测量值;使用标定板棋盘格角点的相对位置关系设计标定过程的优化目标,通过多目标优化对所述水下双目视觉测量系统进行标定。在上述标定方法的优选技术方案中,在“在空气中对第一相机和第二相机进行标定,得出第一相机和第二相机的内参数矩阵、畸变系数以及第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵”的步骤之前,所述标定方法还包括:设定第一相机和第二相机在水下的预估参数值。在上述标定方法的优选技术方案中,“获取角点位置坐标的测量值”的步骤具体包括:将所述预估参数值代入下列公式,即:P=f(Pl,Pr,R,dl,dr,h,nx,ny,nz),得到角点位置坐标的测量值,其中,P表示水下目标点的位置,Pl和Pr分别表示目标点在第一相机的图像中的像素点以及第二相机的图像中的像素点,R为第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵,dl和dr分别表示第一相机的光心到第一层折射平面的垂直距离以及第二相机的光心到第一层折射平面的垂直距离,h是所述水下双目视觉测量系统的防水仓的厚度,nx,ny和nz是折射平面法向量以第一相机坐标系为基准的x轴,y轴,z轴的坐标分量。所述预估参数值指的是对{dl,dr,h,nx,ny,nz}的估计。在上述标定方法的优选技术方案中,“使用标定板棋盘格角点的相对位置关系设计标定过程的优化目标,通过多目标优化对所述水下双目视觉测量系统进行标定”的步骤具体包括:设定第一优化目标,即:min∑(|Cmi,j-Cmi+1,j|+|Cmi,j-Cmi,j+1|-2w),其中,角点位置坐标的测量值为Cmi,j,i为棋盘格角点的水平方向序号,j为棋盘格角点的竖直方向序号,w为所述棋盘格格子的边长;设定第二优化目标,即:设定第三优化目标,即:基于第一优化目标、第二优化目标和第三优化目标来进行优化,从而对所述水下双目视觉测量系统进行标定。在上述标定方法的优选技术方案中,所述第一相机的内参数矩阵为:其中,fxl和fyl为第一相机的焦距,xol和yol为相对于成像平面的主点坐标。在上述标定方法的优选技术方案中,所述第二相机的内参数矩阵为:其中,fxr和fyr为第二相机的焦距,xor和yor为相对于成像平面的主点坐标。本领域技术人员能够理解的是,在本专利技术的优选技术方案中,在空气中可以对第一相机和第二相机进行标定来得到第一相机和第二相机的内参数矩阵以及畸变系数,再在水下通过第一相机和第二相机来拍摄棋盘格的图像,然后通过第一相机的内参数矩阵和畸变系数对第一相机拍摄到的棋盘格的图像进行校正,通过第二相机的内参数矩阵和畸变系数对第二相机拍摄到的棋盘格的图像进行校正,接下来采用角点检测的方法得到棋盘格角点在第一相机的图像上的坐标以及棋盘格角点在第二相机的图像上的坐标,最终结合角点位置坐标的测量值来对水下双目视觉测量系统进行标定,通过这样的方式,可以提高水下双目视觉测量系统的测量精度,使其能够满足精度较高场合的需求,提高水下双目视觉测量系统的一般性,即能够满足所有水下探测以及测量需求,进而可以广泛地应用于水下视觉精准测量、水下探测以及水下机器人作业等领域。进一步地,通过设定第一优化目标、第二优化目标和第三优化目标,即使用标定板棋盘格角点的相对位置关系来设计标定过程的优化目标,通过这种方式可以将标定问题转换为多目标优化问题,在优化过程中,并不断更新水下的相机参数,最终实现水下双目视觉测量系统的标定,从而准确地得到水下的相机参数的标定结果。附图说明图1为本专利技术的水下相机折射模型示意图;图2为本专利技术的水下视觉测量系统类三角化确定目标点位置示意图;图3为本专利技术的标定板棋盘格角点相对位置关系设计优化目标示意图;图4为本专利技术的水下视觉测量系统标定效果测试结果示意图。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理,并非旨在限制本专利技术的保护范围。需要说明的是,在本专利技术的描述中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。基于
技术介绍
指出的现有水下双目视觉测量系统不具有一般性,无法应用于精度较高的场合,因而不能满足所有水下探测以及测量需求的问题。本专利技术提供了一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法,旨在提高水下双目视觉测量系统的测量精度,使其能够满足精度较高场合的需求,提高水下双目视觉测量系统的一般性,即能够满足所有水下探测以及测量需求。在本专利技术中,由于水下相机外被防水仓保护,所以光线从相机光心到达目标点需要经过两次折射,分别是在空气和防水仓相接表面(下称第一层折射平面)以及防水仓和水相接表面(下称第二层折射平面)。本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法,其特征在于,所述水下双目视觉测量系统包括位于左侧的第一相机和位于右侧的第二相机,所述标定方法包括:在空气中对第一相机和第二相机进行标定,得出第一相机和第二相机的内参数矩阵、畸变系数以及第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵;在水下通过第一相机和第二相机拍摄棋盘格的图像;通过第一相机的内参数矩阵、第一相机的畸变系数对第一相机的图像进行畸变校正,通过第二相机的内参数矩阵、第二相机的畸变系数对第二相机的图像进行畸变校正;采用角点检测的方法,得到棋盘格角点在第一相机的图像上的坐标以及棋盘格角点在第二相机的图像上的坐标;获取角点位置坐标的测量值;使用标定板棋盘格角点的相对位置关系设计标定过程的优化目标,通过多目标优化对所述水下双目视觉测量系统进行标定。

【技术特征摘要】
1.一种用于水下双目视觉测量系统的标定方法,其特征在于,所述水下双目视觉测量系统包括位于左侧的第一相机和位于右侧的第二相机,所述标定方法包括:在空气中对第一相机和第二相机进行标定,得出第一相机和第二相机的内参数矩阵、畸变系数以及第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵;在水下通过第一相机和第二相机拍摄棋盘格的图像;通过第一相机的内参数矩阵、第一相机的畸变系数对第一相机的图像进行畸变校正,通过第二相机的内参数矩阵、第二相机的畸变系数对第二相机的图像进行畸变校正;采用角点检测的方法,得到棋盘格角点在第一相机的图像上的坐标以及棋盘格角点在第二相机的图像上的坐标;获取角点位置坐标的测量值;使用标定板棋盘格角点的相对位置关系设计标定过程的优化目标,通过多目标优化对所述水下双目视觉测量系统进行标定。2.根据权利要求1所述的标定方法,其特征在于,在“在空气中对第一相机和第二相机进行标定,得出第一相机和第二相机的内参数矩阵、畸变系数以及第一相机和第二相机之间的位姿变换矩阵”的步骤之前,所述标定方法还包括:设定第一相机和第二相机在水下的预估参数值。3.根据权利要求2所述的标定方法,其特征在于,“获取角点位置坐标的测量值”的步骤具体包括:将所述预估参数值代入公式(1),即:P=f(Pl,Pr,R,dl,dr,h,nx,ny,nz)(1)得到角点位置坐标的测量值,其中,P表示水下目标点的位置,Pl和P...

【专利技术属性】
技术研发人员:喻俊志孔诗涵吴正兴陈星宇
申请(专利权)人:中国科学院自动化研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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