一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法技术

本发明专利技术公开一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，精密二轴转台与激光跟踪仪靶球一同做旋转运动，解算跟踪仪坐标系到转台坐标系的转换矩阵；光学反射球作为双目标定的光学参考点，固定于转台前方，通过光学反射球与跟踪仪靶球精密互换及跟踪仪测量，建立光学反射球中心在转台坐标系下的位置；双目与转台一同做二维转动，拍摄光学参考点，并同步记录各站位的角度值，建立虚拟标定控制场；拟合双目图像中反射球的椭圆轮廓，计算标定靶标圆心的图像位置；基于双目立体成像模型建立最小化目标函数，进行双目内外参标定。本发明专利技术适合在短基线距大视场条件下，完成高精度双目标定。

An integrated calibration method for binocular stereo vision sensor based on precise two axis turntable

The invention discloses an integrated calibration method of a binocular stereo vision sensor based on a precision two-axis turntable, in which the precision two-axis turntable rotates with the target ball of a laser tracker, calculates the transformation matrix from the tracker coordinate system to the turntable coordinate system, and the optical reflecting ball is fixed in front of the turntable as the optical reference point fixed by two targets. The position of the center of the optical reflector sphere in the coordinate system of the turntable is established by the precise interchange between the optical reflector sphere and the target sphere of the tracker and the measurement of the tracker. The ellipse contour of the sphere is used to calculate the image position of the center of the target circle, and the minimal objective function is established based on the binocular stereo imaging model to calibrate the internal and external parameters of the binocular. The invention is suitable for high precision binocular calibration under the condition of short baseline and large field of view.

【技术实现步骤摘要】
一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法
本专利技术涉及传感器标定技术，具体涉及一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法。
技术介绍
大视场立体视觉三维测量的测量空间范围从几米到几十米乃至上百米，是精密航空视觉引导、大型机械装备定位、大型构件制造与装配等先进
中的重要测量手段。大视场视觉测量以其测量范围大，测量过程非接触等优势，在测量领域具有不可替代的地位。针对非合作目标的三维视觉测量，关键技术在于如何实现同名对应点的立体匹配，进而得到精确的视差图。为提高匹配精度，缩短双目基线距，减小相机视角变化，获取高精度的视差值，同时保证较大的公共测量视场。基于大视场三维测量的应用需求、短基线距的结构需求，以视差法为测量原理的短基线距大视场双目立体视觉测量设备，成为当前视觉三维测量的研究热点，涌现出Bumblebee深度相机、ZED2K立体相机等产品。短基线距大视场双目标定方法及其应用的研究，旨在解决短基线距大视场视觉测量中标定精度不高、靶标制作困难的问题。双目标定技术作为视觉测量的核心技术，其精度直接影响测量精度，但常规双目标定方法由于受到视场范围有限、视场空间变化、靶标制作困难等诸多因素的制约，已无法满足短基线距大视场高精度的测量需求。大视场双目标定与普通视场双目标定的理论基础相同，而大视场标定过程中，不可避免的问题是获取大尺寸的精密靶标变得较为困难，即使能够制作这样的靶标或构造虚拟靶标，也面临成本问题，以及难以适应双目测量空间和测量视场的变化问题，难以满足高精度的要求。短基线距双目立体视觉传感器的标定中，靶标在深度方向的多位置变化会引入计算误差，进而影响标定精度。大视场标定中，一维靶标以其加工成本低，加工精度高等优点而得到广泛研究，但是一维靶标所含信息量少，精度会受到制约；采用小平面靶标多位置标定的方法，尽管能够灵活布置充满双目测量空间，但是各个位置之间缺乏联系与约束，不能有效描述整个测量空间的双目立体模型，影响标定精度，同时操作流程也往往较为复杂。申请号为CN201611094763.2的专利技术专利公开了一种基于单LED发光点和二维转台的复眼系统标定装置及标定方法，通过一维平移调整LED位置的方式实现标定，但是并未使用激光跟踪仪，无法建立大视场标定控制场，无法实现大视场下相机高精度的标定；论文“基于虚拟平面靶标的大视场摄像机标定技术研究”、论文“面向大视场视觉测量的摄像机标定技术”和论文“构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定”都构建出大尺度的虚拟靶标，但是没有用到转台，需要多次移动标定特征以布满测量空间才能进一步完成标定。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，解决在短基线距大视场条件下测量深度变化范围大、标定精度要求高的场合中，难以设计标定靶标与视场相适应的问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，该方法包括：a、精密二轴转台与激光跟踪仪靶球一同做旋转运动，激光跟踪仪测量多个位置的靶球球心坐标，解算跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵；b、跟踪仪靶球放置于精密二轴转台和激光跟踪仪前方，激光跟踪仪测量跟踪仪靶球坐标；光学反射球与跟踪仪靶球能实现精度无损互换，作为双目立体视觉传感器标定的光学参考点，则根据激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵，建立光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置；c、双目立体视觉传感器与精密二轴转台一同做二维转动，拍摄光学参考点，并同步记录精密二轴转台各转动位置的角度值；根据光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置以及精密二轴转台转动角度，建立虚拟标定控制场；d、在虚拟标定控制场各转动位置下采集的光学参考点的图像中，拟合双目立体视觉传感器图像中光学反射球的椭圆轮廓，获取椭圆中心，消除透视投影畸变，计算标定光学参考点的圆心在双目立体视觉传感器中的图像位置；e、基于双目立体视觉传感器成像理论模型以及精密二轴转台各转动位置下光学参考点圆心的图像位置，建立最小化目标函数，通过非线性优化方法得到目标函数的最优解，从而完成标定。步骤a中解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵；实现步骤如下：(1)将激光跟踪仪靶球置于精密二轴转台任意位置，控制转台以5-10角度间隔做旋转运动，激光跟踪仪采集并存储激光跟踪仪靶球在各转动位置下的球心坐标，拟合空间圆，建立精密二轴转台坐标系；(2)根据精密二轴转台坐标系原点在激光跟踪仪坐标系中的坐标位置，解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵。步骤b中建立光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置；具体如下：(1)将激光跟踪仪靶球置于精密二轴转台与激光跟踪仪前方，距离根据应用要求在2m-7m之间自由调整，激光跟踪仪测量跟踪仪靶球球心的三维坐标；(2)将激光跟踪仪靶球替换为直径相同，球心尺寸和位置精度相同，并带有反光圆形特征平面的光学反射球，实现无精度损失的替换，作为双目立体视觉传感器标定的光学参考点，通过激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵，建立光学参考点中心位置在转台坐标系下的三维坐标。步骤c中建立虚拟标定控制场，过程为：(1)按照设定的1-2角度间隔，双目立体视觉传感器与精密二轴转台一同做二维转动，在精密二轴转台各转动位置下拍摄光学参考点，并同步记录精密二轴转台各转动位置的角度值；(2)根据标定光学参考点在精密二轴转台初始位置下的三维坐标，以及记录的转台转动角度，建立起虚拟的三维标定控制场。步骤d中计算标定光学参考点圆心在双目立体视觉传感器中的图像位置，过程为：(1)在虚拟三维标定控制场各转动位置下采集的光学参考点图像中，采用Canny算子和Steger方法相结合的方式来提取光学参考点的边缘点；(2)剔除无法形成封闭圆环的噪声点之后，使用椭圆拟合算法，拟合光学参考点子像素级的椭圆轮廓，进而计算椭圆中心位置在图像坐标系下的坐标；(3)根据空间圆中心在相机平面上的畸变误差模型，消除相机透视投影畸变引起的偏心误差，计算标定光学参考点圆心在双目立体视觉传感器中的图像位置。步骤e中基于双目立体视觉传感器成像理论模型以及各转动位置下光学参考点圆心的精确图像位置，通过非线性优化方法得到目标函数最优解，采用LM非线性优化方法求解精密二轴转台到左相机的旋转矩阵、平移向量和双目立体视觉传感器内外方位元素在最大似然准则下的最优解，完成标定。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，使用精密二轴转台作为角度溯源基准，激光跟踪仪作为长度溯源基准，转台带动双目作二维旋转，采用单个固定不动的光学参考点作为参照，由双目在每个转动位置下进行拍摄，最终实现标定。短基线距的双目立体视觉传感器尺寸小、体积紧凑，正适合转台有限的安装空间，期间双目立体传感器在转台内框自由安装，并且标定过程由程序自动完成，无需人工干预，标定完成后，可以根据应用需求将双目立体传感器与转台分离。转台转动幅度以及参考点与双目立体视觉传感器距离可根据应用视场需求任意灵活配置。本专利技术适合在短基线距大视场条件下，完成高精度双目标定；尤其适合双目测量空间尺度大，传统标定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，其特征在于：包括以下步骤：a、精密二轴转台与激光跟踪仪靶球一同做旋转运动，激光跟踪仪测量多个位置的激光跟踪仪靶球的球心坐标，解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵；b、激光跟踪仪靶球放置于精密二轴转台和激光跟踪仪前方，激光跟踪仪测量激光跟踪仪靶球的坐标；光学反射球与激光跟踪仪靶球能实现精度无损互换，作为双目立体视觉传感器标定的光学参考点，根据激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵，建立光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置；c、双目立体视觉传感器与精密二轴转台一同做二维转动，拍摄光学参考点，并同步记录精密二轴转台各转动位置的角度值；根据光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置以及精密二轴转台转动角度，建立虚拟标定控制场；d、在虚拟标定控制场各转动位置下采集的光学参考点的图像中，拟合双目立体视觉传感器图像中光学反射球的椭圆轮廓，获取椭圆中心，消除透视投影畸变，计算标定光学参考点的圆心在双目立体视觉传感器中的图像位置；e、基于双目立体视觉传感器成像理论模型以及精密二轴转台各转动位置下光学参考点圆心的图像位置，建立最小化目标函数，通过非线性优化方法得到目标函数的最优解，从而完成标定。...

【技术特征摘要】
1.一种基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，其特征在于：包括以下步骤：a、精密二轴转台与激光跟踪仪靶球一同做旋转运动，激光跟踪仪测量多个位置的激光跟踪仪靶球的球心坐标，解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵；b、激光跟踪仪靶球放置于精密二轴转台和激光跟踪仪前方，激光跟踪仪测量激光跟踪仪靶球的坐标；光学反射球与激光跟踪仪靶球能实现精度无损互换，作为双目立体视觉传感器标定的光学参考点，根据激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵，建立光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置；c、双目立体视觉传感器与精密二轴转台一同做二维转动，拍摄光学参考点，并同步记录精密二轴转台各转动位置的角度值；根据光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置以及精密二轴转台转动角度，建立虚拟标定控制场；d、在虚拟标定控制场各转动位置下采集的光学参考点的图像中，拟合双目立体视觉传感器图像中光学反射球的椭圆轮廓，获取椭圆中心，消除透视投影畸变，计算标定光学参考点的圆心在双目立体视觉传感器中的图像位置；e、基于双目立体视觉传感器成像理论模型以及精密二轴转台各转动位置下光学参考点圆心的图像位置，建立最小化目标函数，通过非线性优化方法得到目标函数的最优解，从而完成标定。2.根据权利要求1所述的基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，其特征在于：所述步骤a中，解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵的实现步骤如下：(1)将激光跟踪仪靶球置于精密二轴转台任意位置，控制转台以5-10角度间隔做旋转运动，激光跟踪仪采集并存储激光跟踪仪靶球在各转动位置下的球心坐标，拟合空间圆，建立精密二轴转台坐标系；(2)根据精密二轴转台坐标系原点在激光跟踪仪坐标系中的坐标位置，解算激光跟踪仪坐标系到精密二轴转台坐标系的转换矩阵。3.根据权利要求1所述的基于精密二轴转台的双目立体视觉传感器一体式标定方法，其特征在于：所述步骤b中，建立光学参考点在精密二轴转台坐标系下的位置的过程如下：(1)将激光跟踪仪靶球置于精密二轴转...

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，张广军，刘震，杨守波，张靖毓，石博文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11