一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置及方法，包括：采用相机组代替传统方法中的两个平面特征点靶标之间的较长连接杆，有效的解决了由于连接杆导致公共空间约束受限的问题。首先采用基于图像模糊度和噪声强度的方法进行标定图像筛选；其次利用手眼方程AX＝YB求解待标定的外部参数；最后将相机的内部参数、镜头畸变参数与相机间的外部参数同时优化，有效地提高了全局保定精度，并通过引入极线约束与反投影误差共同构成3D目标优化函数，有效地解决了多参数联合优化的不稳定问题。该方法应用范围广，机械结构稳定，操作灵活方便，特别适用于复杂的多相机空间分布，如长工作距离、非对称工作夹角等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置及方法
本专利技术涉及视觉测量技术，具体说就是一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置及方法。
技术介绍
多相机视觉测量系统在视觉检测、三维重建、全景摄影、视频监控、机器人导航、运动估计、增强现实等许多领域有着广泛的应用。所有这些应用往往需要将所有相机的测量精确地统一在同一坐标系下而完成检测。然而，一个固有的问题是相机可能具有非重叠视场，这使得很难建立公共的空间约束，特别是在一些复杂的相机空间分布中，例如长工作距离(几米到几十米)，非对称的工作角度，或狭窄的工作空间等。因此，精确的外部参数标定和简单的操作是多相机视觉测量系统的关键技术之一。目前，常用的无公共视场的多相机视觉测量系统的全局标定方法有三类：一是基于三维坐标测量设备的方法，R.S.Lu在[参考文献1]和罗明在[参考文献2]提出了通过双经纬仪建立空间三维坐标测量系统，直接测量光平面上控制点的三维坐标，实现多相机视觉测量系统的全局标定。Kitahara在[参考文献3]使用激光跟踪仪来完成全局标定。这种三维测量设备由于较高的精度，适合大视场，被广泛应用在大尺寸部件的视觉测量中，但装配效率低，且成本较高。二是基于自标定的方法，Roman在[参考文献4]让相机获取视场内的特定结构的目标图像来对无公共视场多相机视觉测量系统进行全局标定。Pflugfelder在[参考文献5]中让相机观察具有特殊结构的物体或场景，可以获得相机的内部参数和外部参数，同时重建三维空间中物体的轨迹。这种基于自标定的方法，在工业测量现场，很难获取满足要求的场景信息，而且全局标定精度很难满足视觉测量的要求。三是基于辅助靶标的方法，Kumar在[参考文献6]和P.Lébraly在[参考文献7]通过调整平面镜的位置和角度，让无公共视场的多个相机都可观测到同一个靶标，从而实现全局标定。这种方法由于受到平面镜的视角和相机景深的影响，只适合近距离的无公共视场相机之间的全局标定。Liu[参考文献8]和Liu[参考文献9]利用激光线投射在两个非固连的平面特征点靶标上进行全局标定。该方法适合较远工作距离的无公共视场的相机，但在布局复杂的多相机测量系统中不易现场操作。Liu在[参考文献10]和[参考文献11]根据一维靶标特征点的共线性性质和已知距离，实验无公共视场的相机标定。由于一维靶标体积小、操作简单，该方法可以应用于操作空间受限的无公共视场的多相机测量系统，但由于已知点有限，进一步提高其标定精度受到限制。在上述分类的第三类方法中，基于手眼标定的方法是目前操作较为简单，标定精度较高的方法。Esquivel在[参考文献12]将待标定的两个无公共视场的两个相机固连形成相机组，放置两个靶标分别在各自相机的清晰视野范围内，相机组移动多个位置并保证在每个位置可清晰拍摄靶标图像，通过建立手眼方程AX＝XB求解两个待标定的无公共视场的相机外参。这种标定方法是通过移动待标定的两个相机实现的，例如在固定的车顶上的全景相机或者分布在铁路两侧的多相机测量系统，待标定的相机是无法移动的，这种方法难以标定。Liu[参考文献13]利用双平面靶标的固定约束关系实现两个无公共视场的相机全局标定。由于两个平面靶标固连，在较远工作距离的情况下需要较长的连接杆，导致机械结构不稳定难以操作，或者在大视场相机的情况下需要较大的平面靶标，较大平面靶标也会导致机械结构不稳定难以操作，或者在两台相机景深受限的情况下，固连的双平面靶标只能小角度摆动，容易产生角点不清晰的图像且提供的空间位置约束接近从而降低标定的精度。本专利技术参考文献如下：[1]R.S.Lu,Y.F.Li.Aglobalcalibrationmethodforlarge-scalemulti-sensorvisualmeasurementsystem,SensorsandActuatorsA:Physical.2004,116(3):383-393.[2]罗明.多传感器机器视觉测量系统的研究与应用.博士学位论文.天津大学.1996.[3]KitaharaI,SaitoH,AkimichiS,OnnoT,OhtaY,KanadeT.Large-scalevirtualizedreality.IEEEcomputervisionandpatternrecognition.technicalsketches,2001.[4]P.Roman,B.Horst.Localizationandtrajectoryreconstructioninsurveillancecameraswithnon-overlappingviews.IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence.2010,32(4):709-721.[5]PflugfelderRoman,BischofHorst.Localizationandtrajectoryreconstructioninsurveillancecameraswithnon-overlappingviews.IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.32,no.4,2010,pp.709-721.[6]R.K.Kumar,A.Ilie,J.Frahmet,etal.Simplecalibrationofnon-overlappingcamerasusingaplanarmirror:Applicationtovision-basedrobotics.InProceedingofComputerVisionandPatternRecognition.USA,2008.[7]P.Lebraly,C.Deymier,etal.Flexibleextrinsiccalibrationofnon-overlappingcamerasusingaplanarmirror:Applicationtovision-basedRobotics.IEEE.InternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Taipei,Taiwan,2010.[8]Q.Z.Liu,etal.Globalcalibrationmethodofmulti-sensorvisionsystemusingskewlaserlines.ChineseJournalofMechanicalEngineering.2012,25(2):405-410.[9]Z.Liu,F.J.Li,G.J.Zhang,"Anexternalparametercalibrationmethodformultiplecamerasbasedonlaserrangefinder,"Measurement,no.47,2014,pp.954-962.[10]Z.Liu,G.Zhang,Z.Wei,J.Sun.Novelcalibrationmethodfornon-overlappingmultiplevisionsensorsbasedon1Dtarget.Opticsan本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置，其特征在于，该装置包括：两台高分辨率面阵相机、两个平面特征点靶标、一个可调连接杆，其中，高分辨率面阵相机，通过可调连接杆将两台高分辨率面阵相机固定连接构成相机组，两台高分辨率面阵相机可以有公共视场也可以无公共视场，并且外部参数未知，外部参数包括旋转矩阵和平移矢量；两台高分辨率面阵相机分别配有不同焦距的镜头，用于不同工作距离的标定；两台高分辨率面阵相机与待标定的两台无公共视场的相机分别组成两个双目视觉测量系统，同时对平面特征点靶标成像，较高的分辨率有助于标定精度的提升；平面特征点靶标，用于提供特征点约束，实现两台高分辨率面阵相机和两台无公共视场的待标定的相机的内部参数标定，以及外部参数标定；平面特征点靶标材质为光学玻璃，光刻有棋盘格或者圆点阵等特征点，特征点间距已知；背部装有可调节LED光源，用于提高图像质量从而提高图像特征点的提取精度；一个可调连接杆，用于固定连接两台高分辨率面阵相机，连接杆两端安装有万向球头，使两台面阵相机根据靶标位置进行调整。

【技术特征摘要】
1.一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置，其特征在于，该装置包括：两台高分辨率面阵相机、两个平面特征点靶标、一个可调连接杆，其中，高分辨率面阵相机，通过可调连接杆将两台高分辨率面阵相机固定连接构成相机组，两台高分辨率面阵相机可以有公共视场也可以无公共视场，并且外部参数未知，外部参数包括旋转矩阵和平移矢量；两台高分辨率面阵相机分别配有不同焦距的镜头，用于不同工作距离的标定；两台高分辨率面阵相机与待标定的两台无公共视场的相机分别组成两个双目视觉测量系统，同时对平面特征点靶标成像，较高的分辨率有助于标定精度的提升；平面特征点靶标，用于提供特征点约束，实现两台高分辨率面阵相机和两台无公共视场的待标定的相机的内部参数标定，以及外部参数标定；平面特征点靶标材质为光学玻璃，光刻有棋盘格或者圆点阵等特征点，特征点间距已知；背部装有可调节LED光源，用于提高图像质量从而提高图像特征点的提取精度；一个可调连接杆，用于固定连接两台高分辨率面阵相机，连接杆两端安装有万向球头，使两台面阵相机根据靶标位置进行调整。2.根据权利要求1所述的一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定装置，其特征在于，两台高分辨率面阵相机通过一个可调连接杆共同组成一个相机组，相机组与高分辨率面阵相机配有不同焦距的镜头，两台高分辨率面阵相机可以通过连接杆上的球头并根据标定需要进行360°旋转，两台高分辨率面阵相机的内部参数和相机间的外部参数旋转矩阵和平移矢量均未知。3.一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定方法，其特征在于，该方法包括：步骤a.标定图像的获取，相机的内参及镜头畸变参数的标定，具体为：将两个平面特征点靶标分别置于待标定的两台无公共视场的相机的清晰视野范围内，相机组置于两个平面特征点靶标之间，使两台高分辨率面阵相机分别与待标定的相机具有公共视场组成双目测量系统，采用平面特征点靶标对四台相机的内参及镜头畸变参数标定；将相机组和两个平面特征点靶标同时移动，保证相机组与待标定的相机同时可清晰拍摄标定图像，至少移动20次位置，四台相机获取同时全局标定图像；步骤b.图像质量评价与筛选，具体为：通过估计每张图像的模糊度和噪声强度的比值，作为图像清晰度的评价标准，去除比值相对较小的图像将剩余图像作为标定图像；步骤c.手眼方程的建立与求解，具体为：建立手眼标定方程AX＝YB，通过kronecker直积的方法同时求解待标定的两个相机的外部参数和相机组的两个相机的外部参数；步骤d.非线性优化，具体为：相机的内部参数、镜头的畸变参数与相机间的外部参数同时作为优化参数，建立基于反投影误差与极限约束的复合优化目标函数，使用Levenberg-Marquardt非线性优化方法得到待标定的无公共视场的两个相机的外部参数。4.根据权利要求3所述的一种基于相机组的无公共视场的多相机全局标定方法，其特征在于，步骤a中将两个平面特征点靶标分别置于待标定的两台无公共视场的相机的清晰视野范围内，相机组置于两个平面特征点靶标之间，使两台高分辨率面阵相机分别与待标定的相机具有公共视场组成双目测量系统，采用平面特征点靶标对四台相机的内参及镜头畸变参数标定；将相机组和两个平面特征点靶标同时移动，保证相机组与待标定的相机同时可清晰拍摄标定图像，至少移动20次位置，四台相机同时获取全局标定图像,实现步骤为：步骤(11)将两个平面特征点靶标...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏振忠，邹伟，刘福林，
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