【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及相机标定，尤其涉及一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法。
技术介绍
1、相机标定分为内参标定和外参标定。相机内参标定是指以一组物理约束，获得相机成像的数学模型，尽可能接近真实系统的完整描述。相机外参标定指将不可直接测量的相机坐标系导出到外部基准，建立相机坐标系与世界坐标系的转换关系。相机标定对于三维重建、视觉测量和视觉导航等任务至关重要，低质量的相机标定会产生明显的系统误差，直接影响视觉系统的位姿测量精度。
2、传统的标定方法一般分为两步，首先标定相机内参，然后将内参作为已知量测量标定目标位姿，结合标定目标与相机基准的直接测量位姿，间接计算相机外参。例如公布号为cn112815832a、公布日为2021年5月18日，专利名称为“一种基于3d靶标的测量相机坐标系计算方法”的专利技术专利申请和公布号为cn112683163a、公布日为2021年4月20日，专利名称为“一种适用于视觉测量相机的绝对位姿测量精度评估方法”的专利技术专利申请，两篇专利均采用两步标定方法。两步标定方法存在两方面的缺点：一方面内参和外参是独立计算的，并未共同进行优化，导致内参产生的误差传导到外参的计算结果；另一方面内参计算一般采用张正友标定法，需要优化的参数量较多，优化算法容易陷入局部最优而非全局最优。以上两点问题制约了相机标定的准确度，进而影响3d相机的视觉测量精度。
技术实现思路
1、本专利技术为解决上述问题，提供一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法。
2、本
3、s1、搭建相机标定系统，包括标定板、相机及精测设备；
4、s2、确定待标定参数：包括相机坐标系与相机基准转换矩阵，相机内参矩阵以及相机畸变系数；
5、s3、计算所述待标定参数的初值；
6、s4、利用标定板的标定特征二维图像坐标建立重投影误差函数，以重投影误差最小为目标，对标定特征二维图像坐标进行迭代，获得优化的特征点的坐标；
7、s5、以优化的特征点的坐标作为优化数据源，以重投影误差作为目标函数，进行全局非线性优化待标定参数，同时标定相机内参和导出相机坐标系。
8、优选的，相机标定系统中有5个坐标系，分别是相机坐标系、相机基准坐标系、标定板坐标系、标定板基准坐标系和精测设备坐标系；坐标系之间的转换矩阵形式为，具体为：
9、（1）表示标定板坐标系到其基准的转换矩阵；
10、（2）表示标定板坐标系到相机坐标系的转换矩阵；
11、（3）和分别表示标定板和相机基准到精测设备的转换矩阵；
12、（4）为标定板基准到相机基准的转换矩阵；
13、（5）为相机到相机基准的转换矩阵。
14、优选的，相机内参矩阵和所述相机畸变系数的初值由张正友标定法计算获得；所述相机坐标系与相机基准转换矩阵的初值由设计值给出，精度由机械加工保证。
15、优选的，精测设备为关节测量臂或激光跟踪仪，用于测量测量标定板基准与相机基准的转换关系。
16、优选的，步骤s5所述的全局非线性优化采用levenberg-marquardt算法，通过设置合理的迭代收敛阈值，优化结果可以快速收敛，使得模型的重投影误差最小。
17、优选的，重投影误差的计算过程如下：
18、检测到标定板的标定特征二维图像坐标为，重投影由迭代优化过程计算的相机内参矩阵、相机畸变系数、、以及计算，表达式为：
19、；
20、其中，为特征点在标定板坐标系下的坐标，表示畸变系数引起的非线性变换，、、随优化过程迭代更新，以及不进行优化；
21、假设噪声是独立分布的，模型的重投影误差表达式为：
22、。
23、优选的，迭代收敛阈值包括迭代轮数、残差阈值以及梯度阈值；所述迭代轮数为10轮，所述残差阈值为10-6，所述梯度阈值为10-6。
24、与现有技术相比，本专利技术能够取得如下有益效果：
25、（1）将相机的内参和外参同时解算优化，提高内外参数的耦合度；
26、（2）将标定板与相机之间转换关系中变化的部分（标定板到相机基准）和不变的部分（相机坐标系到相机基准）进行分离，使用关节测量臂等精度较高的设备直接测量变化部分，这种方式显著的降低了需要解算优化的参数数量，提高了结果的准确性和收敛性。
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1.一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述相机标定系统中有5个坐标系，分别是相机坐标系、相机基准坐标系、标定板坐标系、标定板基准坐标系和精测设备坐标系；坐标系之间的转换矩阵形式为，具体为：
3.根据权利要求2所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述相机内参矩阵和所述相机畸变系数的初值由张正友标定法计算获得；所述相机坐标系与相机基准转换矩阵的初值由设计值给出，精度由机械加工保证。
4.根据权利要求3所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述精测设备为关节测量臂或激光跟踪仪，用于测量测量标定板基准与相机基准的转换关系。
5.根据权利要求4所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：步骤S5所述的全局非线性优化采用Levenberg-Marquardt算法，通过设置合理的迭代收敛阈值，优化结果可以快速收敛，使得相机透视投影模型的重投影误差最小。
...【技术特征摘要】
1.一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述相机标定系统中有5个坐标系，分别是相机坐标系、相机基准坐标系、标定板坐标系、标定板基准坐标系和精测设备坐标系；坐标系之间的转换矩阵形式为，具体为：
3.根据权利要求2所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述相机内参矩阵和所述相机畸变系数的初值由张正友标定法计算获得；所述相机坐标系与相机基准转换矩阵的初值由设计值给出，精度由机械加工保证。
4.根据权利要求3所述的一种同时标定相机内参和导出相机坐标系的方法，其特征在于：所述精测设备为关节...
【专利技术属性】
技术研发人员：任宏，姜金辰，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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