本发明专利技术提供一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定方法，属于测量、测试领域。本发明专利技术采用亮度自适应的单个红外LED作为目标靶点，将该靶点固定在三维数控机械装置上，并控制其移动至预先设定的空间位置。在三维空间构成一个虚拟立体靶标。每次靶点到达设定的空间位置时，摄像机对靶点进行图像采集。通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄，使得多个虚拟立体靶标分布于整个摄像机的标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都计算出一组摄像机的内、外参数，以作为后续优化的初值。最后基于多方位拍摄的虚拟立体靶标进行标定参数的整体优化。本发明专利技术可以有效提高大视场摄像机的标定精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于测量、测试领域，涉及摄像机标定技术，具体涉及ー种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定方法。
技术介绍
近年来基于机器视觉的測量系统已越来越多地应用于航空、汽车等エ业领域的加エ、装配以及质检等环节，其核心測量部件摄像机的标定精度直接影响着该类测量系统的測量精度。摄像机标定的过程就是根据若干三维空间点(靶点)及其在成像平面上对应的ニ维图像点来确定摄像机成像模型中的各參数的过程。其中摄像机的參数包括内參数和外參数。内參数是摄像机的固有參数，不会因为摄像机拍摄方位的变化而改变。外參数包括 摄像机在世界坐标系中的旋转矩阵R以及平移向量t，外參数会随着摄像机的拍摄方位的改变而变化。高精度的摄像机标定一般需要在摄像机前放置一个标定參照物又称靶标，靶标上具有多个已知其精确三维坐标的靶点，通过建立靶标上各靶点空间坐标与相应图像坐标间的关系，来计算摄像机模型中的内部參数和外部參数。目前已有的标定方法大多对小測量范围(2米以内)适用，而在航空部件装配位姿检测等应用中，测量范围需达到2 15米甚至更大。要通过视觉測量方法实现这样大范围内的零部件位置与姿态的跟踪、检测，需要以红外LED等主动发光目标作为工作靶点，以获得高质量的光斑图像，基于这些靶点图像和标定出的系统參数解算靶点的三维坐标，进而获得作为工作靶点载体的零部件的空间位置姿态信息。为了保证大视场视觉測量系统精度，參与系统标定的靶点需要与系统测量时使用的工作靶点相一致，并且由标定靶点分布构成的标定空间应与測量空间基本一致。目前应用较多的标定靶标可以分为三维靶标和ニ维靶标。然而不论是ニ维还是三维靶标，要制作能够基本覆盖大视场测量空间的大型高精度实物靶标都十分困难，特别是对于以红外LED等主动发光的电子元件为靶点的情況，涉及靶点之间精确几何定位和距离摄像机远近不同的大量靶点同时自适应亮度控制两方面的难题，制作大型实物靶标几乎是不可能的。为了克服实物靶标制作困难的问题，可以在三坐标测量机测头处固定ー个靶点，利用三坐标测量机的高精度位移，在空间中构造出一个虚拟的三维靶标，通过虚拟三维靶标及其对应的ニ维图像进行摄像机标定。该方法一定程度上解决了实物靶标加工难度大的问题，但是对于大视场的摄像机标定，三坐标测量机的量程相对较小，靶点的移动范围(即虚拟立体靶标的大小)仍无法覆盖整个測量空间，从而严重影响标定精度(见本说明书“有 益效果”中的对比说明)。
技术实现思路
技术问题本专利技术g在克服已有技术的不足之处，提出，解决大尺寸的高精度实物靶标无法制作，而小尺寸靶标(包括虚拟立体靶标)无法覆盖整个測量空间，导致标定结果不能真实反应整个大视场范围内的摄像机成像模型，因而标定精度较低的问题。技术方案—种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定方法，其特征在于包括如下步骤步骤ー初始化标定过程在三维数控移动装置上固定好ー个亮度可以自适应控制的红外LED靶点，在三维数控移动装置的行程内确定η个靶点预设位置，要求η > 6 ;在摄像机标定空间内确定m个摄像机拍摄方位，要求各个拍摄方位下的虚拟立体靶标累积分布于摄像机坐标系下的整个标定空间，赋予当前拍摄方位标志j = 1，取三维数控移动装置的坐标系为世界坐标系； 步骤ニ 把摄像机放置于第j个拍摄方位，置靶点当前预设位置标志i = I步骤三在第j个方位下拍摄虚拟立体靶标測量机精确移动靶点至第i个预设位置Pi,并由摄像机对Pi位置处的靶点进行图像采集，记此时的靶点图像坐标为Pu，然后判断在第j个拍摄方位下是否已遍历了全部η个预设靶点位置，如果是则进入步骤四，否则，将靶点的当前预设位置标志i増加1，即i — i+Ι，重复本步骤过程，直到遍历全部η个预设靶点位置，由此在三维空间构成ー个虚拟立体靶标，并获得虚拟立体靶标每一个靶点位置在第j个拍摄方位下的图像；步骤四由第j个摄像机方位下拍摄的虚拟立体靶标求解摄像机内、外參数根据线性摄像机模型有 Γ Γ 「A _ Uijax0 U0V义、=O^ V0 j =M7Pj(I)I J |_ O O I J '其中τ是空间靶点Pi在第j个摄像机方位下根据线性成像模型可以得到的像素单位的无畸变图像坐-Pu的齐次形式，^ = [Aス.,Z,.,为点Pi的世界坐标的齐次形式，Rj和ち分别表示世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵与平移向量，α x和a y分别表示摄像机在图像中两个坐标轴方向的等效焦距，(Utl, V0)是摄像机主点的图像坐标，Mj为第j个摄像机方位下的投影矩阵，λ为ー常系数；记 % O U0A= O ^ V0OO I称矩阵A为摄像机的内參数矩阵，和も为第j个摄像机方位下的摄像机外參数；将(I)式整理可得如下两个线性方程Xim11+Yim12+Zim13+m14-uiJXim31-uiJYim32-uiJZim33-uiJm34 = O(2)Xirn21~*~Yim22~*~ZiIH23+rn24—Vi JXjm3I-vI jYirn32—VijZiffl33_Vijm34 — 其中mM(p = 1，2，3 ;q = 1，2，3，4)是矩阵％的第p行q列元素。根据虚拟立体靶标中的η个靶点由(2)式形成2η个关于mM (P = 1,2,3 ；q= 1,2,3,4)的线性方程，由于是齐次方程，因此令m34 = I ;又因为虚拟立体靶标中的靶点个数η > 6，因此，可以根据2η个方程通过最小二乗法求解出投影矩阵Mj ;对矩阵Mj进行RQ分解，求出摄像机在线性模型下的内參数矩阵Α，和第j个摄像机方位下摄像机的外參数も和も，作为下面非线性优化的初始值；由于摄像机系统还可能存在非线性畸变，因此考虑非线性畸变对标定參数做进ー步优化。根据成像几何关系，有权利要求1.，其特征在于包括如下步骤 步骤一初始化标定过程 在三维数控移动装置上固定好一个亮度可以自适应控制的红外LED靶点，在三维数控移动装置的行程内确定n个靶点预设位置，要求n > 6 ;在摄像机标定空间内确定m个摄像机拍摄方位，要求各个拍摄方位下的虚拟立体靶标累积分布于摄像机坐标系下的整个标定空间，赋予当前拍摄方位标志j = 1，取三维数控移动装置的坐标系为世界坐标系； 步骤二 把摄像机放置于第j个拍摄方位，置靶点当前预设位置标志i = I 步骤三在第j个方位下拍摄虚拟立体靶标 测量机精确移动靶点至第i个预设位置Pi,并由摄像机对Pi位置处的靶点进行图像采集，记此时的靶点图像坐标为Pij,然后判断在第j个拍摄方位下是否已遍历了全部n个预设靶点位置，如果是则进入步骤四，否则，将靶点的当前预设位置标志i增加1，即i — i+1，重复本步骤过程，直到遍历全部n个预设靶点位置，由此在三维空间构成一个虚拟立体靶标，并获得虚拟立体靶标每一个靶点位置在第j个拍摄方位下的图像； 步骤四由第j个摄像机方位下拍摄的虚拟立体靶标求解摄像机内、外参数 根据线性摄像机模型有全文摘要本专利技术提供，属于测量、测试领域。本专利技术采用亮度自适应的单个红外LED作为目标靶点，将该靶点固定在三维数控机械装置上，并控制其移动至预先设定的空间位置。在三维空间构成一个虚拟立体靶标。每次靶点到达设定的空间位置时，摄像机对靶点进行图像采集。通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张丽艳，杨博文，叶南，孙楠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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