双目视觉转轴标定方法

摘要

本发明属于利用视觉原理进行检测的技术，特别涉及双目视觉转轴标定方法。为提供一种操作方便，标定的过程比较简单的双目视觉转轴标定方法，发明采用的技术方案是：双目视觉转轴标定方法，包括下列步骤：1)获取球形靶标边缘；2)求取空间球心坐标；3)标定计算转轴参数。本发明主要用于利用两个摄像机模拟人眼的结构对空间特征点进行测量。

主权项

1、一种双目视觉转轴标定方法，其特征在于，包括下列步骤：1)球形靶标边缘获取：通过灰度值跳变像素的寻找粗略搜寻出靶标的边缘，然后根据边缘上相邻象素点之间的曲率变化对边缘进行筛选，得到准确的球形靶标边缘点；2)空间球心坐标求取：设球形靶标边缘l_c上点的图像坐标为(u_i，v_i)，则其对应的圆心坐标(u_o，v_o)应满足：(u_i-u_o)²+(v_i-v_o)²＝r²    i＝1，2，…，n    (1)使用最小二乘法求解方程组(1)即可得到l_c对应的圆心坐标O，根据摄像机小孔成像模型，摄像机像平面上的圆心坐标O在摄像机坐标系下的坐标为(u_o，v_o，-f)，f为摄像机镜头的焦距，通过摄像机标定获取，连接O与摄像机镜头的光心O_c(0，0，0)，得到空间直线l₀：$\frac{x-t_x}{r_1{u}_o-r_2{v}_o-r_{3}f}=\frac{y-t_y}{r_4{u}_o+r_5{v}_o-r_{6}f}=\frac{z-t_z}{r_7{u}_o+r_8{v}_o-r_{9}f}---\left(2\right)$其中：$R=\left(\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right),$$T=\left(\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right)$分别为摄像机坐标系到测量系统世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，r₁，r₂…r₉为旋转矩阵的旋转分量，代表摄像机坐标系与测量系统世界坐标系之间每个坐标轴的角度关系，t_x，t_y，t_z分别为坐标两系之间的平移分量，是两个坐标系坐标原点之间的相互位置，旋转分量、平移分量通过对双目测量系统的标定获取；分别设置左右两个摄像机的摄像机坐标系，它们与测量系统世界坐标系O_w-X_wY_wZ_w之间的相互位置关系通过双目视觉测量系统标定获取，分别对左右摄像机像面上球形靶标边缘进行筛选，l_c1和l_c2分别为左右摄像机像面上球形靶标边缘筛选结果，l_c1和l_c2在空间上对应标定球形靶标上的两个大圆l₁和l₂，通过方程组(1)可以分别得到l_c1和l_c2在各自摄像机坐标系下的圆心坐标(u_o1，v_o1，-f₁)和(u_o2，v_o2，-f₂)，则根据公式(2)得到的圆心空间直线l₀₁和l₀₂的交点即为标定球形靶标在当前位置上的球心坐标；3)转轴参数标定计算：在若干个位置上分别求取标定球形靶标的球心坐标，得到一组围绕转轴中心轴线旋转的点O_n(x_n，y_n，z_n)n＝1，2，…，N，将这些球心坐标代入空间平面方程，构造线性方程组：Ax_n+By_n+Cz_n+D＝0    n＝1，2，…，N    (3)其中A、B、C、D为平面方程参数，利用最小二乘法求解这个方程组，可以得到球心旋转轨迹所在的平面方程P_B，该平面的法线矢量即是旋转台转轴的方向矢量：$u=\left[\begin{array}{ccc}{u}_1& u_2& u_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}& \frac{B}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}& \frac{C}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}\end{array}\right]---\left(4\right)$在轨迹平面内P_B内利用搜寻法求取与球心坐标距离最小的点，即在约束条件：Ax+By+Cz+D＝0下求取目标函数：$f(x_n,y_n,z_n)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{{(x_A-x_i)}^2+{(y_A-y_i)}^2+{(z_A-z_i)}^2}---\left(5\right)$的最小值，点O_A(x_A，y_A，z_A)是转轴与球心轨迹平面的交点，因此该点也是转轴上的一点，利用转轴的方向矢量和转轴上的一点就可以将旋转台转轴的方位在空间中表示出来，即完成了旋转台转轴的标定。