基于光学成像测头和视觉图结构的多摄像机系统标定方法

摘要

一种基于光学成像测头和视觉图结构的多摄像机系统标定方法，利用光学成像测头对各摄像进行独立标定，得到各摄像机的内参数和畸变参数初值；对多摄像机进行两两标定，采用线性估计方法得到视场有重叠区域的两个摄像机间的基本矩阵、极线约束、旋转矩阵和平移向量；根据图理论和视觉图结构建立多摄像机间的连接关系，采用最短路径方法估计每个摄像机相对于参考摄像机的旋转和平移向量初值；运用稀疏捆绑调整算法对所有摄像机的全体内外参数和采集的光学成像测头的三维标志点集进行优化估计，得到高精度的标定结果。本发明标定过程简单，由局部到全局、由粗到精，实现了高精度和鲁棒的标定，适用于不同测量范围、不同分布结构的多摄像机系统的标定。

主权项

一种基于光学成像测头和视觉图结构的多摄像机系统标定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、硬件的建立：采用分布式的多个摄像机和一个已标定的光学成像测头，所有摄像机不要求有重叠的视场空间，但要求至少每两个摄像机之间有重叠视场；步骤2、确定每个摄像机的空间位置，为每个摄像机确定一个或多个空间定位点，按空间定位点选择的原则即在单摄像机或多摄像机的标定过程中光学成像测头均能位于所标定的摄像机视场以内，在单摄像机的标定中，首先在其对应的定位点上安装基准定位块(1)，将光学成像测头置入每个摄像机视场范围，并与基准定位块(1)对准，以光学成像测头的测尖(2)为圆心转动光学成像测头，光学成像测头靶体(4)上的七个标志点(5)以测尖(2)为圆心同心旋转，摄像机采集光学成像测头不同姿态的多幅图像，其中每个标志点(5)由六个LED组成，其重心为标志点中心；其次，采用阈值分割和椭圆拟合算法提取每幅图像中的每个LED子像素的中心坐标，采用重心法计算每个标志点(5)的中心坐标；最后，根据标志点(5)的同心圆旋转关系和已标定的空间距离不变关系，恢复每个摄像机的内参数矩阵和畸变参数；步骤3、重新选择并定位空间定位点，调整光学成像测头姿态，确保光学成像测头位于每两个或以上摄像机的重叠视场内；在重叠视场内，旋转光学成像测头，由视场重叠的摄像机同时获取光学成像测头标志点的LED图像，通过图像处理、中心识别和标志点匹配，并根据标志点间的几何约束，恢复局部两摄像机间的基本矩阵、本质矩阵、极线几何关系以及旋转矩阵、平移向量；步骤4、以每个摄像机为结点，以具有重叠视场的每两个摄像机为边，构建多摄像机系统的视觉图，每条边的方向由初始标定的局部旋转矩阵和平 移向量确定，并由前一摄像机指向变换后的另一摄像机；在视觉图内，首先确定参考摄像机，由参考摄像机开始，建立所有摄像机之间的连接关系，采用最短路径法计算每个摄像机相对参考摄像机的旋转矩阵和平移向量，实现多摄像机系统的全局初始标定；步骤5、根据多摄像机系统的全局初始标定结果，将步骤2和步骤3采集、识别、获取的标志点反投影到参考摄像机坐标系，以此建立世界坐标系中的三维标定点集；采用稀疏捆绑调整算法对全部标定参数和三维标定点集进行优化估计，获取鲁棒和高精度的标定结果；步骤6、若标定结果已满足测量精度要求，标定过程结束；若不满足，则增加光学成像测头定位点数量，重新采集图像，将识别及重建的新的三维标定点增加到原来的标志点集中，采用稀疏捆绑调整算法重新优化全部标定参数和三维标定点集，重新标定各参数。