一种用于机器视觉自动标定的主动发光式标靶及其标定方法

摘要

用于机器视觉自动标定的主动发光式标靶标定方法，采用二维平板式的标靶，标靶上嵌有若干个排列成矩形点阵的发光小灯，所有小灯在水平方向和垂直方向等间距排列，矩形的四个顶点上的四小灯颜色各不相同；每盏小灯由独立的开关控制；标靶的工作模式有放置在远处、近处两种：放置在近处时，标靶上的小灯全部打开；放置在远处时，标靶四角上带有区分性的小灯打开，其余小灯隔行隔列发光；标定步骤是：摄像机在任意选定的不同位置拍摄多组标靶图像，同一位置分别拍摄小灯开启和关闭的图片各一张；使用灰度作差相减的方法处理各组图像去除背景；用灰度重心的方法提取小灯的发光中心点即标定点；将获得数据直接带入摄像机标定算法求得摄像机内外参数。

主权项

1.用于机器视觉自动标定的主动发光式标靶标定方法，采用二维平板式的标靶，其特征在于标靶上嵌有若干个排列成矩形点阵的发光小灯，所有小灯在水平方向和垂直方向等间距排列，矩形的四个顶点上的四小灯颜色各不相同，其余的小灯颜色一致但不与四角上小灯颜色相同；每盏小灯由独立的开关控制；标靶的工作模式有放置在远处、近处两种：放置在近处时，标靶上的小灯全部打开；放置在远处时，标靶四角上带有区分性的小灯打开，其余小灯隔行隔列发光。标定步骤是：摄像机在任意选定的不同位置拍摄多组标靶图像，同一位置分别拍摄小灯开启和关闭的图片各一张；使用灰度作差相减的方法处理各组图像去除背景；使用灰度重心的方法提取出图像中小灯的发光中心点；建立统一方向的世界坐标系，计算全部小灯的世界坐标；最后将计算结果直接代入摄像机标定算法，解得摄像机的内部参数和外部参数，其中内部参数为焦距、像素比例因子、水平、垂直像素单位长度和主点坐标；外部参数为世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转和位移关系；步骤一：放置标靶在摄像机视野里的不同位置，拍摄多组彩色图像；每组图片是在每个位置分别拍摄小灯开启和关闭的图片各一张；步骤二：处理每组图片，得到没有背景仅剩小灯光点的标靶图片；该图上每点的灰度值为亮灯图片在此点的灰度值减去灭灯图片在此点的灰度值；步骤三：将所得图片进行阀值分割，去除小灯附近的散射光圈；步骤四：针对每个光点，使用灰度重心的方法计算其发光的重心点；假设小灯发光光强对称，所以此时的重心点就是小灯的几何中心点；使用灰度重心法公式：其中x，y是图像坐标系上的点，f(x，y)是这点的灰度值，x1，y1是重心点坐标；计算全部光点的中心点，得到图像坐标系下的全部标定点坐标；步骤五：利用标靶上四角小灯为不同颜色的特点来建立方向统一的世界坐标系，小灯的世界坐标通过测量实际距离原点的尺寸获得；计算全部小灯的世界坐标，得到世界坐标系下得全部数据；摄像机的成像以近似为针孔模型：以标靶的一顶点为原点，标靶平面为O_wX_wY_w平面建立世界坐标系O_wX_wY_wZ_w。以摄像机中心O_c为原点，建立摄像机坐标系O_cX_cY_cZ_c。以图像的左上顶点O为原点，建立图像坐标系O₀U₀V₀。若P为标靶上任一点，其在世界坐标系下的坐标为P_w(x_w，y_w，z_w)，在摄像机坐标系下得坐标为P_c(x_c，y_c，z_c)，在图像坐标系下坐标为P₀(x₀，y₀)。则世界坐标系和图像坐标系的对应关系为：$S\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ 1\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{cc}R& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\alpha & c& u_0\\ 0& \beta & v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$其中s为比例系数；矩阵[R T]称为外部参数，其中R和T分别表示世界坐标系和摄像机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；矩阵A称为内部参数，其中(u₀，v₀)为光轴与图像坐标系的交点即主点坐标，α和β分别为摄像机在x、y方向上的归一化焦距，c为摄像机x轴和y轴之间的不垂直因子；步骤六：将步骤五得到的世界坐标系、图像坐标系下的标定点坐标数据计算出摄像机的内外参数。