本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺檢測以及圖像檢測領(lǐng)域，涉及一種基于時(shí)空轉(zhuǎn)換思想的攝像機(jī)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

在計(jì)算機(jī)視覺及圖像檢測應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中二維對應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，必須建立攝像機(jī)成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下這些參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)求解參數(shù)的過程即為攝像機(jī)標(biāo)定。因此攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定是視覺檢測中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響攝像機(jī)工作產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，簡化攝像機(jī)標(biāo)定，提高標(biāo)定精度是目前科研工作的重點(diǎn)所在。但是已有的常用標(biāo)定方式幾乎都需要標(biāo)定板或其他立體參照物作為目標(biāo)協(xié)助標(biāo)定，然后通過攝像機(jī)多組拍攝，來獲取攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)。但是在進(jìn)行現(xiàn)場測量時(shí)，由于復(fù)雜的環(huán)境，標(biāo)定的時(shí)間和空間極其有限，被測物的移動(dòng)會導(dǎo)致常規(guī)的標(biāo)定方法難以快速有效的完成標(biāo)定，造成測量周期延長，測量的實(shí)時(shí)性降低以及視覺測量的精度下降。

目前常用的標(biāo)定方法是張正友在《aflexiblenewtechniqueforcameracalibration》一文中提出的基于平面標(biāo)定板的標(biāo)定方法，該方法是介于傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定之間的一種方法，它只需要攝像機(jī)對某個(gè)標(biāo)定板從不同方向拍攝多幅圖片，通過標(biāo)定板上每個(gè)特征點(diǎn)和其像平面的像點(diǎn)間的對應(yīng)關(guān)系，即每一幅圖像的單應(yīng)矩陣來進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定，有較為廣泛的應(yīng)用。該方法具有較高精度，但是需要標(biāo)定板來輔助標(biāo)定，標(biāo)定精度依賴于標(biāo)定板的精度，而且標(biāo)定板價(jià)格昂貴，同時(shí)張氏標(biāo)定法算法復(fù)雜，標(biāo)定耗時(shí)長，標(biāo)定時(shí)需要占據(jù)大量的空間，在現(xiàn)場進(jìn)行測量時(shí)不方便，因此不適合攝像機(jī)參數(shù)現(xiàn)場在線調(diào)整。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有標(biāo)定方法的不足，針對在工業(yè)測量現(xiàn)場缺少有效的攝像機(jī)標(biāo)定方法的情況，發(fā)明一種基于時(shí)空轉(zhuǎn)換思想的攝像機(jī)標(biāo)定方法。該方法利用激光在墻壁平面上的掃掠，獲得大量位置特征點(diǎn)信息，根據(jù)獲得的特征點(diǎn)對攝像機(jī)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，獲得包括光軸通過像平面的主點(diǎn)坐標(biāo)以及等效焦距，攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣以及攝像機(jī)間的平移矩陣等參數(shù)。本方法執(zhí)行標(biāo)定時(shí)不需要占用過多空間，投射靶點(diǎn)的速度也很快，節(jié)省標(biāo)定時(shí)間，因此可以有效地適應(yīng)加工現(xiàn)場環(huán)境。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于時(shí)空轉(zhuǎn)換思想的攝像機(jī)標(biāo)定方法，該方法通過兩個(gè)以一定角度相互定位的轉(zhuǎn)臺和安裝在其中一個(gè)轉(zhuǎn)臺的激光器組成立體轉(zhuǎn)臺裝置，通過兩個(gè)轉(zhuǎn)臺相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制激光器，使激光點(diǎn)在墻壁上掃掠，再通過時(shí)間與空間的轉(zhuǎn)換思想，獲得掃掠的距離和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系式，使用攝像機(jī)在對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)對激光點(diǎn)圖像進(jìn)行拍攝，獲得大量對應(yīng)的二維空間特征點(diǎn)，然后根據(jù)小孔成像模型原理，分別得出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)，方法的具體步驟如下：

步驟1：立體轉(zhuǎn)臺裝置的裝配

立體轉(zhuǎn)臺裝置中，上、下轉(zhuǎn)臺1、2相互以一定角度定位安裝，將激光器3固定在其中一個(gè)轉(zhuǎn)臺上，通過兩個(gè)轉(zhuǎn)臺相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制激光器3，實(shí)現(xiàn)激光器3在墻壁6平面的任意處投射激光點(diǎn)，同時(shí)使用攝像機(jī)4對激光靶點(diǎn)圖像進(jìn)行拍攝，獲得包含激光靶點(diǎn)特征點(diǎn)信息的圖像；

步驟2：利用攝像機(jī)分時(shí)多次拍攝墻壁上特征點(diǎn)，獲得多組圖像信息數(shù)據(jù)。

使用立體轉(zhuǎn)臺設(shè)備在目標(biāo)墻壁上投射多組激光靶點(diǎn)，同時(shí)多次拍攝，在拍攝的每一組圖像中，通過時(shí)空轉(zhuǎn)換關(guān)系式求出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)拍攝圖像中特征點(diǎn)的實(shí)際尺寸。

公式(1)為根據(jù)附圖2推導(dǎo)得出的時(shí)空轉(zhuǎn)換關(guān)系式，其中：l為特征點(diǎn)與初始點(diǎn)的實(shí)際尺寸，從附圖2中可以看出，該未知量是由旋轉(zhuǎn)激光靶點(diǎn)構(gòu)成的假想圓，在墻壁上的速度投影的積分得到的，其速度大小為wr，投影角為α-θ，因此需要記錄測量其他相關(guān)變量r、θ、l、α、w、t；其中r為初始點(diǎn)到激光器的距離，θ為初始點(diǎn)速度與l的夾角，α為特征點(diǎn)速度與l的夾角，w為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度，t為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。利用已知參數(shù)帶入公式(1)中，可以求解標(biāo)定過程中特征點(diǎn)與初始點(diǎn)的實(shí)際尺寸，即特定的時(shí)間點(diǎn)和空間特征點(diǎn)位置的關(guān)系；根據(jù)不同時(shí)刻相機(jī)拍攝的多組投射點(diǎn)圖像，可以求解每一組攝像機(jī)標(biāo)定中的特征點(diǎn)的位置信息。

以墻壁上任一特征點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以墻壁平面為xoy平面，建立空間立體坐標(biāo)系，稱為世界坐標(biāo)系；由于墻壁上各個(gè)特征點(diǎn)實(shí)際尺寸已知，所以墻壁上各個(gè)特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)已知。當(dāng)墻面近似為理想平面時(shí)，z軸坐標(biāo)為零；當(dāng)墻面并非理想平面時(shí)，激光器掃掠獲得的特征點(diǎn)具有三維信息，各個(gè)特征點(diǎn)z軸方向信息可以由極坐標(biāo)(l，β)表示，其中極坐標(biāo)中參數(shù)的求解根據(jù)附圖3可以得到如下公式：

β＝90°-α-arccos((l²+r²-r1²)/2rl)(3)

如公式(2)所示，將非理想平面墻壁上的點(diǎn)假設(shè)為任意特征點(diǎn)，其極坐標(biāo)為(l，β)，如附圖3所示，首先利用測量的長度r和r1的余弦定理，獲得記坐標(biāo)的極徑l，再通過特征量三角形的幾何關(guān)系，得到極坐標(biāo)極角β；最后根據(jù)特征點(diǎn)的極坐標(biāo)在xoy平面上的投影，獲得特征點(diǎn)的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)，從而得到特征點(diǎn)的幾何特征信息。

步驟3：建立優(yōu)化模型優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)

攝像機(jī)標(biāo)定采用經(jīng)典的小孔成像模型，將步驟2中每一組獲得的幾何特征信息處理后帶入下列小孔模型中聯(lián)立獲得多組方程，即可求解出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即得到相機(jī)的相關(guān)內(nèi)參數(shù)以及標(biāo)定現(xiàn)場的外參數(shù)，小孔模型的表達(dá)式如下

其中，(xw,yw,zw，1)^t為空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，(u,v，1)^t為對應(yīng)的圖像像點(diǎn)像素坐標(biāo)系ο0uv中的齊次坐標(biāo)，αx＝f/dx為ο0uv坐標(biāo)系內(nèi)u軸上的尺度因子，αy＝f/dy為坐標(biāo)系ο0uv內(nèi)v軸上的尺度因子，f為攝像機(jī)鏡頭焦距，dx與dy分別為像元的橫、縱物理尺寸，(u0,v0)為主點(diǎn)坐標(biāo)，ρc為比例系數(shù)，k為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，[r|t]為攝像機(jī)的外部參數(shù)矩陣，其中，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移向量。

之后，利用攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量求解目標(biāo)墻壁上所有特征點(diǎn)重投影坐標(biāo)具體公式如下：

其中，rij為旋轉(zhuǎn)矩陣r的第i行、第j列上的元素，平移向量t＝(t1,t2,t3)^t，fx為攝像機(jī)橫向尺度因子，fy為攝像機(jī)縱向尺度因子，ρ0為主點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)，λ0為主點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的縱坐標(biāo)，(xw,yw,zw)為特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

根據(jù)已知畸變系數(shù)，將實(shí)際拍攝獲得的重投影像點(diǎn)坐標(biāo)校正為相應(yīng)的理想像點(diǎn)坐標(biāo)(un,vn)；建立優(yōu)化模型通過迭代極小化重投影像點(diǎn)坐標(biāo)和理想像點(diǎn)坐標(biāo)的偏差，目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：

采用lm非線性優(yōu)化算法，將hessian陣變?yōu)閷ΨQ正定陣求解，當(dāng)偏差最小時(shí)對應(yīng)的參數(shù)即為優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)攝像機(jī)參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是標(biāo)定方法不需要采用輔助標(biāo)定板等高精度器材即可保證標(biāo)定精度，執(zhí)行標(biāo)定時(shí)不需要占用空間，投射靶點(diǎn)的速度也很快，節(jié)省標(biāo)定時(shí)間。因此，可以有效地適應(yīng)加工現(xiàn)場環(huán)境，有效改善現(xiàn)場標(biāo)定的效果，提高標(biāo)定效率。

附圖說明

圖1為時(shí)空轉(zhuǎn)換思想的攝像機(jī)標(biāo)定方法的裝置示意圖，其中，1-上轉(zhuǎn)臺、2-下轉(zhuǎn)臺、3-激光器、4-攝像機(jī)、5-支架，6-墻壁。

圖2為時(shí)空轉(zhuǎn)換推論原理圖。其中，l為特征點(diǎn)與初始點(diǎn)的實(shí)際尺寸，r為初始點(diǎn)到激光器的距離，θ為初始點(diǎn)速度與l的夾角，α為初始特征點(diǎn)速度與l的夾角，w為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度，t為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

圖3為非理想平面墻壁時(shí)空轉(zhuǎn)換推論原理圖。其中，l為特征點(diǎn)與初始點(diǎn)的實(shí)際尺寸，r為初始點(diǎn)到激光器的距離，點(diǎn)p為非理想平面墻壁上任意點(diǎn)，r1為任意點(diǎn)到激光器的距離，θ為初始點(diǎn)速度與l的夾角，β為任意點(diǎn)與理想墻面平面的夾角，α為初始特征點(diǎn)速度與l的夾角，w為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度，t為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施。

圖1為攝像機(jī)標(biāo)定方法的裝置示意圖，方法的具體步驟如下：

步驟1：安裝立體轉(zhuǎn)臺設(shè)備

如附圖1所示，立體轉(zhuǎn)臺設(shè)備由上轉(zhuǎn)臺1和下轉(zhuǎn)臺2以一定角度相互定位，使用時(shí)將激光器3固定上轉(zhuǎn)臺1上，通過兩個(gè)轉(zhuǎn)臺各自的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光器3在墻壁6平面的任意處投射激光點(diǎn)的目的。

步驟2：利用攝像機(jī)4分時(shí)多次拍攝墻壁6上的特征點(diǎn)，獲得多組圖像信息數(shù)據(jù)。對拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在拍攝的每一組圖像中，因公式(1)是根據(jù)附圖2推導(dǎo)得出的時(shí)空轉(zhuǎn)換關(guān)系式，該公式可以求解標(biāo)定過程中轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時(shí)間和空間特征點(diǎn)的位置關(guān)系，在不同時(shí)刻相機(jī)拍攝多組投射點(diǎn)圖像，在上述各參數(shù)已知的條件下，可以求解每一組攝像機(jī)標(biāo)定中的特征點(diǎn)的位置信息。

以墻壁6上任一特征點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以墻壁平面為xoy平面，建立空間立體坐標(biāo)系，稱為世界坐標(biāo)系；由于墻壁上各個(gè)特征點(diǎn)實(shí)際尺寸已知，所以墻壁6上各個(gè)特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)已知。當(dāng)墻面近似為理想平面時(shí)，z軸坐標(biāo)為零。當(dāng)墻面不是理想平面時(shí)，同樣可以根據(jù)附圖2推導(dǎo)出墻壁上各個(gè)特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)，以及各個(gè)特征點(diǎn)z軸的極坐標(biāo)。若墻面不是理想平面，根據(jù)上述公式無法獲得xoy平面的相關(guān)參數(shù)，需要先獲得各個(gè)特征點(diǎn)z軸的極坐標(biāo)(l，β)，利用公式(2)、(3)求解，根據(jù)各個(gè)特征點(diǎn)的極坐標(biāo)，在xoy平面上進(jìn)行投影，獲得特征點(diǎn)的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)，得到特征點(diǎn)的所有特征信息。

步驟3：建立優(yōu)化模型優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)

攝像機(jī)標(biāo)定采用經(jīng)典的小孔成像模型，該模型表達(dá)式如公式(4)，其中，(xw,yw,zw，1)^t為空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，(u,v，1)^t為對應(yīng)的圖像像點(diǎn)像素坐標(biāo)系ο0uv中的齊次坐標(biāo)，從步驟2中攝像機(jī)拍攝圖像和圖像處理后得到特征信息中分別得到多組參數(shù)(xw,yw,zw，1)^t和(u,v，1)^t，再通過與小孔模型公式(3)聯(lián)立構(gòu)成足夠數(shù)量的方程，可以求解得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，包括：αx＝f/dx為ο0uv坐標(biāo)系內(nèi)u軸上的尺度因子，αy＝f/dy為坐標(biāo)系ο0uv內(nèi)v軸上的尺度因子，f為攝像機(jī)鏡頭焦距，dx與dy分別為像元的橫、縱物理尺寸，(u0,v0)為主點(diǎn)坐標(biāo)，ρc為比例系數(shù)，k為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，[r|t]為攝像機(jī)的外部參數(shù)矩陣，其中，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移向量。

將之前獲得的攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，代入公式(4)中獲得求解目標(biāo)墻壁上所有特征點(diǎn)重投影實(shí)際坐標(biāo)由于實(shí)際拍攝獲得的重投影像點(diǎn)坐標(biāo)存在一定的畸變，需要根據(jù)已知的畸變參數(shù)將其校正為理想像點(diǎn)坐標(biāo)(un,vn)；然后建立優(yōu)化模型，通過迭代極小化重投影像點(diǎn)坐標(biāo)和理想像點(diǎn)坐標(biāo)的偏差，其目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為：

采用lm非線性優(yōu)化算法，將hessian陣變?yōu)閷ΨQ正定陣求解，當(dāng)偏差最小時(shí)獲得的對應(yīng)內(nèi)外參數(shù)，即為最終優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)攝像機(jī)參數(shù)。