專利名稱：基于cmm移動靶標的相機分區域標定方法
技術領域：
本發明涉及工業生產測量中的相機標定領域，更具體地說，涉及基于三坐標測量機(CMM)移動靶標的相機內外部參數標定方法。
背景技術：
在圖像測量過程以及計算機視覺應用中，為確定空間物體表面某點的三坐標信息與其在圖像中對應點之間的相互關系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數就是相機的內外部參數。在大多數條件下這些參數必須通過實驗與計算才能得到，這個求解參數的過程就稱之為相機標定。相機標定是計算機視覺應用中一個基礎而關鍵的技術，其標定結果的精度及算法的穩定性直接影響相機工作產生結果的準確性。因此，做好相機標定是做好后續工作的前提，提高標定精度是科研工作的重點所在。相機標定算法根據主要分為傳統相機標定法、主動視覺相機標定方法和相機自標定法。傳統相機標定法需要使用尺寸已知的標定物，通過建立標定物上坐標已知的點與其圖像點之間的對應，利用一定的算法獲得相機模型的內外參數，標定精度高。根據標定物的不同可分為三維標定物和平面型標定物。三維標定物可由單幅圖像進行標定，標定精度較高，但高精密三維標定物的加工和維護較困難。平面型標定物比三維標定物制作簡單，精度易保證，但標定時必須采用兩幅或兩幅以上能夠構成三維信息的圖像，圖像處理過程復雜繁瑣。傳統相機標定法在標定過程中始終需要標定物，且標定物的制作精度會影響標定結果。同時有些場合不適合放置標定物也限制了傳統相機標定法的應用。傳統相機標定主要又分為基于最優化算法的標定方法、基于透視變換矩陣的標定方法、考慮畸變補償的Tsai兩步法和雙平面標定法。基于主動視覺的相機標定法是指已知相機的某些運動信息對相機進行標定。該方法不需要標定物，但需要控制相機做某些特殊運動，利用這種運動的特殊性可以計算出相機內部參數。基于主動視覺的相機標定法的優點是算法簡單，往往能夠獲得線性解，魯棒性較高，缺點是系統的成本高、實驗設備昂貴、實驗條件要求高，而且不適合于運動參數位置或無法控制的場合。目前出現的自標定算法中主要是利用相機運動的約束。相機的運動約束條件太強，因此使得其在實際中并不實用。利用場景約束主要是利用場景中的一些平行或者正交的信息。其中空間平行線在相機圖像平面上的交點被稱為消失點，它是射影幾何中一個非常重要的特征，所以很多學者研究了基于消失點的相機自標定方法。自標定方法靈活性強，可對相機進行在線定標。但由于它是基于絕對二次曲線或曲面的方法，其算法魯棒性差。三類相機標定方法中，傳統標定方法精度最高，并且魯棒性也較好，其中傳統相機標定法中基于徑向準直約束(RAC)的Tsai兩步法考慮了相機的畸變模型，通過計算徑向畸變參數對相機進行畸變校正，大大提高了相機標定的精度，自問世以來得到人們的青睞。但由于需要高精度的標定模板，在實際應用中仍有較大的限制。因此研究一種簡單方便而又能夠高精度快速實現的相機標定方法具有重要的理論和現實意義。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，為了能夠簡單快捷并且高精度的實現相機的內外部參數標定，并且無需制作精度要求高且加工復雜的標定模板。本發明的目的通過下述技術方案予以實現基于CMM移動靶標的相機分區域標定方法，包括以下步驟I、借助于精密運動控制系統帶動單個圓形LED光靶標在空間移動；2、利用CXD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機；3、使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得靶標中心在像平面的位置坐標；4、將像平面上的點按照“回”字形分成合適的區域；5、對每一區域的點利用相機畸變模型和改進的Tsai兩步法求解相機的內外部參數。下面結合上述步驟具體說明本方案如下第一步精密運動控制系統為Brown-Sharp三坐標測量機(CMM),并與計算機通過RS232接口相連接，計算機可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移動，移動范圍為(ImX I. 5m X lm), LED光靶標固定在CMM的測量臂上，通過計算機軟件可以實時讀取并存儲測量臂尖端在CMM坐標系(即世界坐標系)下的坐標值。CCD相機固定于光靶標前方，并且不會影響CMM的移動。第二步相機攝取圖像并通過千兆網線實時地傳輸到計算機。CMM呈梯臺形移動，距離相機近的截面面積小，距離遠的截面面積大，這樣能夠保證任何截面上的點落在像平面上時，能夠充分布滿像平面范圍，有助于更精確的進行標定計算。第三步計算機對圖像處理過程包括圖像濾波、閾值分割、黑白翻轉、輪廓跟蹤和最小二乘橢圓擬合，最終獲得光靶標中心在像平面中的坐標，并與其在CMM坐標系下的坐標同時進行存儲。第四步對空間點集按照在像平面成像位置分成幾個區域，由于如說明書附圖
4所示的桶形和枕形畸變對相機參數影響較大，根據這兩種畸變的對稱性可以采用回字形對像平面進行分區域，如附圖5所示。第五步利用改進的Tsai兩步法對各區域的參數進行標定，其中內部參數包括圖像中心坐標(Xf，Yf)、焦距f、橫向掃描間隔dx、徑向和切向兩級畸變參數k1; k2，q1； q2共8個參數；外部參數為旋轉平移矩陣R和T，由于R具有正交性，外部參數共有6個。這14個標定參數的計算方法如下如說明書附圖7所示的徑向準直約束模型，Oc-UcVcWc為相機坐標系，O1-XY為像平面坐標系，ow_xwywzw為世界坐標系，在此標定模型中，即為CMM坐標系。點Q(x，y, z)為世界坐標系的任意一點，其在像平面的理想成像點為QU(XU，Yu)，由于畸變，實際的成像點為Qd(Xd, Yd)。設點Q(x，1，z)在相機坐標系下的坐標為(u，V, w)，根據兩者的坐標變換關系，可知
權利要求
1.基于CMM移動靶標的相機分區域標定方法，其特征在于，按照下述步驟進行 (1)借助于精密運動控制系統帶動光靶標在空間移動，并通過計算機實時讀取并存儲其坐標值； (2)利用CCD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機； (3)使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得光靶標中心在像平面的位置坐標； (4)將像平面上的點按照“回”字形進行區域劃分； (5)對每一區域的點利用相機畸變模型和改進的Tsai兩步法求解相機的內外部參數，進行標定。
2.根據權利要求I所述的基于CMM移動靶標的相機分區域標定方法，其特征在于，所述步驟(5)中，利用相機畸變模型和改進的Tsai兩步法對各區域的參數進行標定，其中內部參數包括圖像中心坐標(Xf，Yf)、焦距f、橫向掃描間隔dx、徑向和切向兩級畸變參數h，k2，q2共8個參數；外部參數為旋轉平移矩陣R和T，由于R具有正交性，外部參數共有6個；按照徑向準直約束模型，Qc-UcVcWc為相機坐標系，O1-XY為像平面坐標系，Ow-Xw7wZw為世界坐標系，在此標定模型中，即為CMM坐標系；AQ(x，y，z)為世界坐標系的任意一點，其在像平面的理想成像點為Qu(Xu，Yu)，由于畸變，實際的成像點為Qd(Xd，Yd);設點Q(x，y，z)在相機坐標系下的坐標為(U，V, w)，根據兩者的坐標變換關系，可知
3.根據權利要求2所述的基于CMM移動靶標的相機分區域標定方法，其特征在于，所述通過Tsai的兩步法思想進行求解，按照下述步驟進行求解 第一步先求取6個外部參數的初值 根據相機的透視變換模型可以得到下列線性方程組
全文摘要
本發明公開了基于CMM移動靶標的相機分區域標定方法，包括借助于精密運動控制系統帶動單個圓形LED光靶標在空間移動；利用CCD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機；使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得靶標中心在像平面的位置坐標；將像平面上的點按照“回”字形分成合適的區域；對每一區域的點利用相機畸變模型和改進的Tsai兩步法求解相機的內外部參數。本發明無需制作精度要求高的標定模板，而是使用三坐標測量機帶動LED光靶標進行移動，大大降低了精確空間三維點集獲取的難度，同時對像平面上的點分區域進行標定計算，能夠有效提高相機的標定精度。
文檔編號G06T7/00GK102663727SQ20121006149
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者劉書桂, 董英華 申請人:天津大學