[發(fā)明專利]一種基于光線角度標定的三維坐標測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510201080.1
• 申請日: 2015-04-27
• 公開（公告）號: CN104807405B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設計）人: 李大海;代貞強;楊麗杰;李成旭;鄂可偉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/03;G06T7/00
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1.一種基于光線角度標定的三維坐標測量方法，其特征是：以二維棋盤格參照物作為標定靶，測量得到外置光孔以及標靶上角點的坐標；而后，將由角點過光孔的光線投影于世界坐標系各平面，計算出此光線與攝像機光軸的夾角；接下來拍攝單幅圖像，由Harris角點檢測算法得到圖像坐標系下角點坐標，以像素為單位插值，根據針孔相機原理，可得到CCD靶面上各像素點過光孔的光線與光軸的夾角；最后，以此角度矩陣計算標定靶面上任意點的空間坐標；坐標測量的具體步驟如下：

步驟1：測量外置光孔及平面標定靶上特征點坐標

在攝像機鏡頭前方添加外置光孔，測量外置光孔C在世界坐標系O_w-X_wY_wZ_w下的坐標C(x_c,y_c,z_c)，以二維棋盤格平面作為標定靶面，測量棋盤格上角點在世界坐標系下的的坐標矩陣；

步驟2：攝像機主點空間坐標的測量

攝像機標定是指利用參數已知的標定參照物，通過建立標定靶面上已知空間坐標的點與其圖像點的對應關系，求解攝像機內外參數，再通過下面的投影關系，可以求得主點的空間坐標；

$s\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\α}& 0& u_0& 0\\ 0& \mathrm{\β}& v_0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

s為比例因子，α和β分別為u軸和v軸方向的像素焦距，u、v為圖像坐標，主點坐標為(u₀,v₀)，旋轉矩陣R和平移向量T則均為攝像機的外參數矩陣，(x_w，y_w，z_w)為與圖像坐標(u，v)對應的世界坐標；

步驟3：光線角度計算

測量攝像機靶面上每個像素點經過外置光孔的光線與攝像機光軸的夾角：標定面平行于O_wX_wY_w面，令C為外置光孔，CN垂直于標定靶面，P為主點，M為標定靶面上任意一角點，θ為CM與CP的夾角，A為標定靶面內任意一點，為CA與CP的夾角，為CP與CN的夾角，θ_x，分別為θ，投影于X_wO_wZ_w面時的分量；通過步驟1和步驟2，可得C(x_c,y_c,z_c)，M(x_m,y_m,z₀)，P(x₀,y₀,z₀)，N(x_c,y_c,z₀)，則有

當投影于X_wO_wZ_w面時，Y方向分量為0，有

${\mathrm{cos\θ}}_x=\frac{(x_m-x_c)(x_0-x_c)+{(z_0-z_c)}^2}{\sqrt{{(x_m-x_c)}^2+{(z_0-z_c)}^2}\·\sqrt{{(x_0-x_c)}^2+{(z_0-z_c)}^2}}---\left(3\right)$

當投影于Y_wO_wZ_w面時，X方向分量為0，有

${\mathrm{cos\θ}}_y=\frac{(y_m-y_c)(y_0-y_c)+{(z_0-z_c)}^2}{\sqrt{{(y_m-y_c)}^2+{(z_0-z_c)}^2}\·\sqrt{{(y_0-y_c)}^2+{(z_0-z_c)}^2}}---\left(5\right)$

由(2)可計算出由角點發(fā)出并且過光孔的光線與光軸的夾角θ，由Harris角點檢測算法得到圖像坐標系下角點坐標，以相鄰的兩個角點為一段，像素為單位對θ進行線性插值，可以得到所選取棋盤格范圍內CCD上每個像素對應的光線與光軸的夾角同理，由(3)(5)可求得其X,Y方向上的分量；

步驟4：實際坐標的測量

對于標定靶面上的任意一點A(x_a，y_a)，有

即是，其實際坐標有

根據(9)(10)兩式可以求出靶面上任意一點的三維空間坐標。