[發明專利]一種水下立體視覺系統的標定方法

有效

• 申請號: 201710703365.4
• 申請日: 2017-08-16
• 公開（公告）號: CN107767420B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 朱禹軻;張旭;朱利民
• 申請（專利權）人: 華中科技大學無錫研究院
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆

1.一種水下立體視覺系統的標定方法，其特征在于，包括如下步驟：

S101、在水下環境中，使用由內參已知的相機構成的立體視覺系統拍攝若干平面標定板的圖像，提取所述圖像的特征點，并對所述特征點進行畸變校正，得到校正后特征點的坐標，根據所述校正后特征點的坐標和相機的內參矩陣計算得到第一介質層光路的方向；

S102、根據折射光路的幾何關系構造代價函數，任意選取立體視覺系統中的一個相機并對該相機的折射參數進行標定，其中，基于物點到折射主軸的距離構造代價函數，基于所述代價函數進行優化標定出相機的折射參數；所述步驟S102具體包括：設折射參數包括(Ad μ r t)，其中A為折射平面的法線方向；d為矢量，表示各個介質層的厚度；μ也是矢量，表示各個介質層的折射率；r和t也是矢量，表示平面標定板圖像在世界坐標系的姿態和位置；在有M幅圖像存在時，r＝[r₁ r₂ … r_M]，r_m為每幅圖像的羅德里格旋轉向量，m＝1,2,…,M；

折射主軸為經過相機光心C垂直于折射平面的射線，設物點P在世界坐標系下的坐標為P_w，在相機坐標系下的坐標為P_c，物點P到折射主軸的距離P_c⊥表示為：

P_c⊥＝P_c-dot(P_c,A)A (1)

設共有K個介質層，物點P到折射主軸的距離P_c⊥又可以表示為：

其中B為光路平面上與折射平面的法線方向A正交的單位向量，dot()表示矢量點積；

由以上兩式(1)、(2)可得：

其中R，t為相機外參，v_k為第k個介質層的光線的方向矢量，θ_k為v_k與A的夾角；

P_c＝RP_w+t (4)

v₀為第一介質層下光路的方向，v₀根據步驟S101得到的校正后特征點的坐標m和相機的內參矩陣K計算得到：

相機的內參矩陣K為如下形式，f_x和f_y為等效焦距，x₀和y₀為主點位置：

其中公式(6)為斯涅爾(Snell)折射定律，可以展開為：

當步驟S101中立體視覺系統拍攝M幅平面標定板的圖像時，每幅圖像有N個特征點點時，根據(3)構造的代價函數為：

因此，相機的折射參數的求解即為以下非線性優化過程：

(A d μ r t)＝argmin||F|| (12)；

S103、根據步驟S102中已完成標定的相機的折射參數，基于上述代價函數標定立體視覺系統中未標定相機的折射參數及立體視覺系統的外參；其中，所述步驟S103還包括：根據已完成標定的相機的折射參數，對水下多相機系統中未標定相機的折射參數進行標定，直至標定出多相機系統中所有相機的折射參數和外參。

2.根據權利要求1所述的水下立體視覺系統的標定方法，其特征在于，所述步驟S103具體包括：根據步驟S102中已完成標定的相機的折射參數，使用標定得到的平面標定板圖像在世界坐標系的姿態和位置位置參數標定立體視覺系統中未標定相機的折射參數及立體視覺系統的外參，過程如下：

設所述已完成標定的相機為一號相機，標定一號相機時得到的平面標定板圖像在世界坐標系的姿態和位置[R₁ R₂ … R_n]，[t₁ t₂ … t_n]；設一號相機相對于二號相機的姿態和位置為[R_r t_r]，則所述平面標定板圖像在二號相機坐標系下的姿態和位置為[R_rR₁ R_rR₂ …R_rR_n]，[R_rt₁+t_r R_rt₂+t_r … R_rt_n+t_r]；

使用上述公式(10)作為代價函數進行優化標定出二號相機的折射參數即：

(A d μ R_r t_r)＝argmin||F|| (13)

重復上述過程，逐個完成對立體視覺系統中所有未標定相機的折射參數及立體視覺系統的外參的標定。