[發明專利]高精度大視場機器視覺測量與標定裝置及方法

在審

• 申請號: 201810617905.1
• 申請日: 2018-06-15
• 公開（公告）號: CN109099883A
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發明（設計）人: 夏紅偉;張昊翔;馬廣程;馬長波;王常虹
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01C3/02
• 分類號: G01C3/02;G01C11/02;G01S11/12
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 范光曄

本發明提供了高精度大視場機器視覺測量與標定裝置及方法，屬于圖像處理、高精度測量領域。本發明的具體步驟為：定義多相機視場拼接時使用的坐標系；根據建立完成的相關坐標系，通過平面靶標確定相機坐標系之間坐標變換矩陣；求得相機坐標系之間的坐標變換關系后，進一步求出相機坐標系與總體世界坐標系之間變換矩陣，從而實現多相機的全局標定；將多個相機的測量數據統一到同一個相機坐標系中，最后將該相機坐標系中的測量數據變換到總體世界坐標系中。本發明采用多相機視場拼接的方式實現大視場下的位姿測量，能夠在不降低測量精度的前提下增加位姿測量系統的測量范圍。

技術領域

本發明涉及高精度大視場機器視覺測量與標定裝置及方法，屬于圖像處理、圖像跟蹤和高精度測量領域。

背景技術

論文“大視場視覺定位系統的精度提升技術研究”(天津大學碩士學位論文，趙揚，20141215)中提出了一種針對航空領域中大視場視覺定位精度問題的技術改進方法。該方法針對系統中的定位攝像機具有大視場、高噪聲的特點，通過分析定位攝像機的模型，研究了提高定位系統精度的一些關鍵技術。該論文研究了攝像機畸變模型對位姿測量精度的影響，并且研究了一種基于成像光線追蹤的非模型化攝像機標定方法，經實驗驗證該模型具有抗噪聲和提高定位精度的能力。雖然具有抗噪聲和提高定位精度的能力，但是無法從根本上解決測量精度隨視場增大而降低的特性，只能在攝像機分辨率允許的范圍內提高系統的測量精度。

論文“大視場內多靶板位姿單目視覺跟蹤測量系統的仿真研究”(南京航空航天大學碩士學位論文，翁璇，20140301)中提出了一種多靶板位姿單目視覺測量仿真研究軟件平臺VSM。該仿真平臺以飛機機載設備安裝姿態單目視覺跟蹤監測系統Archer-M為研究背景，為研究靶板結構參數、關鍵算法的系統誤差、靶點定位隨機誤差、測量場的布設等相關因素的影響提供幫助。該論文基于VSM平臺對圖像噪聲引起的靶點光斑質心定位誤差進行了仿真分析，分析了單目視覺系統中Z軸方向測量誤差偏大的內在原因。雖然能夠得出單目視覺系統中Z軸方向測量誤差偏大的內在原因，但是并未給出從工程角度上有效降低該誤差的方法，難以直接應用于實際項目中。

專利“基于編碼結構光的高速運動目標位姿測量方法”(發明專利，劉巍，20150921)中提出了一種用于大視場小目標高速運動物體位姿測量的測量方法。該方法采用彩色投影儀向測量區域投射含有編碼信息的彩色柵線，并且使用高速攝像機連續拍攝經運動物體表面調制而變形的結構光編碼柵線圖案，經數字圖像解碼后，反推出高速運動物體的三維動態形貌，最終準確地測量出高速運動物體的位置、姿態信息，有效解決了立體視覺中的匹配難題。雖然能準確地測量出高速運動物體的位置、姿態信息，并且可以有效解決立體視覺中的匹配難題，但是由于采用了結構光作為位姿測量的光源，其產生的編碼光斑容易受到太陽光等環境光的干擾，而且使用的結構光激光器難以長時間連續工作，對于標定的精度要求也較高。

基于此，本專利提出高精度大視場視覺測量與標定裝置及方法。首先，采用多相機視場拼接的方式增大測量范圍，每個單目相機的測量范圍不變，避免了分辨率固定時測量精度隨測量范圍增大而降低的問題。其次，采用黑色圓形標志點組成的標志物作為位姿測量時的靶標，采用常見的工業相機作為圖像采集設備，在降低成本的同時降低了標定的難度。最后，本專利提出的一種簡單高效、穩定可靠的位姿測量系統精度標定裝置及方法，僅需采集一次測試圖像即可獲得大量的測試數據，實現對系統位姿測量精度的標定。

發明內容

本發明的目的是解決上述現有技術存在的問題，進而提供高精度大視場機器視覺測量與標定裝置及方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明高精度大視場機器視覺測量與標定方法，所述高精度大視場機器視覺測量與標定裝置包括工業相機、相機支架、圖像采集卡和工控機，相機支架與工業相機固定連接，4個工業相機分別位于每個視場子區域的上方，工業相機的信號輸出端與圖像采集卡的信號輸入端連接，圖像采集卡的輸出端與工控機的輸入端連接。