[發(fā)明專利]一種基于相機組的無公共視場的多相機全局標(biāo)定裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811475135.8
• 申請日: 2018-12-04
• 公開（公告）號: CN109559355B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏振忠;鄒偉;劉福林
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;鄧治平

本發(fā)明公開了一種基于相機組的無公共視場的多相機全局標(biāo)定裝置及方法，包括：采用相機組代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中的兩個平面特征點靶標(biāo)之間的較長連接桿，有效的解決了由于連接桿導(dǎo)致公共空間約束受限的問題。首先采用基于圖像模糊度和噪聲強度的方法進行標(biāo)定圖像篩選；其次利用手眼方程AX＝Y(jié)B求解待標(biāo)定的外部參數(shù)；最后將相機的內(nèi)部參數(shù)、鏡頭畸變參數(shù)與相機間的外部參數(shù)同時優(yōu)化，有效地提高了全局保定精度，并通過引入極線約束與反投影誤差共同構(gòu)成3D目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，有效地解決了多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的不穩(wěn)定問題。該方法應(yīng)用范圍廣，機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作靈活方便，特別適用于復(fù)雜的多相機空間分布，如長工作距離、非對稱工作夾角等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及視覺測量技術(shù)，具體說就是一種基于相機組的無公共視場的多相機全局標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)

多相機視覺測量系統(tǒng)在視覺檢測、三維重建、全景攝影、視頻監(jiān)控、機器人導(dǎo)航、運動估計、增強現(xiàn)實等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。所有這些應(yīng)用往往需要將所有相機的測量精確地統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系下而完成檢測。然而，一個固有的問題是相機可能具有非重疊視場，這使得很難建立公共的空間約束，特別是在一些復(fù)雜的相機空間分布中，例如長工作距離(幾米到幾十米)，非對稱的工作角度，或狹窄的工作空間等。因此，精確的外部參數(shù)標(biāo)定和簡單的操作是多相機視覺測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，常用的無公共視場的多相機視覺測量系統(tǒng)的全局標(biāo)定方法有三類：

一是基于三維坐標(biāo)測量設(shè)備的方法，R.S.Lu在[參考文獻1]和羅明在[參考文獻2]提出了通過雙經(jīng)緯儀建立空間三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，直接測量光平面上控制點的三維坐標(biāo)，實現(xiàn)多相機視覺測量系統(tǒng)的全局標(biāo)定。Kitahara在[參考文獻3]使用激光跟蹤儀來完成全局標(biāo)定。這種三維測量設(shè)備由于較高的精度，適合大視場，被廣泛應(yīng)用在大尺寸部件的視覺測量中，但裝配效率低，且成本較高。

二是基于自標(biāo)定的方法，Roman在[參考文獻4]讓相機獲取視場內(nèi)的特定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)圖像來對無公共視場多相機視覺測量系統(tǒng)進行全局標(biāo)定。Pflugfelder在[參考文獻5]中讓相機觀察具有特殊結(jié)構(gòu)的物體或場景，可以獲得相機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，同時重建三維空間中物體的軌跡。這種基于自標(biāo)定的方法，在工業(yè)測量現(xiàn)場，很難獲取滿足要求的場景信息，而且全局標(biāo)定精度很難滿足視覺測量的要求。

三是基于輔助靶標(biāo)的方法，Kumar在[參考文獻6]和P.Lébraly在[參考文獻7]通過調(diào)整平面鏡的位置和角度，讓無公共視場的多個相機都可觀測到同一個靶標(biāo)，從而實現(xiàn)全局標(biāo)定。這種方法由于受到平面鏡的視角和相機景深的影響，只適合近距離的無公共視場相機之間的全局標(biāo)定。Liu[參考文獻8]和Liu[參考文獻9]利用激光線投射在兩個非固連的平面特征點靶標(biāo)上進行全局標(biāo)定。該方法適合較遠工作距離的無公共視場的相機，但在布局復(fù)雜的多相機測量系統(tǒng)中不易現(xiàn)場操作。Liu在[參考文獻10]和[參考文獻11]根據(jù)一維靶標(biāo)特征點的共線性性質(zhì)和已知距離，實驗無公共視場的相機標(biāo)定。由于一維靶標(biāo)體積小、操作簡單，該方法可以應(yīng)用于操作空間受限的無公共視場的多相機測量系統(tǒng)，但由于已知點有限，進一步提高其標(biāo)定精度受到限制。

在上述分類的第三類方法中，基于手眼標(biāo)定的方法是目前操作較為簡單，標(biāo)定精度較高的方法。Esquivel在[參考文獻12]將待標(biāo)定的兩個無公共視場的兩個相機固連形成相機組，放置兩個靶標(biāo)分別在各自相機的清晰視野范圍內(nèi)，相機組移動多個位置并保證在每個位置可清晰拍攝靶標(biāo)圖像，通過建立手眼方程AX＝XB求解兩個待標(biāo)定的無公共視場的相機外參。這種標(biāo)定方法是通過移動待標(biāo)定的兩個相機實現(xiàn)的，例如在固定的車頂上的全景相機或者分布在鐵路兩側(cè)的多相機測量系統(tǒng)，待標(biāo)定的相機是無法移動的，這種方法難以標(biāo)定。Liu[參考文獻13]利用雙平面靶標(biāo)的固定約束關(guān)系實現(xiàn)兩個無公共視場的相機全局標(biāo)定。由于兩個平面靶標(biāo)固連，在較遠工作距離的情況下需要較長的連接桿，導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定難以操作，或者在大視場相機的情況下需要較大的平面靶標(biāo)，較大平面靶標(biāo)也會導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定難以操作，或者在兩臺相機景深受限的情況下，固連的雙平面靶標(biāo)只能小角度擺動，容易產(chǎn)生角點不清晰的圖像且提供的空間位置約束接近從而降低標(biāo)定的精度。