[发明专利]一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，特别是涉及一种可变结构的双目视觉测量系统及参数确定方法。

背景技术

视觉测量技术以计算机视觉为理论基础，融合现代光学、计算机技术、图像处理与分析技术等现代科学技术为一体，组成光机电一体化的综合测量系统。原理上具有非接触、实时性强、精度高、信息量丰富等优点，随着相关硬件和软件性能的飞速发展和成本不断降低，视觉测量的原理优势得到充分发挥，广泛应用于军事、工业、农林业、医学、航空航天等领域。视觉测量技术包括单目视觉、双目视觉、三目视觉以及多目视觉等多种工作模式，其中双目视觉是最常见的工作模式，其优点是原理简单、测量精度高。双目视觉测量的基础和前提是已知相机的几何光学特性参数以及相机在参考坐标系中的位置和姿态，分别称为相机的内部参数、畸变参数以及外部参数。这些参数一般是未知的，需要通过一定方法获得，获取相机参数的过程称之为相机标定。任何双目视觉测量系统在工作之前都必须经过相机标定。

在传统的双目视觉测量方法中，将两个相机对称放置，相机光轴与基线的夹角保持不变。在进行测量时，光轴指向不能够改变，因而双目构型保持不变，称为固定结构的双目视觉。固定结构双目视觉的缺点是双目相机的公共视场较小，无法实现由远至近较大范围的测量，并且较难保持测量目标始终位于视场中央，容易丢失目标。当绕相机坐标系中心旋转相机(即保持基线距(502)不变)时，双目相机的光轴指向和双目构型发生变化，如图1所示。随着双目相机光轴与基线夹角(503、504)逐渐变小，双目相机的公共视场(501)由远至近不断变化，而变结构双目视觉的公共视场是所有这些公共视场之和，与图1(a)-图1(d)所示任意固定结构的双目公共视场(501)相比，变结构的双目视觉公共视场更大，测量范围更广。为了实现由远至近的测量，传统的方法可能需要配置有多组固定结构的双目相机。

变结构双目视觉测量方法比固定结构双目视觉测量方法相比，更接近生物视觉，有望模仿人的视觉系统，是对立体视觉基础理论的丰富和发展。但是变结构双目视觉测量方法存在的最大问题是：双目相机构型改变后，需要重新对双目相机的外部参数进行标定，这极大的限制了变结构双目视觉的应用和推广。

目前相机标定算法主要分为基于标定靶标的标定方法，自标定方法和基于主动视觉的方法。基于标定靶标的方法通过建立标定靶标上已知点的三维坐标与其图像坐标的对应关系，求取相机模型的内部参数、畸变参数和外部参数，根据标定靶标的形式，该方法可以分为：1)基于3D标定靶标的方法，2)基于2D靶标的方法，3)基于1D标定靶标的方法，其中基于3D标定靶标的方法精度较高，能够实现双目相机的相对位置和姿态以及相对于参考坐标系的位置和姿态的标定，但标定过程复杂。自标定方法无需标定块，仅靠多幅图像对应点之间的关系直接进行标定，克服了传统方法的缺点，灵活性强，缺点是鲁棒性差，精度不高。主要包括四种方法：1)基于Kruppa方程的方法，2)基于绝对二次曲线的方法；3)基于分层求解的方法；4)基于场景约束的方法。基于主动视觉的标定方法通过控制主动视觉平台的运动获得相机的某些运动信息，比如围绕光心的旋转、正交运动、纯平移运动等。该类算法的优点是算法简单，往往能获得线性解，鲁棒性高；缺点是不能适用于相机运动未知或无法控制的场合。

基于以上相机标定的基本理论和方法，提出了许多在动态环境中的双目视觉在线标定的方法。在基于双目视觉的车载导航系统中，双目相机的外部参数会随着车子的震动而发生改变，意大利帕尔马大学的研究者为此开发了ARGO系统，在发动机盖上安装参考标志，用于在行车过程中在线修正双目视觉系统，提高导航的精度。为了解决空间任务中视觉测量系统中的参数扰动问题，尚洋等提出了通过固连辅助相机来实时校准主相机的方法，其认为测量相机与辅助相机刚性连接，受到相同扰动干扰。辅助相机对准空间平台上的参考标志，利用对辅助相机进行标定的结果来修正测量相机。文献《单目主动视觉无人机导引中摄像机内参数标定的线性方法》提出了无人机导引中单目变焦相机在线标定方法，相机安装于无人机的底部的主动平台上，着舰时始终对准着舰平面上的不对称分布的正方形参考标志，单幅图像即可线性标定焦距。文献《Attitude determination of large non-cooperative spacecrafts in final approach》提出了一个基于单目的确定大型非合作航天器姿态的方法(实际上相当于单目相机的外部参数标定)。通过观测目标航天器上的矩形特征，获取非合作航天器的外部姿态。这些方法与具体应用场合有关，应用范围较小，无法解决变结构的双目相机外参数实时标定的问题。

发明内容