[发明专利]一种单摄像机镜像双目视觉系统的标定方法

说明书

本发明公开了一种单摄像机镜像双目视觉系统的标定方法，属于视觉测量技术领域。其在不对成像系统结构进行任何操作的情况下，利用多次采集的真实标定靶标图像进行内部参数标定，确定摄像机内部参数，包括主点坐标、畸变系数及有效焦距；再对单幅标定靶标图像以主点所在轴线为中心线进行镜像对称翻转，以翻转前后的两幅图像中同一侧的标定靶标为世界坐标系建系基准进行系统结构参数标定，计算镜像双目结构的旋转矩阵及平移向量，完成系统结构参数的标定工作。本发明在标定过程不对摄像机及反射镜结构进行任何操作，仅需对所采集图像本身进行处理即可获得高精度系统参数，是对现有技术的一种重要改进。

技术领域

本发明涉及视觉测量技术领域，特别是指一种单摄像机镜像双目视觉系统的标定方法。

背景技术

双目视觉测量技术是空间物体三维精密测量领域最具发展潜力的高新技术之一，目前在三维形貌测量、精密加工制造、无人系统避障等领域已有较好应用。目前，双目视觉系统根据双目图像采集方式的不同可以分为三类：主动式单摄像机双目视觉系统、固定式双摄像机视觉系统以及单摄像机镜像双目视觉系统。其中，主动式单摄像机双目视觉系统由精密移动设备搭载单摄像机在不同位置分别拍摄同一物体图像进行双目匹配，系统结构复杂，实时性较差，可应用在待测物固定，实时性要求不高的场合(相关文献：“摄像机的一种主动视觉标定方法”，2010，光学学报，30(5)：1297-1303)；固定式双摄像机视觉系统是由相对位置固定的两枚摄像机构成，通过拍摄公共视场内的物体进行双目匹配，是目前应用较多的系统结构(相关文献：“双目立体视觉测量系统的标定”，光学精密工程，2016，24(2)：300-308)；单摄像机镜像双目视觉系统由一枚摄像机与反射镜组成，待测物可以同时通过不同的成像路径被摄像机采集并成像，在一张图像上得到不同角度拍摄的同一待测物的两幅影像，实现双目视觉的效果(相关文献：“3D reconstruction from a single view ofan object and its image in a plane mirror”，1998，Proceedings IEEE 4：1174-1176)。

单摄像机镜像双目视觉系统具有结构紧凑、设计多样、成本低廉等优点，尤其在狭小空间测量及柔性三维测量等应用中的独特优势，故成为双目视觉领域的研究热点之一。视觉系统参数标定是测量工作的必要前提，也是测量精度的重要保障。单摄像机镜像双目视觉系统参数标定包括摄像机内部参数标定及系统结构参数标定两部分。目前，单摄像机镜像双目视觉系统的标定方法主要分为两类：虚拟摄像机标定法和两步标定法。柴兴华等在文章“单摄像机镜像双目视觉系统的极限约束”(“Epipolar constraint of single-camera mirror binocular stereo vision systems”，Optical Engineering，2017，56(8)：084103)中设计实验对两种标定方法进行了对比。其中，虚拟摄像机标定法将真实摄像机及其虚拟镜像看作两枚不同的摄像机，通过多次采集标定图像进行内部参数标定及系统结构参数标定。然而，根据真实摄像机建立的坐标系与根据虚拟摄像机建立坐标系分别为左手系与右手系，呈镜像关系，不存在刚体转换。通常的做法是根据摄像机成像的对称性均按左手系或均按右手系建立摄像机坐标系，并得到两组内部参数，而真实摄像机只有一枚，无论摄像机本体还是其虚拟镜像，内部参数都应是一致的，所以一般取重投影误差较小的一组作为内部参数标定结果。这种做法成立的前提是假定图像中心与主点重合，然而大多数情况下图像中心与主点并不重合，故该方法难以保证精度。两步标定法首先要分离反射镜与摄像机，对摄像机进行单独内参标定后，再安装反射镜，采用虚拟摄像机标定法进行结构参数标定。这种方法内部参数标定较为精确，结构参数标定依然与虚拟摄像机标定法面临同样的问题，即主点偏离图像中心的程度对标定精度影响较大，且每次标定过程都需要对反射镜进行拆卸安装工作，标定效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种单摄像机镜像双目视觉系统的标定方法，其在标定过程中不需要对摄像机及反射镜结构进行任何操作，仅需对所采集图像本身进行处理，并可以获得高精度的系统参数。