[发明专利]一种基于移动相机和双靶标的单轴旋转角的视觉测量方法

摘要

一种基于移动相机和双靶标的单轴旋转角的视觉测量方法，其实现步骤如下步骤一普通相机标定；步骤二绕轴旋转运动外参数初值求取；步骤三对内参数pin和外参数pout,pcam进行非线性优化；步骤四利用标定的内外参数，求取旋转角度。本发明解决了现有视觉测角方法中靶标安装困难，及在测角过程中靶标容易被遮挡的难题。该方法，通过手持相机拍摄两个二维靶标的图像，从而对相机内外参数和两个靶标与轴的几何关系进行标定，进而测量旋转角。

主权项

一种基于移动相机和双靶标的单轴旋转角的视觉测量方法，其特征在于：实现步骤如下：步骤一：普通相机标定；在具体实现过程中，利用二维棋盘格作为靶标；采用的图片序列，包含一张基准位置时的图片和m张旋转部件旋转到不同角度时的图片；假设这m个角度用θ1,θ2,...,θm表示，由于每张图片上有2个靶标的图像，因此在进行普通相机标定时，参与的位姿数目为2(m+1)个；接下来，利用MATLAB 2014a自带的棋盘格角点提取函数detectCheckerboardPoints进行角点提取，并结合MATLAB标定工具进行普通相机标定,求得内参数pin和2(m+1)位姿的外部参数；这些外部参数表示为：其中，表示在旋转角为θi时，相机与靶标1之间的旋转矩阵与平移向量，i＝0时表示，基准位置；表示在旋转角为θi时，相机与靶标2之间的旋转矩阵与平移向量；步骤二：绕轴旋转运动外参数初值求取；2.1、根据步骤一中求得的外参数，求取靶标1在不同角度时，相对于基准时靶标1的旋转矩阵和平移向量求解过程如下：首先求取对于每个θi，靶标1相对于靶标2的旋转矩阵和平移向量这个量由下式给出然后根据式(1)求得2.2、求取及θi初值：由射影几何的知识知，绕轴旋转的两帧图像之间满足如下关系：其中，r1,r2,r3分别为的第1,2,3列，[t]×定义为根据式(3)，求得其中，Si,j表示矩阵S第i行j列的元素；r1为下式的解上式通过对作SVD分解求得，若则x为V的第三列；然后，得到 θi＝2arctan((ATA)‑1(ATB)),                 (7)其中这里的vec(·)表示矩阵的拉直；所以，2.3、根据求得的t及θi初值求解Rwt,Twt及在每个θi时，相机坐标系与世界坐标系的旋转矩阵和平移向量根据坐标转换关系，有步骤三：对内参数pin和外参数pout,pcam进行非线性优化；这里pin∈R9,pout∈R10,pin＝[αx,αy,u0,v0,k1,k2,k3,k4,k5]T,其中，分别为所对应的Rodrigues向量；一个Rodrigues向量v与其对应的旋转矩阵R间的转换关系如下其中，I3表示3阶的单位矩阵；对各图像点的坐标作如下标记：靶标1上，在旋转角为θi时，对应于第j个靶标特征点的角点坐标记为靶标1上的点记为靶标2上，在旋转角为θi时，对应于第j个靶标特征点的角点坐标记为相应的靶标上的点记为由于图像提取过程中是存在误差的，因此，选取图像的重投影误差和作为优化目标；对于靶标1来说，由靶标点及pout，获取重投影点的过程如下：3.1、根据式(1.4)，旋转角为θi时，靶标点转化为世界坐标系下的点3.2、根据式(1.5)和(1.6)，求取相应的重投影点同样的，对于靶标2，由靶标点及pout，获取重投影点的过程如下：3.3、根据下式，求取靶标点转化为世界坐标系下点3.4、根据式(1.5)和(1.6)，求取相应的重投影点重投影误差定义为优化问题描述为该优化问题利用稀疏的Levenberg‑Marquardt算法来解决优化问题，获得t,Rwt,Twt的信息，这些信息将用于步骤四的旋转角度求取；步骤四：利用标定的内外参数，求取旋转角度；测量旋转角时，首先用手持相机，拍摄一张靶标1旋转到一定角度的照片，并利用MATLAB自带的detectCheckeboardPoints函数提取棋盘格角点，其中，靶标1上的角点记为靶标2上的角点记为求取旋转角度的方法包括两步：4.1、初值求解要求取的初值为相机与世界坐标系的旋转矩阵Rcw和平移向量Tcw以及旋转角θ；首先，根据RPnP算法，求得相机与靶标1的旋转矩阵Rcb和平移向量Tcb，以及相机与靶 标2的旋转矩阵Rct和平移向量Tct；然后，利用已有的信息，求得旋转角通过下面两个式子求得其中Tbw(i)表示Tbw的第i个分量；4.2、非线性优化在求得初值后，通过非线性优化进一步优化角度值；优化目标为重投影误差和，优化量为和θ,其中Ocw为Rcw的Rodrigues向量；优化问题表述为该优化问题通过LM算法来求解，该算法用MATLAB自带lsqnonlin函数进行实现。