[发明专利]基于自发光球摄像机标定靶的快速提取方法

摘要

本发明基于自发光球摄像机标定靶的快速提取方法属于视觉测量领域，涉及一种基于自发光球摄像机空间立体标定靶的快速提取方法。该方法在标定之前，先安装空间立体标定靶，再采用三坐标测量机进行测量，确定自发光球靶标中心的精确三维位置信息，通过双目视觉系统中左、右摄像机对自发光球靶标进行拍摄，提取图片中自发光球靶标中心的特征信息，求得自发光球靶标中心的二维像素坐标。最后，在直接线性变换法基础上，求得左、右摄像机的内外参数，实现摄像机在三维空间的立体标定。该方法因不同行数的自发光球靶亮度不同，通过设置不同的灰度阈值，实现空间信息的快速自动识别和左、右摄像机在标定过程中快速与高精度标定。

主权项

1.一种基于自发光球的摄像机标定靶快速提取方法，其特征是，该方法在标定之前，先安装空间立体标定靶，再采用三坐标测量机进行测量，确定自发光球靶标中心的精确三维位置信息，通过双目视觉系统中左、右摄像机对自发光球靶标进行拍摄，提取图片中自发光球靶标中心的特征信息，求得自发光球靶标中心的二维像素坐标；最后，在直接线性变换法基础上，求得左、右摄像机的内外参数，实现摄像机在三维空间的立体标定；方法的具体步骤如下：第一步，安装空间立体标定靶空间立体标定靶由自发光球靶标(1)，可拆卸靶座(2)，支撑杆(3)和底座(4)组成；首先将自发光球靶标(1)安装在可拆卸靶座(2)上，将支撑杆(3)外螺纹端与可拆卸靶座(2)进行连接，支撑杆(3)内螺纹与底座(4)连接，完成空间立体标定靶的组装；所述的自发光球靶标(1)为陶瓷灯泡，其灯罩(8)为陶瓷材料，表面高精度加工，具有很好的圆度信息，灯头(10)加工螺纹可连接到可拆卸靶座(2)上，灯芯(9)由4条可调节亮度的led灯按圆形阵列组合而成，使自发光球靶标(1)的亮度均匀；自发光球靶标(1)由25个自发光空心陶瓷球组成，25个自发光球靶标(1)按5行5列排布；设计每行、每列的自发光球靶标(1)中心位置高度按等差数列分布，不同行数与列数的等差数不同，同时具有不同程度的高度差；通过调节电源控制器(7)，控制不同行数自发光球靶标(1)的led灯的开、关；可拆卸球座(2)两端加工有精密内螺纹，分别与自发光球靶标(1)和支撑杆(3)连接；所述支撑杆(3)两端分别加工内螺纹和外螺纹，外螺纹与可拆卸球座(2)下端相连，内螺纹与底座(4)连接；支撑杆(3)内部是空心结构内置导线(11)，导线(11)连接电源控制器(7)和自发光球靶标(1)；支撑杆(3)长度为L，按等差数列分布，不同行数的等差数不同；所述底座(4)为含有阶梯孔的铝合金钢板，通过螺栓与支撑杆(3)的内螺纹端定位连接；第二步，测量自发光球靶标(1)，拍摄空间立体标定靶利用三坐标测量机对自发光球靶标(1)进行接触式测量，将测头在每个自发光球靶标(1)上接触至少3次进行测量，以确定自发光球靶标(1)中心的三维坐标并建立空间坐标系；在测量空间内，利用左、右摄像机5、6构成的双目视觉系统对空间立体标定靶进行拍摄，通过电源控制器(7)使每行自发光球靶标依次发光、熄灭，每次获得一张清晰的自发光球靶标(1)的图片，共拍摄5次，获得5行全部自发光球靶标(1)的图片；第三步，识别并提取自发光球靶标(1)图像的中心位置标定物靶标的三维空间点到图像点的透视投影过程由公式(1)表示：其中，α_x＝f/dX，α_y＝f/dY分别为横向和纵向方向上的尺度因子，f为摄像机镜头焦距，dX为像素在X轴方向上的物理尺寸，dY为Y轴方向上的物理尺寸，(u₀,v₀)为主点在像素坐标系下的坐标，M为透视投影矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵；由于自发光球靶标(1)的拍摄图像是椭圆，特征信息明显，采用椭圆拟合法的方式提取自发光球靶标(1)中心的位置信息；针对拍摄的二维图像，利用Matlab软件编写了自发光球靶标(1)图像的中心提取程序，并分别对左、右摄像机(5、6)拍摄的图片进行提取，即首先进行二值化处理，采用阈值分割法，根据自发光球靶标(1)的亮度设置相应的灰度阈值，依次识别每张图片的自发光球靶标(1)，之后根据每行的高度差设置不同的阈值，按行搜索依次识别每一行自发光球靶标(1)的中心位置；最后采用椭圆拟合法对边缘点进行椭圆拟合以确定椭圆的中心；椭圆图像曲线的一般表达式为：f(σ,θ)＝ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0  (2)其中，σ＝[a b c d e f],θ＝[x² xy y² x y 1]。引入约束||σ²＝1，建立如下目标函数：其中，M'为罚因子。于是，椭圆拟合转换成非线性最小二乘法问题，则精确的椭圆中心点像素坐标(u,v)由下式求得：通过椭圆拟合法提取自发光球靶标(1)的中心位置信息后，就实现了自发光球靶标(1)球心位置信息的快速自动提取，提取到的最终结果为具有一定顺序的球心坐标组成的5×5的矩阵，即每个自发光球靶标(1)所对应的椭圆图像中心点像素坐标(u,v)；将求取的椭圆图像中心点的像素坐标(u,v)与第二步获取的自发光球靶标(1)的球心空间三维坐标(X,Y,Z)代入公式(1)中，依次求解参数u₀，v₀，α_x，α_y，R，T；完成了对左、右摄像机(5、6)的快速高精度标定。