自由双语立体视觉中基于旋转轴标定的动态外参数获取方法

自由双语立体视觉中基于旋转轴标定的动态外参数获取方法

0维标定靶在传统的3d眼睛系统中，两个摄像头的相对位置不会发生固定变化。动态外参数获取方法主要包括自标定方法和传统标定方法。自标定方法不依赖于标定靶,利用场景中信息,对每个旋转位置进行在线标定,得到动态外参数,主要包括三类:基于消失点的自标定方法针对旋转轴方位不受限制的自由双目立体视觉系统,本文基于二维标定靶,在多个位置标定得到多组旋转平移矩阵,利用最小二乘法求解旋转轴参数的全局最优解,结合摄像机初始外参数和旋转角度,实时获取摄像机的动态外参数。该方法无需实时标定,操作简单,标定精度高。1自由双3d视觉系统和动态外参数的检测1.1旋转角度p的确定如图1所示,自由双目立体视觉系统由两个可独立自由旋转的摄像机构成。双目系统首先对区域Ω假定对应测量区域Ω其中:P在已知旋转矩阵R其中:f对应测量区域Ω其中:P根据式(2)~(3),可得P由式(3)可知,自由双目立体视觉系统中,变化的外参数可在初始外参数的基础上,由旋转轴的方向、位置及旋转角度确定。因此,通过标定旋转轴在摄像机坐标系中的方位,并由运动控制器读取旋转角度,即可实时获取自由双目立体视觉系统摄像机的动态外参数。1.2旋转轴参数的测量旋转轴在摄像机坐标系中的方位可用旋转轴的方向向量和轴上任意一点的坐标表示,即旋转轴参数其中:R将式(4)~(5)代入式(1)可得左、右摄像机分别旋转α因此,第i次测量时的外参数(R1.3旋转轴位置拟合旋转轴参数的确定是通过旋转轴的标定来实现的。常用的标定方法是将标定靶置于旋转平台上,静止的摄像机拍摄不同位置的标定靶图像,获取特征点的坐标,通过拟合圆得到旋转轴上足够多的点,再经过拟合直线得到旋转轴在摄像机坐标系中的方位如图1所示,记初始左右摄像机坐标系o空间点P的坐标满足式(7)~(8):其中:P式(7)~(8)消去P式(9)是坐标系o其中:R由于式(9)和式(10)对应系数应相等,可得轴上点A式(11)是未知数为A由式(12)可得:利用最小二乘法求解式(13)~(14)可得a、b、c、d的值,进而可得旋转轴的方向向量为(a,1,c),轴上一点坐标为(b,0,d)。通过将左摄像机转动多次,可得多组旋转矩阵R利用最小二乘法对式(15)进行求解,可得更加精确的点A2实验与分析2.1系统图像采集自由双目立体视觉系统装置如图2所示,计算机利用运动控制软件和运动控制器控制旋转台转动,并带动固定在旋转台上的摄像机旋转,同时计算机控制图像采集卡同步采集图像。摄像机分辨率为1920×1080,镜头焦距为8mm,系统基线长度约280mm。实验中所用棋盘标定靶如图3所示,标定靶长400mm,宽300mm,单个棋盘格尺寸为30mm×30mm,选取标定靶中间部分6行9列共54个角点作为标志点,如图3中小圆圈标记所示。2.2旋转轴的标定实验中,首先利用张正友方法对初始位置的左、右摄像机进行立体标定,得到旋转矩阵R然后,右摄像机保持不动,将左摄像机依次向右转动三次,每次转动3°,三次分别对左、右摄像机进行立体标定,得到旋转矩阵R将R2.3盘法标定靶点为了验证本文所提动态外参数获取方法的有效性。对旋转后的左右摄像机进行立体标定得到外参数标定值,由初始外参数、旋转轴参数和旋转角度得到外参数计算值,分别利用这两组外参数,计算棋盘角点的三维坐标,比较两组三维坐标,以平均误差和标准差评定结果,实验流程如图5所示。对初始位置的两个摄像机进行立体标定,得到初始外参数(R然后,左摄像机旋转5.00°,右摄像机旋转5.20°,两个摄像机同时采集棋盘标定靶图像,如图6所示。对旋转后的两个摄像机进行立体标定,得到外参数标定值(R由初始外参数、旋转轴参数和旋转角度,根据式(6)计算得到旋转后的外参数计算值(R分别利用(R其中:(x由表2,根据式(16)计算可得,棋盘标定靶角点的平均误差为0.241mm,标准差为0.156mm。为了进一步说明本文方法的标定精度,将本文方法与文献[27]的标定方法进行对比。文献[27]提出了一种基于多平面靶标的旋转轴标定方法。摄像机多次旋转并采集标定靶图像,通过立体标定获得每次旋转后的光心坐标,拟合空间圆计算旋转轴参数。该方法利用多个标定靶增大摄像机旋转范围以提高标定精度。在测量距离、摄像机焦距和基线长度等系统参数保持不变的情况下,利用文献[27]中方法对旋转轴进行标定,并采用与本文方法相同的评价指标对标定结果进行评价,比较两种方法的标定精度。为了保证比较的客观性,本文每次立体标定采集5组图像,进行4次立体标定。因此,在文献[27]的旋转轴标定实验中,共采集20张图像,利用20个圆心坐标拟合空间圆,进而可得旋转轴参数(V结合初始外参数和旋转角度,根据式(6)计算得到旋转后的外参数(R利用外参数(R根据式(16)计算可得,基于文献[27]方法得到的棋盘标定靶角点的平均误差为0.721mm,标准差为0.560mm。而本文方法得到的棋盘标定靶角点的平均误差为0.241mm,标准差为0.156mm,因此本文方法的标定精度较高。3实验结果与分析在自由双目立体视觉系统中,摄像机的独立旋转提高了系统的灵活性,可以实现大范围的测量,同时也导致左右摄像机外参数不断变化,需要解决实时获取问题。本文针对自由双目立体视觉系统,提出了一种基于旋转轴标定的动态外参数获取方法,无需实时标定,即可得到摄像机旋转情况下的外参数。基于本文方法对自由双目立体视觉