專利名稱：一種標靶校正方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器視覺技術、三維測量領域，尤其涉及對攝像機標定的標靶制作及校正。
背景技術：
攝像機標定是計算機視覺和三維測量領域的關鍵技術，而攝像機標定均需要一個高精度標靶，而且標靶的精度決定了攝像機標定及測量的精度。通常一個高精密的標靶制作加工復雜、成本較高；目前，僅對于獲取一個精度達到微米級的二維平面標靶來說，通常有兩種方式第一種，需要高精密加工儀器，以保證標靶上標志點的距離精度達到微米級； 第二種，借用微米級精度的二維影像儀測量出所有標志點的間距或坐標。這兩種方法均比較復雜，且成本較高。因此，一種簡易方便、低成本的標靶校正方法對攝像機標定具有重要意義。自^iang提出了基于二維平面標靶的攝像機標定技術(Z. a^ng. "A flexible newtechnique for camera calibration，，· IEEE Transactions on Pattern Analysis andMachine Intelligence, 22 (11) :1330-1334,2000)以來，其獲得了廣泛的發展與應用。 但該方法須以標靶上所有標志點坐標為已知條件。一般的平面標靶，以圓形標志點為例，其標志點的形狀(圓度和邊緣)可以達到精度要求，但其圓心的坐標精度較難保證。如果用其它手段(如用二維影像測量儀)逐一測量標志點的準確位置，往往費時費力。
發明內容
本發明實施例的目的在于提供一種操作簡易、成本較低且適用于不同尺寸標靶的校正方法，以準確獲取所有標志點的坐標，定位精度可達到微米級。本發明實施例是這樣實現的，一種標靶校正方法，包括以下步驟從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志點；分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。本發明實施例的另一目的在于提供一種標靶校正系統，所述系統包括圖像采集模塊，用于從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志
點；提取模塊，用于分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；識別模塊，用于建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；運算模塊，用于計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；縮放模塊，用于獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。本發明實施例先從不同角度拍攝標靶，獲取多幅圖像，分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點，建立各幅圖像間同名標志點的對應關系，計算特征點的三維坐標，該特征點的三維坐標由尺度因子所約束，最后獲取尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸，經本方法制作及校正的標靶具有較高的精度，操作簡易，成本低。因而本方法及系統可廣泛適用于視覺測量及系統標定。
圖1是本發明實施例提供的標靶校正方法的實現流程圖2是本發明實施例中平面標靶的結構示意圖3是本發明實施例中數碼單反相機拍攝標靶的角度示意圖4是本發明實施例中標靶編號及拓撲關系示意圖5是本發明實施例中攝影測量結果及數碼單反相機與標靶的位置關系圖
圖6是本發明實施例中攝影測量的重投影誤差分布圖7是本發明實施例中條紋投影測量系統的結構示意圖8是本發明實施例中標準球的三維圖9是本發明實施例提供的標靶校正系統圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明實施例先從不同角度拍攝標靶，獲取多幅圖像，分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點，建立各幅圖像間同名標志點的對應關系，計算特征點的三維坐標，該特征點的三維坐標由尺度因子所約束，最后獲取尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸，經本方法制作及校正的標靶具有較高的精度，操作簡易，成本低。本發明實施例提供的標靶校正方法包括以下步驟從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志點；分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。本發明實施例提供的標靶校正系統包括圖像采集模塊，用于從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志
點
提取模塊，用于分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；識別模塊，用于建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；運算模塊，用于計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；縮放模塊，用于獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。以下結合具體實施例對本發明的實現進行詳細描述。
圖1示出了本發明實施例提供的標靶校正方法的實現流程，詳述如下在步驟SlOl中，從不同角度獲取標靶的多幅圖像，該標靶設有多個標志點；本發明實施例于一發黑的金屬板或陶瓷板印刷或粘貼多個白色標志點制成平面標靶，標志點的圖案具有多種(如方形、圓形)，優選為圓形，如圖2所示。圖2所示的標靶具有99個圓形標志點，其中外圍套圓環的4個標志點(以下簡稱圓環點)僅用于標識99 個標志點的位置拓撲關系，以自動識別各個標志點。該圖案中每個標志點間距大致相同，其精度取決于印刷精度。為從不同角度獲取標靶的多幅圖像，將標靶置于水平面，鎖定數碼單反相機的鏡頭焦距，分別從多個角度對標靶進行拍攝。選擇如圖3所示的6個角度進行拍攝即可獲得理想的結果。此處以6個角度為例，并非用于限制本發明。拍攝時只要保證標靶上所有標志點被拍攝到，圖像清晰即可。具體地，圖3中位置1、位置2、位置3和位置4分別從標靶的四個側面斜向下拍攝，其中相機中心與標靶中心的連線與標靶平面的夾角約45度；位置5和位置6為相同的位置，只是相機旋轉了 180度，位置5和位置6是從標靶的正中位置垂直向下拍攝，其中相機中心與標靶中心的連線與標靶平面幾乎垂直。在步驟S102中，分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；本發明實施例對所有圓形標志點進行中心定位，并以標志點的中心為特征點，具體過程如下乂印1，去除圖像噪聲；本發明實施例通過高斯濾波去除圖像噪聲。乂印2，對橢圓邊緣進行像素級粗定位；本發明實施例利用邊緣檢測算子(如Carmy算子)對橢圓邊緣進行像素級粗定位。Step3,識別標志點；本發明實施例通過以下兩個條件對標志點進行自動識別。其一，標志點輪廓所包含的像素數在一定范圍內波動；其二，標志點輪廓是閉合的。同時滿足該兩個條件的被認為是標志點。乂印4，對橢圓邊緣進行亞像素級精定位；本發明實施例對像素級邊緣的每個像素的5X5鄰域進行三次多項式曲面擬合， 求取曲面的一階導數局部極值的位置，即亞像素位置。Mep5，對橢圓邊緣點進行最小二乘擬合，得到所述標志點的圓心的亞像素定位， 并以所述標志點的圓心作為特征點。在步驟S103中，建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；本發明實施例采用圖2所示的標靶圖案，其同名標志點的對應關系確定如下乂印1，從標靶上多個標志點中選取部分標志點作為識別點，該識別點為多個。本發明實施例以上述四個圓環點作為識別點，根據標志點的周長區分大小圓，得到四個圓環點的中心坐標。乂印2，對標靶上所有標志點進行編號；本發明實施例按照從左至右、從上至下的順序對標靶上所有標志點進行編號，用Pi (i彡99)表示標靶上編號為i的標志點，如圖4所示。因而四個圓環點的編號分別為P28、 P69> P71和P75，但無法區分。St印3，將四個圓環點的中心兩兩連線，可得042 =6條直線lm_n(m，η = 28，69，71， 75，且m興η)。求任意兩條直線之間的夾角，可得C62 = 15個夾角。理想情況下，直線169_71、 169-75和171-75互相平行，每兩條直線的夾角均為0。由于噪聲和圓心定位誤差的存在，每兩條直線的夾角為接近0的小數。而15個夾角中，最小值必然產生在上述3條直線(直線 169-71、169-75和171-75)的夾角之間。因此，查找形成最小夾角的兩條直線，不在這兩條直線上的點即可確定為Ρ28。St印4，在P69、P71、P75三點中，距離最近的兩點為P69和P71，則另一個點可確定為 ρ乂印5，距離P75較近的點為P71，另一個點為P69。乂印6，連接^8及距^8較近的點，計算這些連線與169_75的夾角，夾角最小的兩條直線必為128_27和128_29，由此可確定P27和P29兩點。應當注意，此時這兩點(P27和P29)不能互相區分。接著判斷P27 P29和P69中哪兩點是否位于直線Ii71的同側，與P69同側的是P27， 與P69異側的是ρ29。Step7,由上述六個點(P27、P28、P29、P69、P71和P75)的拓撲關系即可確定相機采集的圖像與標準圖像之間的單應矩陣H，由此矩陣H將采集圖像中的標志點變換到標準圖像，并搜索與變換后的標志點距離最近的標準的標志點，以該標志點的編號作為采集圖像中對應標志點的編號。其中標準圖像中標志點間的距離相等。在步驟S104中，計算特征點的三維坐標，該特征點的三維坐標由尺度因子所約束；本發明實施例利用近景攝影測量技術計算標靶上所有標志點的三維坐標(該三維坐標是缺少一個尺度因子的相對坐標)并標定出數碼單反相機的內參及外參。關于近景攝影測量技術具體可參見黃桂平《數字近景工業攝影測量關鍵技術研究與應用》，博士論文，天津，天津大學，2005。其主要流程為(1)建立數碼相機成像的數學模型(為達到高精度結果，需考慮相機鏡頭的非線性畸變)，構造目標函數；⑵以標準圖像中標志點的坐標作為初始估計，獲取數碼單反相機的初始參數值；C3)由光束平差法(Bundle Adjustment) 對目標函數進行優化，從而獲得所有特征點的三維坐標，Λ)(99，如圖5所示。圖6示出了最終重投影誤差分布圖，其重投影誤差不超過2個像素，滿足本發明實施例中攝影測量的要求。在步驟S105中，獲取尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。本發明實施例具有兩種方式獲取尺度因子，具體為方式一，利用標靶上任意兩個標志點的絕對尺寸作為標尺進行縮放；(1)獲取標靶上任意兩個標志點的實際尺寸，可利用影像測量儀等高精度測量儀器獲取。假設測得第i個標志點與第j個標志點實際距離為本實例中取i = 1，j = 99，測得 Clij = M9. 1522mm)。(2)計算尺度因子S=、，其中(KXiJj)為由近景攝影測量獲得的第i個標
α\Λ ^Λ j)
志點坐標與第j個標志點坐標的距離(本實例中d(Xi; X99) = 315. 6023mm, s = 0. 7895)。
(3)將各特征點的三維坐標&均乘以該尺度因子s作為校正后的標志點三維坐標，即 X' k = s · Xk, k = 1,2, Λ99。方式二，利用該標靶對相位映射測量系統進行標定，并用該測量系統采集一個尺寸已知的標準球面的三維數據擬合出球面半徑，真實的球半徑與該擬合半徑的比值即為尺度因子，將所有攝影測量獲得的特征點三維坐標均乘以該尺度因子，即得標靶上所有標志點的實際尺寸。具體過程如下(1)搭建基于相位映射的條紋投影測量系統，如圖7所示，該測量系統由位于中間的投影機101和分別位于投影機101兩旁的CXD攝像機102與CXD攝像機103構成。投影機101將計算機產生的正弦條紋結構光投射至被測物體104上，被測物體104的深度變化對條紋的相位進行調制，獲得相位編碼的條紋圖，并由CCD攝像機102與CCD攝像機103記錄該條紋圖。對編碼條紋圖進行相位解調與相位展開，獲取相應于物體深度信息的絕對相位分布圖。然后結合系統的標定信息確定相位與深度的映射關系，從而獲取物體的深度信肩、ο(2)利用該標靶標定上述測量系統，具體標定方法可參見(S. Zhang, P. S. Huang. "Novel method for structured light system calibration " . Optical Engineering, 45 (8) :083601, 2006)，該標定主要由雙目立體視覺確定上述兩個CCD攝像機的內參和外參以及它們之間的位置關系。由于該標靶的標志點三維坐標是缺少一個尺度因子的，其標定結果會造成系統的測量尺寸與實際真實尺寸相比有該尺度因子的縮放。(3)由該測量系統對一個實際半徑尺寸為R的標準球表面進行測量(實例中標準球的半徑為25. 0345mm)，從一個視場采集即可獲得其部分球面的三維數據(圖8為實例中標準球的三維圖，共134270個點)。(4)對獲取的球面三維數據進行最小二乘擬合出球面方程，并計算擬合球的半徑 r (實例中擬合得到球的半徑r為31. 6998mm)。(5)計算尺度因子S = $ (實例中計算s為0.7897)。
r(6)將所有攝影測量獲得的標志點三維坐標&均乘以該尺度因子s作為校正后的標志點坐標 X' k = s · &，k = 1，2，Λ99。可見，方式二不僅可以準確地校正標靶，同時還可將基于相位的測量系統進行準確標定。與傳統采用二維影像測量儀逐個標志點測量相比，本方法只需一個數碼相機即可對標靶上標志點的坐標進行校正，不僅減少了工作量和處理環節，而且降低了成本。其次， 傳統平面標靶制作要求標靶平面具有較高的平整度，而本方法對標靶平面的平整度不作要求，亦可大大降低制作成本。再者，由于本方法能方便、準確地對平面標靶進行校正，結合手工粘貼標志點的方法制作標靶，無需精密昂貴的加工工具，可極大地簡化標靶的制作。本領域的普通技術人員可以理解，實現上述實施例方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關的硬件完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如ROM/ RAM、磁盤、光盤等。圖9示出了本發明實施例提供的標靶校正系統的結構原理，為了便于描述，僅示出了與本發明實施例相關的部分。
如圖9所示，本發明實施例提供的標靶校正系統包括圖像采集模塊901、提取模塊 902、識別模塊903、運算模塊904和縮放模塊905。其中圖像采集模塊901用于從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志點；提取模塊902用于分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；識別模塊903用于建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；運算模塊904用于計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；縮放模塊905用于獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。上述各個模塊(單元)的工作原理如上文所述，此處不再加以贅述。上述標靶校正系統的各個模塊(單元)可以為軟件單元、硬件單元或者軟硬件結合的單元，軟件單元部分可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，如ROM/RAM、磁盤、光盤寸。本發明實施例先從不同角度拍攝標靶，獲取多幅圖像，分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點，建立各幅圖像間同名標志點的對應關系，計算特征點的三維坐標，該特征點的三維坐標由尺度因子所約束，最后獲取尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸，經本方法制作及校正的標靶具有較高的精度，操作簡易，成本低。同時，采用條紋投影測量系統及標準球獲取尺度因子，校正精度更高，其中相對精度(絕對精度/標靶尺寸) 可達到1 10000。此外，本方法可適用于從IOmm至^!的各種尺寸及各種形狀的標靶校正，并能夠保持同樣的相對精度，這是其他傳統方法無法達到的。因而本方法和系統可廣泛適用于視覺測量及系統標定。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種標靶校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志點； 分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點；建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束； 獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。
2.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，由一臺數碼單反相機從多個不同的角度對標靶進行拍攝，獲取多幅清晰的圖像；拍攝時，鎖定所述數碼單反相機的鏡頭焦距，各圖像包含所述標靶上所有標志點。
3.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，所述獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸的步驟具體為測得標靶上第i個標志點與第j個標志點的實際距離Clij ；計算尺度因子S =^、，其中(KXi, Xj)為由攝影測量獲得的第i個標志點與第j 個標志點的距離；將各特征點的三維坐標&均乘以所述尺度因子S作為校正后的標志點三維坐標，即
4.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，所述獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸的步驟具體為搭建條紋投影測量系統； 由所述標靶標定所述測量系統；由所述測量系統對一個實際半徑為R的標準球表面進行測量，從一個視場采集其部分球面的三維數據；由所述球面的三維數據擬合出球面方程，并計算出擬合球的半徑r ；計算尺度因子 =$ ； 將各特征點的三維坐標&均乘以所述尺度因子S作為校正后的標志點三維坐標，即
5.如權利要求4所述的標靶校正方法，其特征在于，所述條紋投影測量系統為基于相位映射的條紋投影測量系統，由位于所述標靶上方的投影機以及位于所述投影機兩旁的 CCD攝像機構成。
6.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，所述標志點為圓形標志點，所述圓形標志點經成像為橢圓，所述分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點的步驟具體為去除所述圖像的噪聲； 對所述橢圓的邊緣進行像素級粗定位； 識別所述標志點；對所述橢圓的邊緣進行亞像素級精定位；對所述橢圓的邊緣點進行最小二乘擬合，得到所述標志點的圓心的亞像素定位，以所述標志點的圓心作為特征點。
7.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，所述建立各幅圖像間同名標志點的對應關系的步驟具體為從所述多個標志點中選取部分標志點作為識別點，所述識別點為多個； 對所述標靶上所有標志點進行編號； 確定各識別點的編號及它們之間的拓撲關系；由所述拓撲關系確定所述相機采集的圖像與標準圖像之間的單應矩陣，由所述單應矩陣將所述采集圖像中的標志點變換至標準圖像，并搜索與變換后的標志點距離最近的標準的標志點，以所述最近的標準標志點的編號作為采集圖像中對應標志點的編號。
8.如權利要求7所述的標靶校正方法，其特征在于，所述識別點包括四個圓環點，其編號分別為P28、P69、P71和P75，但未能區分；所述確定各識別點的編號的具體步驟為將四個圓環點的中心兩兩連線，得到<^42 = 6條直線lm_n(m，η = 28，69，71，75，且m乒η)； 求任意兩條直線之間的夾角，得到C62 = 15個夾角；直線169_71、169_75和171_75互相平行，每兩條直線的夾角為接近0的小數；15個夾角中，最小值產生在這三條直線169-71、169_75和171_75的夾角之間；查找形成最小夾角的兩條直線，不在這兩條直線上的點確定為Pm ；在Ρ69、Ρ71和P75三個圓環點中，距離最近的兩點為P69和P71,則另一個點確定為P75 ； 距離P75較近的點為P71，則另一個點為P69 ；連接 及距P28較近的點，計算這些連線與169_75的夾角，夾角最小的兩條直線為128_27 和128_29，由此確定P27和P29兩點，此時P27和P29未能互相區分；判斷P27 P29和P69中哪兩點位于直線1階71的同側，與P69同側的是P27，與P69異側的是Pr29°
9.如權利要求1所述的標靶校正方法，其特征在于，所述特征點的三維坐標由近景攝影測量技術獲取，步驟具體為建立所述數碼單反相機成像的數學模型，構造目標函數；以標準圖像中標志點的坐標作為初始估計，獲取所述數碼單反相機的初始參數值； 由光束平差法對所述目標函數進行優化，獲取各特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束。
10.一種標靶校正系統，其特征在于，所述系統包括圖像采集模塊，用于從不同角度獲取標靶的多幅圖像，所述標靶設有多個標志點； 提取模塊，用于分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點； 識別模塊，用于建立各幅圖像間同名標志點的對應關系；運算模塊，用于計算所述特征點的三維坐標，所述特征點的三維坐標由尺度因子所約束；縮放模塊，用于獲取所述尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸。
全文摘要
本發明適用于機器視覺、三維測量領域，提供了一種標靶校正方法及系統，本發明實施例先從不同角度拍攝標靶，獲取多幅圖像，分別提取各圖像中標志點的中心作為特征點，建立各幅圖像間同名標志點的對應關系，結合近景攝影測量技術計算特征點的三維坐標，該特征點的三維坐標由尺度因子所約束，最后獲取尺度因子，將各特征點的三維坐標縮放至實際尺寸，經本方法制作及校正的標靶具有較高的精度，操作簡易，成本低。同時，采用條紋投影測量系統及標準球獲取尺度因子，校正精度更高，其中相對精度(絕對精度/標靶尺寸)可達到1∶10000。因而本方法及系統可廣泛適用于視覺測量及系統標定。
文檔編號G06T7/00GK102376089SQ201010580900
公開日2012年3月14日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者何懂, 劉曉利, 彭翔, 殷永凱 申請人:深圳大學