基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其包括攝像機(jī)位姿找正和圖像無畸變焦平面向后映射數(shù)學(xué)模型建立；所述攝像機(jī)位姿找正采用的是利用攝像機(jī)對(duì)檢測(cè)平臺(tái)上2D標(biāo)定模板進(jìn)行視覺位姿檢測(cè)，獲取攝像機(jī)光軸與檢測(cè)平臺(tái)的傾斜角度，以此為依據(jù)調(diào)整雙自由度精確調(diào)整裝置的俯仰角及偏轉(zhuǎn)角，最終保證攝像機(jī)光軸垂直于檢測(cè)平臺(tái)；所述圖像無畸變焦平面向后映射數(shù)學(xué)模型是建立在攝像機(jī)光軸垂直于檢測(cè)平面時(shí)所采集的圖像的基礎(chǔ)之上。該映射方法構(gòu)建的，是從投影平面到成像平面的坐標(biāo)位置映射關(guān)系即向后映射法。本發(fā)明的映射方法構(gòu)思簡(jiǎn)單、合理，其能逐個(gè)像素產(chǎn)生輸出圖像，不會(huì)產(chǎn)生計(jì)算浪費(fèi)問題且便于高精度插值算法的應(yīng)用。
【專利說明】基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種完整成像映射方法，尤其涉及一種基于坐標(biāo)變換的完整成像映射 方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前視覺檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，基于機(jī)器視覺的測(cè)量手 段和方法也得到了快速的發(fā)展，但對(duì)幾何尺寸的視覺測(cè)量研究主要集中在對(duì)微小結(jié)構(gòu)或尺 寸較小零件，其主要原因在于目前CCD器件像素級(jí)相對(duì)測(cè)量精度僅在ΚΓ 3數(shù)量級(jí)，而視覺系 統(tǒng)一次成像的成像區(qū)域與檢測(cè)分辨率之間成反比關(guān)系。對(duì)微小物體進(jìn)行圖像測(cè)量時(shí)，由于 視場(chǎng)較小，可相應(yīng)提高圖像測(cè)量的分辨力來提高測(cè)量精度；而對(duì)于較大或細(xì)長(zhǎng)類零件幾何 尺寸的綜合檢測(cè)，一次成像獲得的完整圖像中由于分辨率不高從而導(dǎo)致檢測(cè)精度滿足不了 實(shí)際應(yīng)用要求。
[0003] 依照化整為零、再集零為整的完整成像基本思想可以解決較大尺寸零件視覺測(cè)量 中視場(chǎng)與圖像分辨率之間的矛盾，文獻(xiàn)1【何博俠，張志勝，徐孫浩等.大尺寸機(jī)械零件的 機(jī)器視覺高精度測(cè)量方法。中國(guó)機(jī)械工程，2009 20 (1)】針對(duì)具有條形紋理表面的機(jī)械零 件提出了基于紋理特征的序列圖像校準(zhǔn)方法，但對(duì)具有光滑表面或者表面紋理無規(guī)則的檢 測(cè)對(duì)象無能為力，其應(yīng)用領(lǐng)域極其有限。
[0004] 文獻(xiàn)2【劉凌云，羅敏等.基于圖像拼接的尺寸精密檢測(cè)算法研究，制造技術(shù)與 機(jī)床，2012, 11】中將圖像拼接技術(shù)應(yīng)用到視覺測(cè)量中，采用已標(biāo)定攝像機(jī)方式建立圖像投 影模型，提出了基于位姿變換的圖像拼接算法實(shí)現(xiàn)圖像之間的精確配準(zhǔn)，并通過變位機(jī)驅(qū) 動(dòng)攝像機(jī)精確變換位姿獲取圖像序列，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法具有較高的拼接精度。將采集的序 列圖像消除畸變后映射到同一基準(zhǔn)平面是該拼接算法的關(guān)鍵步驟，但由于該算法中未對(duì)攝 像機(jī)外部參數(shù)加以限制，所建立的圖像無畸變焦平面映射的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜。
[0005] 文獻(xiàn)2中所采用的圖像無畸變焦平面映射的數(shù)學(xué)模型如附圖一所示，其中，{C}為 實(shí)際成像時(shí)攝像機(jī)坐標(biāo)系，1C' }為無畸變虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系，其Xc'、Yc'軸分別與世界 坐標(biāo)系{W}的對(duì)應(yīng)軸同方位。則映射坐標(biāo)（u，v )τ與實(shí)際成像坐標(biāo)（u，ν)τ滿足以下關(guān) 系：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于坐標(biāo)變換的完整成像的映射方法，其特征在于包括攝像機(jī)位姿找正，所述 攝像機(jī)位姿找正是建立在攝像機(jī)借助于一個(gè)雙自由度精確調(diào)整裝置安裝在測(cè)量平面上方， 其包括以下步驟： 1) 攝像機(jī)對(duì)不同位姿的靶標(biāo)平面拍攝多幅圖像，由靶標(biāo)上每個(gè)特征點(diǎn)與其圖像上相應(yīng) 的像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)關(guān)系應(yīng)用平面標(biāo)定法，進(jìn)行優(yōu)化搜索精確獲取攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)； 2) 將靶標(biāo)平放在測(cè)量平面上，以靶標(biāo)平面作為XY平面設(shè)定世界坐標(biāo)系{WJ ; 3) 再次利用攝像機(jī)對(duì)靶標(biāo)平面成像，由靶標(biāo)上特征點(diǎn)與其像點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系、已標(biāo)定的攝 像機(jī)內(nèi)參根據(jù)小孔成像公式得出世界坐標(biāo)系{WJ相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系{C}位姿描述的齊 次變換矩陣』對(duì)所述齊次變換矩陣進(jìn)行歐拉角變換獲得繞攝像機(jī)坐標(biāo)系{C}固定軸 x-y-z旋轉(zhuǎn)的RPY角； 4) 待所測(cè)得的坐標(biāo)系{C}相對(duì)于其自身的Y、Z兩個(gè)軸依次旋轉(zhuǎn)的相應(yīng)角度小于設(shè)定 閾值^時(shí)，攝像機(jī)垂直找正完成；否則適當(dāng)調(diào)整雙自由度精確調(diào)整裝置的俯仰及偏轉(zhuǎn)角，返 回步驟3)重新對(duì)標(biāo)靶成像測(cè)量。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于：所述齊次變 換矩陣,+/是按照公式（2)進(jìn)行歐拉角變換獲得繞攝像機(jī)坐標(biāo)系{C}固定軸x-y-z旋轉(zhuǎn)的 RPY 角；
上述公式（2)中，C+iV )為坐標(biāo)系iWj的原點(diǎn)在坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)； 、，為坐標(biāo)系{C}相對(duì)于其自身的X、Y、Z三個(gè)軸依次旋轉(zhuǎn)的相應(yīng)角度，其中，坐標(biāo)系{C}的 Χ、Υ、Ζ三個(gè)軸分別相應(yīng)旋轉(zhuǎn)α、於、^角度后與坐標(biāo)系{WJ同方位。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述映射方 法還包括建立圖像無畸變焦平面向后映射數(shù)學(xué)模型； 所述圖像無畸變焦平面向后映射數(shù)學(xué)模型的建立是基于所述攝像機(jī)位姿來進(jìn)行，即首 先建立攝像機(jī)光軸垂直于測(cè)量平面時(shí)測(cè)量平面上點(diǎn)P{XW，Yw，〇}τ與圖像坐標(biāo)（u，ν) τ之間的 實(shí)際成像數(shù)學(xué)模型，然后建立測(cè)量平面上同一點(diǎn)Ρ在虛擬攝像機(jī)中的成像數(shù)學(xué)模型，再最 終建立圖像無畸變焦平面向后映射的數(shù)學(xué)模型。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述實(shí)際成 像數(shù)學(xué)模型滿足的關(guān)系式為：
(3)； 上述公式（3)中，/. S.., IV 1=,.為攝像機(jī)內(nèi)參；Ζ,... α為攝像機(jī)外參，其中；=>.-? ，II為靶標(biāo)厚度，《為找正過程中歐拉角變換所得《。
5. 如權(quán)利要求3所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述虛擬攝 像機(jī)中的成像數(shù)學(xué)模型是建立在攝像機(jī)坐標(biāo)系}與世界坐標(biāo)系{WJ姿態(tài)相同的前提 下，其數(shù)學(xué)模型滿足的關(guān)系式為：
(4)； 上述公式（4)中，·^足、$，為攝像機(jī)內(nèi)參；<2>為光心在虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系{C }Z軸 投影，由投影平面上所設(shè)定的圖像分辨力S確定；V 4為光學(xué)中心在映射圖像中的坐標(biāo)。
6. 如權(quán)利要求3所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述圖像無 畸變焦平面向后映射滿足的關(guān)系式為：
(5)； 上述公式（5)中，S,，S、. &為攝像機(jī)內(nèi)參；a、Z,:為攝像機(jī)外參，其中Z,:.=-見-? ,A為靶標(biāo)厚度，α為找正過程中歐拉角變換所得《 ％為光學(xué)中心在映射圖像中的坐 標(biāo)；心為光心在虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系{C' }Z軸投影，由投影平面上所設(shè)定的圖像分辨力δ 確定。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的基于坐標(biāo)變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述圖像 分辨力S為沿行或列方向單個(gè)像素所代表的尺寸，其滿足關(guān)系式：
(6)； 上述公式（6)中r,,為投影平面上映射區(qū)域的長(zhǎng)度/寬度；C,,,為映射圖像的 行/列；/為攝像機(jī)內(nèi)參焦距；Z。，為光心在虛擬攝像機(jī)坐標(biāo)系1C' }Z軸投影。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104048601SQ201410275210
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】劉凌云, 羅敏, 吳岳敏 申請(qǐng)人:湖北汽車工業(yè)學(xué)院