本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

圓經(jīng)過(guò)透視投影，當(dāng)成像平面與圓平面不平行時(shí)投影為橢圓，然而投影橢圓的中心并非圓心在像平面上的投影，兩者的偏差稱(chēng)為橢圓構(gòu)像偏差?，F(xiàn)有的視覺(jué)測(cè)量方法是將橢圓中心近似作為圓的中心進(jìn)行位姿的計(jì)算，該近似過(guò)程所引入的誤差在高精度測(cè)量要求下不能被忽略。文獻(xiàn)“eccentricityerroridentificationandcompensationforhigh-accuracy3dopticalmeasurement”(hed,liux,pengx,etal.measurementscience&technology,vol.24(7),075402,2013.)提出一種利用同心圓環(huán)進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的方法，通過(guò)獲取的橢圓特征分析圓形標(biāo)志投影中心，其優(yōu)點(diǎn)是需要檢測(cè)的特征少，缺點(diǎn)是在實(shí)際相機(jī)標(biāo)定中精度較差，無(wú)法用于高精度的測(cè)量任務(wù)。文獻(xiàn)“eccentricityerroridentificationandcompensationforhigh-accuracy3dopticalmeasurement”(hed,liux,pengx,etal.measurementscience&technology,vol.24(7),075402,2013.)提出一種基于同心圓環(huán)的橢圓構(gòu)像偏差矯正方法，但其中涉及近似計(jì)算，會(huì)對(duì)橢圓中心點(diǎn)的提取精度造成影響。文獻(xiàn)“eccentricityerrorcompensationforgeometriccameracalibrationbasedoncircularfeatures”(yangx,fangs.measurementscience&technology,vol.25(2),pp.149-156,2014.)提出了橢圓構(gòu)像偏差在相機(jī)標(biāo)定中的影響，并給出了一種矯正的方式，但其主要在矯正相機(jī)畸變引起的橢圓中心偏差，沒(méi)有很好的解決由于透視投影所造成的構(gòu)像偏差問(wèn)題。通過(guò)橢圓構(gòu)像偏差模型可以計(jì)算出任意位姿下的橢圓構(gòu)像偏差，但是前提是需要知道位姿信息，這一前提在實(shí)際工程測(cè)量應(yīng)用中無(wú)法被滿足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法，來(lái)解決以上背景技術(shù)部分提到的問(wèn)題。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法，其包括如下步驟：

s101、基于圖像檢測(cè)獲得的橢圓中心作為特征點(diǎn)作出初始位姿估計(jì)，計(jì)算出基于初始位姿的橢圓構(gòu)像偏差；

s102、對(duì)檢測(cè)到的橢圓中心進(jìn)行橢圓構(gòu)像偏差矯正，獲得矯正后的特征點(diǎn)，并作出新的位姿估計(jì)；

s103、進(jìn)行迭代終止條件判斷，若不滿足終止條件，則基于新的位姿計(jì)算新的橢圓構(gòu)像偏差值繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；若滿足終止條件，則得到最終結(jié)果。

特別地，所述步驟s101包括：對(duì)圖像上的橢圓特征進(jìn)行檢測(cè)，獲得橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pi，所有橢圓中心點(diǎn)的偏心誤差初始化為μi0＝0，i＝0,1,2,l，位姿初始化為r＝03×3，t＝[000]^t。

特別地，所述步驟s102包括：每次迭代對(duì)所有橢圓中心點(diǎn)進(jìn)行橢圓構(gòu)像偏差矯正，對(duì)于第k次矯正過(guò)程，矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pik＝pi-μik；由矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pik及標(biāo)靶上圓形標(biāo)志中心點(diǎn)坐標(biāo)qi計(jì)算出第k次矯正后的位姿rk、tk。

特別地，所述步驟s103中迭代終止條件包括：一、迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限值；二、所有標(biāo)志點(diǎn)的橢圓偏心誤差μik小于設(shè)定閾值；三、兩次迭代所得位姿rk-1、tk-1、rk、tk的差值e小于設(shè)定閾值；當(dāng)滿足上述迭代終止條件的任一項(xiàng)時(shí)迭代均終止，得到最終估計(jì)位姿rk、tk，否則由rk、tk計(jì)算出偏心誤差μi,k+1并進(jìn)行第k+1次迭代矯正；其中，

為k-1次迭代計(jì)算得到的位姿變換矩陣，為k次迭代計(jì)算得到的位姿變換矩陣，為其逆矩陣；h矩陣為相鄰兩次迭代結(jié)果的差值；將h矩陣進(jìn)行分塊，d矩陣為其前三行前三列組成的3x3的矩陣，xe，ye，ze分別為h矩陣第4列前三行的元素，而d11，d22，d33分別指代d矩陣中對(duì)角線上的三個(gè)元素。

本發(fā)明提出的基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：一、利用迭代實(shí)現(xiàn)了基于偏心差矯正的位姿估計(jì)，可以與單目相機(jī)標(biāo)定、雙目相機(jī)標(biāo)定、位姿測(cè)量等應(yīng)用結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度的視覺(jué)測(cè)量；二、可以計(jì)算任意位置的圓形標(biāo)志的偏心誤差，因此對(duì)于具體測(cè)量應(yīng)用中圓形標(biāo)志的位置沒(méi)有限制；三、通過(guò)調(diào)整迭代終止條件可以獲得不同精度和速度要求的位姿估計(jì)結(jié)果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的單相機(jī)位姿測(cè)量示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的相機(jī)標(biāo)定流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的單相機(jī)標(biāo)定示意圖；

圖5a-圖5d為本發(fā)明實(shí)施例提供的單相機(jī)標(biāo)定時(shí)所拍攝圖片的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容，除非另有定義，本文所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施例，不是旨在于限制本發(fā)明。

請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法流程圖。

本實(shí)施例中基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法包括如下步驟：

s101、基于圖像檢測(cè)獲得的橢圓中心作為特征點(diǎn)作出初始位姿估計(jì)，計(jì)算出基于初始位姿的橢圓構(gòu)像偏差。

s102、對(duì)檢測(cè)到的橢圓中心進(jìn)行橢圓構(gòu)像偏差矯正，獲得矯正后的特征點(diǎn)，并作出新的位姿估計(jì)。

s103、進(jìn)行迭代終止條件判斷，若不滿足終止條件，則基于新的位姿計(jì)算新的橢圓構(gòu)像偏差值繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；若滿足終止條件，則得到最終結(jié)果。

具體的，所述步驟s101包括：對(duì)圖像上的橢圓特征進(jìn)行檢測(cè)，獲得橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pi，所有橢圓中心點(diǎn)的偏心誤差初始化為μi0＝0，i＝0,1,2,l，位姿初始化為r＝03×3，t＝[000]^t。所述步驟s102包括：每次迭代對(duì)所有橢圓中心點(diǎn)進(jìn)行橢圓構(gòu)像偏差矯正，對(duì)于第k次矯正過(guò)程，矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pik＝pi-μik；由矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pik及標(biāo)靶上圓形標(biāo)志中心點(diǎn)坐標(biāo)qi計(jì)算出第k次矯正后的位姿rk、tk，需要說(shuō)明的是，這里的位姿計(jì)算方法采用的是pnp方法，具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)：heschja,roumeliotissi.adirectleast-squares(dls)methodforpnp[c]//ieeeinternationalconferenceoncomputervision.ieee,2011:383-390。所述步驟s103中迭代終止條件包括：一、迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限值；二、所有標(biāo)志點(diǎn)的橢圓偏心誤差μik小于設(shè)定閾值；三、兩次迭代所得位姿rk-1、tk-1、rk、tk的差值e小于設(shè)定閾值；當(dāng)滿足上述迭代終止條件的任一項(xiàng)時(shí)迭代均終止，得到最終估計(jì)位姿rk、tk，否則由rk、tk計(jì)算出偏心誤差μi,k+1并進(jìn)行第k+1次迭代矯正；其中，

為k-1次迭代計(jì)算得到的位姿變換矩陣，為k次迭代計(jì)算得到的位姿變換矩陣，為其逆矩陣；h矩陣為相鄰兩次迭代結(jié)果的差值；將h矩陣進(jìn)行分塊，d矩陣為其前三行前三列組成的3x3的矩陣，xe，ye，ze分別為h矩陣第4列前三行的元素，而d11，d22，d33分別指代d矩陣中對(duì)角線上的三個(gè)元素。

本發(fā)明提出的基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法可以應(yīng)用于位姿測(cè)量、單目相機(jī)標(biāo)定、立體視覺(jué)標(biāo)定等領(lǐng)域，下面分別對(duì)本發(fā)明應(yīng)用于位姿測(cè)量、單目相機(jī)標(biāo)定的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

當(dāng)基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法應(yīng)用于位姿測(cè)量時(shí)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

一、如圖2所示，相機(jī)11拍攝平面對(duì)象12上的圓形特征13。由于平面對(duì)象12可能不平行于成像平面，成像特征可能會(huì)是橢圓。在拍攝圖像中提取橢圓特征，獲取其中心點(diǎn)坐標(biāo)。所有橢圓中心點(diǎn)的偏心誤差初始化μi0＝0,位姿初始化為r＝03×3，t＝[000]^t。

二、對(duì)于所有的橢圓中心進(jìn)行橢圓偏心誤差進(jìn)行第k次矯正，矯正之后的橢圓中心pik＝pi-μik。由矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)pik及標(biāo)靶上圓形標(biāo)志中心點(diǎn)坐標(biāo)qi可以計(jì)算出第k次矯正后的位姿rk、tk。

三、對(duì)于如下三項(xiàng)迭代終止條件：一、迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限值，在本實(shí)施例中設(shè)定上限值為10；二、所有標(biāo)志點(diǎn)的橢圓偏心誤差μik小于設(shè)定閾值，在本實(shí)施例中設(shè)定閾值為10^-5；三、兩次迭代所得位姿差值小于設(shè)定閾值，本實(shí)施例中設(shè)定閾值為10^-5；當(dāng)滿足上述迭代終止條件的任一項(xiàng)時(shí)迭代均終止，得到最終估計(jì)位姿rk、tk，否則返回第二步，由rk、tk計(jì)算出偏心誤差μi,k+1并進(jìn)行第k+1次迭代矯正。

下表為橢圓構(gòu)像偏差矯正前后的位姿估計(jì)結(jié)果，經(jīng)過(guò)多次橢圓構(gòu)像偏差的迭代矯正，估計(jì)的位姿結(jié)果相對(duì)于矯正前有了很大的提高。

當(dāng)基于橢圓構(gòu)像偏差迭代矯正的視覺(jué)測(cè)量方法應(yīng)用于相機(jī)標(biāo)定時(shí)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示：

一、如圖4所示，相機(jī)21拍攝不同位置姿態(tài)的平面對(duì)象22上的圓形特征23，其中部分圖像如圖5a-圖5d所示，這組圖片是相機(jī)標(biāo)定過(guò)程中拍攝的圖片，圖5a-圖5d是4次在不同角度下拍攝到的圖片。在拍攝圖像中提取橢圓特征，獲取其中心坐標(biāo)pji，i其中代表一副圖像中橢圓中心點(diǎn)的編號(hào)，j代表所拍攝圖片的編號(hào)。

二、對(duì)第一步中拍攝到的圖像進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定得到相機(jī)畸變參數(shù)k1、k2、p1、p2。根據(jù)標(biāo)定出的相機(jī)畸變參數(shù)進(jìn)行去除畸變的處理，獲得畸變矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)dji。所有橢圓中心點(diǎn)的偏心誤差初始化^jμi0＝0,位姿初始化為rj＝03×3，tj＝[000]^t。

三、對(duì)于每幅圖像中所有的橢圓中心進(jìn)行橢圓偏心誤差的第k次矯正，矯正之后的橢圓中心^jdik＝dji-^jμik。將相機(jī)畸變參數(shù)固定為0，由矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)^jdik及標(biāo)靶上圓形標(biāo)志中心點(diǎn)坐標(biāo)qi可以標(biāo)定出第k次矯正后的相機(jī)內(nèi)參和對(duì)應(yīng)第j幅圖像的外參^jrk、^jtk。

四、對(duì)于如下三項(xiàng)迭代終止條件：對(duì)于如下三項(xiàng)迭代終止條件：一、迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限值，在本實(shí)施例中設(shè)定上限值為10；二、所有標(biāo)志點(diǎn)的橢圓偏心誤差^jμik小于設(shè)定閾值，在本實(shí)施例中設(shè)定閾值為10^-5；三、對(duì)于每幅圖像，兩次迭代所得位姿差值小于設(shè)定閾值，本實(shí)施例中設(shè)定閾值為10^-5；當(dāng)滿足上述迭代終止條件的任一項(xiàng)時(shí)迭代均終止，得到最終估計(jì)內(nèi)參與外參^jrk、^jtk，否則回到第三步進(jìn)行第k+1次迭代標(biāo)定。

五、基于第四步得到的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)對(duì)每一幅拍攝得到的圖像進(jìn)行橢圓構(gòu)像偏差矯正，以矯正后的橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)^jdik及標(biāo)靶上圓形標(biāo)志中心點(diǎn)坐標(biāo)qi標(biāo)定出相對(duì)于第二步更為精確的相機(jī)畸變參數(shù)k1、k2、p1、p2。

下表中三欄分別表示設(shè)置的相機(jī)內(nèi)參數(shù)、未經(jīng)過(guò)橢圓構(gòu)像偏差矯正的標(biāo)定結(jié)果和經(jīng)過(guò)橢圓構(gòu)像偏差矯正的標(biāo)定結(jié)果?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)橢圓構(gòu)像偏差矯正后相機(jī)的標(biāo)定精度得到了很大的提高。

本發(fā)明提出的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：一、利用迭代實(shí)現(xiàn)了基于偏心差矯正的位姿估計(jì)，可以與單目相機(jī)標(biāo)定、雙目相機(jī)標(biāo)定、位姿測(cè)量等應(yīng)用結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度的視覺(jué)測(cè)量；二、可以計(jì)算任意位置的圓形標(biāo)志的偏心誤差，因此對(duì)于具體測(cè)量應(yīng)用中圓形標(biāo)志的位置沒(méi)有限制；三、通過(guò)調(diào)整迭代終止條件可以獲得不同精度和速度要求的位姿估計(jì)結(jié)果。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分流程，是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，所述的程序可存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，可包括如上述各方法的實(shí)施例的流程。其中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)可為磁碟、光盤(pán)、只讀存儲(chǔ)記憶體(read-onlymemory，rom)或隨機(jī)存儲(chǔ)記憶體(randomaccessmemory，ram)等。

以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。基于此處的解釋?zhuān)绢I(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。