基于高精度輔助相機和球靶標的多攝像機全局校準方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及攝像機全局校準的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高精度輔助相機和球 靶標的多攝像機全局校準方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維視覺系統(tǒng)具有非接觸、可檢測對象眾多、速度快和測量精度較高等優(yōu)點，廣泛 應(yīng)用在國民經(jīng)濟和科學(xué)研究等領(lǐng)域。對單個視覺傳感器，測量的空間范圍有限。所以需要多 個視覺傳感器協(xié)同，組成一個測量范圍更大的三維視覺系統(tǒng)。在多傳感器視覺系統(tǒng)中，需要 將各個傳感器的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，從整體上一致地描述整個被測對象。因此，需要將各個 視覺傳感器的測量結(jié)果統(tǒng)一到世界總體坐標系中，即對全部視覺傳感器進行全局校準。測 量精度是視覺系統(tǒng)的重要指標，而全局校準的精度直接影響視覺系統(tǒng)的測量精度。在多數(shù) 視覺系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，被測對象的結(jié)構(gòu)和所處環(huán)境都比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致視覺傳感器的 布局復(fù)雜，甚至許多傳感器之間并無公共視場。視覺系統(tǒng)的這些特征，要求全局校準方法應(yīng) 該具有精度高和柔性好的特點，并且能夠校準布局復(fù)雜且無公共視場的多視覺傳感器。
[0003] -些傳統(tǒng)的全局校準方法[參考文獻1-3]依賴于各個傳感器視場之中的特征點 的相互匹配，這類方法無法適用于無公共視場的情況。為了克服無公共視場的限制，Luo [參 考文獻4]采用雙經(jīng)煒儀進行全局校準，Kitahara等人[參考文獻5]用激光跟蹤儀來完 成全局校準，他們均利用高精度輔助設(shè)備在空間中重建三維特征點，從而建立各個傳感器 坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。但是當現(xiàn)場空間較小時，外部輔助設(shè)備存在觀測盲區(qū)， 甚至無法放置這些輔助設(shè)備。在視頻監(jiān)控和跟蹤等領(lǐng)域，Esquivel等人[參考文獻6]和 Pflugfelder等人[參考文獻7]利用自標定的方法，即視覺傳感器通過觀測視場內(nèi)具有特 定結(jié)構(gòu)的目標對象來對無公共視場多視覺傳感器進行全局校準。但是在工業(yè)測量中，很難 獲取滿足要求的場景信息，而且自標定方法的精度很難滿足視覺測量的要求。Kumar等人 [參考文獻8]利用平面鏡，讓無公共視場的多個視覺傳感器觀測到同一個靶標，從而實現(xiàn) 全局校準。但是在復(fù)雜的視覺系統(tǒng)中，無法確保所有傳感器都清晰地觀測到靶標。Liu等人 [參考文獻9]利用雙平面靶標的固定約束關(guān)系實現(xiàn)兩個視覺傳感器的全局校準，此方法能 夠獲得較高的校準精度，但是只能通過兩兩校準的方式來對多傳感器進行全局校準，這會 對最終的校準精度造成影響。Liu等人[參考文獻10]提出了一種基于兩組傾斜激光線的 全局校準方法，可以校準各種視場角度的傳感器，柔性較好?？墒敲鎸Σ季謴?fù)雜的多個視覺 傳感器時，此方法不易于現(xiàn)場操作。
[0004] 本發(fā)明參考文獻如下：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的為：1)針對復(fù)雜環(huán)境無公共視場的多攝像機系統(tǒng)，現(xiàn)有的全局校準 方法操作復(fù)雜，甚至很難實現(xiàn)。而本方法可以快捷方便地完成工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的校準 任務(wù)。2)基于球靶標的多攝像機全局校準，目前研究較少。球靶標具有各向同性的特點，便 于被局部攝像機和全局攝像機從不同方向同時觀測，相比于其它一維和二維靶標，觀測盲 區(qū)大大減少。3)現(xiàn)有的多攝像機全局校準方法，大多采用"兩兩校準"的方法。而本方法可 以通過一次校準操作，實現(xiàn)無公共視場多攝像機的全局校準，避免了"兩兩校準"所造成的 精度損失。4)針對球心三維坐標的單視圖重構(gòu)，現(xiàn)有方法采用橢圓一般方程來擬合球圖像 邊緣，計算復(fù)雜并且精度不高。本文中建立了三自由度球投影模型，進而采用三自由度的參 數(shù)方程來擬合球圖像邊緣，大大提高球心重構(gòu)精度，并簡化了計算過程。
[0016] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于高精度輔助相機和球靶標的多攝像機全局校 準方法，該方法的步驟為：
[0017] 步驟（1)、安裝固定內(nèi)參已提前標定過的多個攝像機，在每個待校準攝像機視場內(nèi) 合適位置處擺放至少三個球靶標，并避免相互遮擋，在合適位置固定一個高精度全局攝像 機，使所有球靶標都在其視場之內(nèi)，并以全局攝像機坐標系為世界坐標系；
[0018] 步驟（2)、將球靶標在合適位置擺放多次，每個攝像機拍攝各自視場內(nèi)的球靶標， 全局攝像機拍攝所有球靶標；
[0019]步驟（3)、對于每一組球靶標，重構(gòu)它們的球心在攝像機坐標系和世界坐標系中的 三維坐標，并利用非線性優(yōu)化的方法求解攝像機坐標系和世界坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，從而完 成所有攝像機的全局校準。
[0020] 其中，所述的高精度