用于大目标全景测量的环形多相机标定方法及系统

技术领域

本发明涉及多相机标定技术领域，具体涉及一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法及系统。

背景技术

为了适应社会发展和科技进步的需要，测量的要求也在随之提高。高精尖端、国防工业等重要领域对于生产制造和研究发挥着巨大的反馈修正作用，这些领域中大尺寸被测目标的全景高精度相关测量尤其重要。然而，现有的全景测量方法或多或少都存在一定缺陷，要么测量时标定精度不高，要么测量时标定方法不具有普适性，无法测量大体积的目标。所以截止到目前为止还没有较为理想的标定技术可以完全满足大目标全景测量的要求。

现有的环形多相机标定方法，一般利用传统张正友标定法来获取每个相机的内部参数，将带有类似棋盘格的圆柱体靶标放在环形多相机阵列的中间位置，每个相机拍摄靶标的一部分图案，根据相邻相机之间的重叠区域建立相机之间的关系，识别相机重叠区域的靶标图像，提取靶标特征点；同时采用直接线性变换(DLT)法对重叠区域的特征点进行求解，进而建立起环形相机阵列之间的外部参数关系，实现全局标定，以及完成大目标的全景测量。

然而，现有的环形多相机标定方法只能用于体积不大，容易移动的被测目标，对于大体积、不方便移动的被测目标，此种标定方法并不现实；另外，现有的环形多相机标定方法利用直接线性变换(DLT)法求解相机之间的外部参数关系，无法满足现有技术发展对于高测量精度的要求。由此可见，现有的环形多相机标定技术无法满足大目标的高精度全景测量。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法及系统，解决了现有技术无法实现大目标物体的高精度全景测量。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明首先提出一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法，所述方法包括：

基于被测目标体积搭建环形多相机测量装置；利用所述装置基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像；

基于所述靶标图像根据对极几何约束获取每个相机的外部参数，并建立所有相机之间的外部参数关系；

基于每个相机的内部参数和所述外部参数关系，实现环形多相机的全局标定，并对所述全局标定后的参数进行优化。

优选的，所述环形多相机测量装置包括：以环形阵列环绕在被测目标周围的若干个相机和分布在每两个相机之间的光源。

优选的，所述对所述全局标定的参数进行优化包括：利用重投影误差法对所述全局标定的参数进行优化。

优选的，所述相机的内部参数包括主点和相机沿正交方向的各个焦距；所述相机的外部参数包括旋转矩阵和平移向量。

第二方面，本发明还提出了一种用于大目标全景测量的环形多相机标定系统，所述系统包括：

靶标图像获取模块，用于利用基于被测目标体积预先搭建好的环形多相机测量装置，基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像；

相机外部参数获取模块，用于基于所述靶标图像根据对极几何约束获取每个相机的外部参数，并建立所有相机之间的外部参数关系；

相机标定结果获取模块，用于基于每个相机的内部参数和所述外部参数关系，实现环形多相机的全局标定，并对所述全局标定后的参数进行优化。

优选的，所述靶标图像获取模块中环形多相机测量装置包括：以环形阵列环绕在被测目标周围的若干个相机和分布在每两个相机之间的光源。

优选的，所述相机标定结果获取模块中对所述全局标定的参数进行优化包括：利用重投影误差法对所述全局标定的参数进行优化。

优选的，所述相机的内部参数包括主点和相机沿正交方向的各个焦距；所述相机的外部参数包括旋转矩阵和平移向量。

(三)有益效果

本发明提供了一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法及系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、该发明的环形多相机的标定方法简单，不需要特殊设备辅助，并且具有高精度的标定质量；同时，基于该标定方法搭建的环形多相机阵列可根据被测目标的体积大小灵活搭建，不会受被测目标体积大小的影响，具有普适性；

2、本发明中采用1维靶标进行标定的方式，相比于目前常用的2维平面靶标的标定方式来说，结构更简单、操作更方便；

3、本发明的多相机标定方法可实现对较大体积目标的全景测量，特别适用于航空航天领域中较大体积被测目标的测量工作；

4、本发明基于对极几何约束联立每个相机，结合全局标定参数优化，可保证外部参数的准确性和优越性，相比于现有技术中采用直接线性变换(DLT)的外部参数求解方法，可以提高整个多相机测量装置的整体标定精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法的整体流程图；

图2为本发明实施例中环形多相机标定时结构示意图；

图3为本发明实施例中1维标定靶标示意图；

图4为本发明实施例中1维标定靶标和各特征点之间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法及系统，解决了现有技术无法实现大目标物体的高精度全景测量的问题，实现了对于大体积，不方便移动物体的高精度全景测量的目的。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

为了满足航空航天等领域大尺寸被测目标的全景高精度相关测量工作，本发明的技术方案可基于被测目标的体积利用若干个相机搭建环形多相机测量装置；然后利用一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并利用对极几何约束求解每个相机的外部参数以完成环形多相机阵列的全局标定，最后再对全局标定后的参数进行优化，即可实现对大目标物体的高精度全景测量。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

第一方面，本发明首先提出了一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法，参见图1，该方法包括：

S1、基于被测目标体积搭建环形多相机测量装置；利用上述装置基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像；

S2、基于上述靶标图像根据对极几何约束获取每个相机的外部参数，并建立所有相机之间的外部参数关系；

S3、基于每个相机的内部参数和上述外部参数关系，实现环形多相机的全局标定，并对上述全局标定后的参数进行优化。

可见，本实施例的环形多相机的标定方法更加简单，不需要特殊设备辅助，并且具有高精度的标定质量；同时，基于该标定方法搭建的环形多相机阵列可根据被测目标的体积大小灵活搭建，不会受被测目标体积大小的影响，具有普适性。

下面结合附图1-4，以及对S1-S3具体步骤的解释，来详细说明本发明一个实施例的实现过程。

本发明提出的一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法，主要用于航空航天领域中大目标的全景测量(其它领域中大目标的全景测量同样适用)。在实际使用时，将相关配件组装成环形多相机测量装置，然后再对大目标进行全景测量。图2为本实施例中环形多相机标定示意图，参见图2，环形多相机测量装置搭建的具体操作流程为：

S1、基于被测目标体积搭建环形多相机测量装置；利用上述装置基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像。

S11、基于被测目标体积搭建环形多相机测量装置。

该环形多相机测量装置包括：以环形阵列环绕在被测目标周围的若干个相机和分布在每两个相机之间的多个LED照明光源，标定板，相机同步触发盒，控制用电脑等。

1)根据被测目标物体的大小，用三个或三个以上的灰度相机组成环形相机阵列，该环形相机阵列环绕在被测目标物体的周围。相机在设置时，相邻相机两两之间保持一定的重叠区域。

2)设置多个LED照明光源。在每两个相机之间设置一个LED光源。多光源多角度照明有利于保证每个相机都有足够的光照，光照充足的环境中尽量采用小光圈的方式，昏暗环境中通过LED光源为相机补光，小光圈有利于相机的清晰成像。进入每个相机视场的光强尽量要保持一致，同时光照不宜过强，过曝光点会影响后期测量精度。调节镜头焦距直到相机视场中能够清晰成像。

S12、利用上述搭建的环形多相机测量装置基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像。

利用靶标对相邻相机进行两两标定，保证每张靶标图像都能够同时被至少两个相机捕获，每个相机捕获四张靶标图像。靶标在设置时尽量贴近被测目标表面，这样有利于提高标定精度。

在本实施例中，我们设计了一种1维标定靶标，用来对相邻相机进行两两标定，标定过程中相邻两个相机都可以观察到靶标上至少三个特征圆。如图3-4所示，为本实施例中所设计的1维标定靶标示意图，以及1维标定靶标和各特征点之间的关系示意图。

S2、基于上述靶标图像根据对极几何约束获取每个相机的外部参数，并建立所有相机之间的外部参数关系。

每一张靶标图像都可以联立两个相邻的相机，因此，拍摄一周的靶标图像将所有相机关联起来。根据对极几何(Epipolar Geometry)约束可以从靶标图像中求解包含有相机外部参数的本质矩阵。最终，将所有的相机外部参数都转换为与一个相机的关系，这样即完成了环形多相机阵列的全局标定。

相机之间的外部参数包括旋转矩阵和平移向量。下面具体介绍求解旋转矩阵和平移向量过程：

2.1)求解特征点(圆心)。

通过边缘检测算法提取圆形或椭圆形轮廓上的边缘点，边缘点拟合为椭圆，进而获取椭圆的圆心。

因为1维靶标在设计之初，所有特征点理论上均在同一水平线上，所以基于这个前提，我们可以根据以下相关公式求得相机之间的外部参数。

2.2)求解旋转矩阵。

因为3维特征点P

其中，P

空间3维点投射到2维图像平面以后，x、y方向上的对应关系不变，对应特征点的2维图像坐标p

其中，p

假设在第i个相机的相机坐标系下，靶标第k次移动时消失点的图像坐标记为p

其中，e

e

其中，R

移动1维靶标两次，相机1、2间有如下形式的方程组关系：

以单位方向向量表示的相机1、2间的旋转关系为：

R

移动两次靶标即可唯一求解出两个相机间的旋转关系。

2.3)利用逆向刚性变换求解平移向量。

相机2中的点P

其中，T

特征点之间的距离关系为：

L

L

在标定相邻的两个相机的时候只需要三个特征点即可求出相机的外部参数，因为是两两标定相机，再次采用对极几何约束(需要八个特征点)建立起所有相机之间的关系。

S3、基于每个相机的内部参数和上述外部参数关系，实现环形多相机的全局标定，并对上述全局标定后的参数进行优化。

为了保证本实施例环形多相机测量装置的整体高精度，需要对环形多相机测量装置的全局标定参数优化。相机的内部参数可运用常规棋盘格靶标(张正友标定法)提前获取。根据重投影误差的概念，设定与相机外部参数有关的约束函数，将重投影误差最小时所对应的相机外部参数作为最终的标定结果，即可完成相机标定参数的全局优化。

用实际和理论图像点H、H′来定义重投影误差，定义非线性最小化函数来完成系统的全局标定优化。

其中，M、N分别表示相机个数和图像对应点个数；H、H′分别表示实际和理论图像点。

采用Bundle Adjustment(BA)法对系统的整体标定精度进行全局优化以提高系统的整体性能。Levenberg-Marquardt(LM)算法是常用的BA优化算法，因其计算速度快、不受初始值的限制非常适合用于对J的优化。

经过参数优化之后，即可获得整体高精度的标定环形多相机测量装置，然后利用该优化后的装置即可实现大体积目标的全景测量。

至此，完成了本实施例一种用于大目标全景测量的环形多相机标定方法的全部过程。

实施例2：

第二方面，本发明还提供了一种用于大目标全景测量的环形多相机标定系统，该系统包括：

靶标图像获取模块，用于利用基于被测目标体积预先搭建好的环形多相机测量装置，基于一维标定靶标对相邻相机进行两两标定，并获取每两个相邻相机之间的靶标图像；

相机外部参数获取模块，用于基于所述靶标图像根据对极几何约束获取每个相机的外部参数，并建立所有相机之间的外部参数关系；

相机标定结果获取模块，用于基于每个相机的内部参数和所述外部参数关系，实现环形多相机的全局标定，并对所述全局标定后的参数进行优化。

可选的，所述靶标图像获取模块中环形多相机测量装置包括：以环形阵列环绕在被测目标周围的若干个相机和分布在每两个相机之间的光源。

可选的，所述相机标定结果获取模块中对所述全局标定的参数进行优化包括：利用重投影误差法对所述全局标定的参数进行优化。

可选的，所述相机的内部参数包括主点和相机沿正交方向的各个焦距；所述相机的外部参数包括旋转矩阵和平移向量。

可理解的是，本发明实施例提供的用于大目标全景测量的环形多相机标定系统与上述用于大目标全景测量的环形多相机标定方法相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参照用于大目标全景测量的环形多相机标定方法中的相应内容，此处不再赘述。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、该发明的环形多相机的标定方法简单，不需要特殊设备辅助，并且具有高精度的标定质量；同时，基于该标定方法搭建的环形多相机阵列可根据被测目标的体积大小灵活搭建，不会受被测目标体积大小的影响，具有普适性；

2、本发明中采用1维靶标进行标定的方式，相比于目前常用的2维平面靶标的标定方式来说，结构更简单、操作更方便；

3、本发明的多相机标定方法可实现对较大体积目标的全景测量，特别适用于航空航天领域中较大体积被测目标的测量工作；

4、本发明基于对极几何约束联立每个相机，结合全局标定参数优化，可保证外部参数的准确性和优越性，相比于现有技术中采用直接线性变换(DLT)的外部参数求解方法，可以提高整个多相机测量装置的整体标定精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。