基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备技术方案

本发明专利技术属于三维测量和图像处理领域，具体涉及了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备，旨在解决现有的振镜相机标定方法误差较大的问题。本发明专利技术包括：在空间中设置不同位姿的标定板；建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；随机选取空间标定点，记录振镜控制标定电压；基于振镜控制标定电压获取单应矩阵和三维空间点与振镜控制电压的映射关系；通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；进而计算两片反射镜的控制电压的误差，最小化误差完成振镜相机的主动标定。本发明专利技术通过建立空间点到振镜控制电压的非线性映射关系，采用线性近似与非线性优化的方式得到准确的振镜关系，降低了振镜标定的误差。低了振镜标定的误差。低了振镜标定的误差。

【技术实现步骤摘要】
基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备


[0001]本专利技术属于三维测量和图像处理领域，具体涉及了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法、系统和设备。

技术介绍

[0002]传统的接触式测量方法由于需要直接接触物体表面，故存在检测速度慢，感应元件老化磨损等诸多缺陷。非接触式测量方法相比之下，因为测量速度快，远距离测量等诸多优点，近年来得到了长足的发展。
[0003]在非接触式测量方法中，基于激光振镜的三维测量技术，由于扫描速度快，精度高，测量范围广，可重复性高等优点，被广泛应用于激光雷达，线激光测量等领域。
[0004]但是基于激光的振镜扫描方式本身不具备从外界获取物体信息的能力，只通过反射激光束进行测量。基于相机的振镜测量方法，可以主动的发现物体，获取物体的外观，颜色等特征，弥补了激光振镜主动性差的缺陷。
[0005]基于振镜相机的主动视觉测量系统利用双振镜偏转相机光轴，改变相机的相对位姿，实现二维扫描与追踪。D/A控制板会根据计算机输出的数字控制信号，转换成模拟控制电压，驱动振镜的反射镜偏转相应的角度。理论上，数字控制电压应当与振镜偏转角度有精准的线性映射关系。但是在实际应用场景中，由于器件响应特性，以及D/A控制精度原因，振镜偏转角度与数字电压的关系难以通过非接触手段进行测量。此外，振镜两片镜子之间的距离也会对相机光轴的偏转造成影响，产生测量误差。为了确保基于振镜相机的主动视觉测量精度，在使用之前，需要对振镜相机进行标定，得到空间点与振镜控制电压的映射关系。
专利技术内容
[0006]为了解决现有技术中的上述问题，即现有的振镜相机标定方法误差较大的问题，本专利技术提出一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，所述方法包括：步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；
步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。
[0007]在一些优选的实施方式中，所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：式为：其中，空间点P在世界坐标系内的齐次坐标为，其中，、和分别为空间点P在世界坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；空间点P在振镜坐标系内的坐标为，其中，、和分别为空间点P在振镜坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；为旋转平移矩阵，其中R表示旋转向量，t表示平移向量；表示tilt轴反射镜的数字控制电压，表示pan轴反射镜的数字控制电压，表示tilt轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，表示pan轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，表示tilt轴反射镜的偏转角度，表示pan轴反射镜的偏转角度，表示tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离。
[0008]在一些优选的实施方式中，步骤S300，具体为：选取空间中的n个空间标定点作为空间标定点集，调整振镜偏转角度，使振镜光路对准所述空间标定点，记录使空间标定点正好落在振镜相机中心时的控制电压集合，其中控制电压U的齐次坐标形式为。
[0009]在一些优选的实施方式中，所述步骤S400，具体为：在实际应用中，偏转角度值，且，以替代和；tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离e远小于空间点P在振镜坐标系内的坐标的深度分量，将e近似为0；获得近似振镜模型：
其中，s表示从齐次形式中提取的比例因子，A表示近似振镜模型的内参矩阵，将旋转平移矩阵定义为外参矩阵；空间点P在世界坐标系内的齐次坐标通过单应矩阵H与控制电压的齐次坐标建立联系，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系：基于所述空间标定点集和振镜控制标定电压，通过SVD方法或最小二乘法求解所述单应矩阵H。
[0010]在一些优选的实施方式中，所述步骤S500，包括：步骤S510，所述旋转平移矩阵由三个旋转向量和一个平移向量构成，以表示旋转平移矩阵的第i列，所述旋转平移矩阵的详细表示为：其中，、和表示旋转矩阵的三列，、和之间存在单位正交的关系：步骤S520，通过单应矩阵H和近似振镜模型的内参矩阵A表示旋转矩阵有：其中，表示单应矩阵H的第i列；记，则过程矩阵B为：其中，表示过程矩阵B的第1行第1列的元素，表示过程矩阵B的第2行第2列的元素，表示过程矩阵B的第3行第3列的元素；步骤S530，通过SVD分解的方式，求解B矩阵，获得内参矩阵A为：
其中，；步骤S540，基于所述内参矩阵A，求解外参矩阵：。
[0011]在一些优选的实施方式中，所述步骤S700具体包括：步骤S710，通过最小化两片反射镜的控制电压得到电压误差：其中，表示观察第i行第j列标定点时tilt轴反射镜的控制电压，表示观察第i行第j列标定点时pan轴反射镜的控制电压，表示pan轴反射镜的电压误差，表示tilt轴反射镜的电压误差，表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的x方向分量，表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的y方向分量，表示第i行第j列的空间点在振镜坐标系内的z方向分量；步骤S720，最小化和，确定，，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
[0012]在一些优选的实施方式中，所述步骤S720，具体为：通过lm算法调整，，e，R，t，直至所述电压误差和均小于预设的允许标准差阈值，确定，，e，R，t，完成振镜相机的主动标定。
[0013]本专利技术的另一方面，提出了一种基于振镜相机的主动视觉三维标定系统，包括：初始表达式构建模块、控制电压记录模块、空间点与电压映射确定模块、内参矩阵与外参矩阵获取模块和误差处理模块；所述初始表达式构建模块，配置为在空间中设置不同位姿的标定板，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；所述控制电压记录模块，配置为在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；所述空间点与电压映射确定模块，配置为基于所述振镜控制标定电压获取单应矩
阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；所述内参矩阵与外参矩阵获取模块，配置为基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；所述精确映射关系获取模块，配置为基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S100，在空间中设置不同位姿的标定板；步骤S200，建立振镜相机模型，确定三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式；步骤S300，在不同位姿的标定板上随机选取空间标定点集，使振镜光路对准空间标定点，记录振镜控制标定电压；步骤S400，基于所述振镜控制标定电压获取单应矩阵，进而获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系；步骤S500，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系，通过SVD分解方法获取内参矩阵和外参矩阵；步骤S600，基于所述内参矩阵和外参矩阵代入所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式；步骤S700，基于所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系精确表达式，计算两片反射镜的控制电压的误差，调整内参矩阵和外参矩阵的待优化参数，直至两片反射镜的控制电压的误差小于预设的阈值，获得最终三维空间点与振镜控制电压的映射关系，完成振镜相机的主动标定。2.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述三维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：维空间点与振镜控制电压的映射关系初始表达式为：其中，空间点P在世界坐标系内的齐次坐标为，其中，、和分别为空间点P在世界坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；空间点P在振镜坐标系内的坐标为，其中，、和分别为空间点P在振镜坐标系内的x方向分量、y方向分量和z方向分量；为旋转平移矩阵，其中R表示旋转向量，t表示平移向量；表示tilt轴反射镜的数字控制电压，表示pan轴反射镜的数字控制电压，表示tilt轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，表示pan轴反射镜的控制电压与振镜偏转角度的线性比例因子，表示tilt轴反射镜的偏转角度，表示tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离。3.根据权利要求2所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，步骤S300，具体为：
选取空间中的n个空间标定点作为空间标定点集，调整振镜偏转角度，使振镜光路对准所述空间标定点，记录使空间标定点正好落在振镜相机中心时的控制电压集合，其中控制电压U的齐次坐标形式为。4.根据权利要求2所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S400，具体为：在实际应用中，偏转角度值，且，以替代和；tilt轴反射镜与pan轴反射镜之间的距离e远小于空间点P在振镜坐标系内的坐标的深度分量，将e近似为0；获得近似振镜模型：其中，s表示从齐次形式中提取的比例因子，A表示近似振镜模型的内参矩阵，将旋转平移矩阵定义为外参矩阵；空间点P在世界坐标系内的齐次坐标通过单应矩阵H与控制电压的齐次坐标建立联系，获得三维空间点与振镜控制电压的映射关系：基于所述空间标定点集和振镜控制标定电压，通过SVD方法或最小二乘法求解所述单应矩阵H。5.根据权利要求1所述的基于振镜相机的主动视觉三维标定方法，其特征在于，所述步骤S500，包括：步骤S510，所述旋转平移矩阵由三个旋转向量和一个平移向量构成，以表示旋转平移矩阵的第i列，所述旋转平移矩阵的详细表示为：其中，、和表示旋转矩阵的三列，、和之间存在单位正交的...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾庆毅，李庆，陈梦娟，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：