精密角度基准下的多相机定位系统高精度标定

在视觉定位测量领域中的大尺寸测量、运动追踪、三维重建、视觉定位中,针对多相机定位系统中相机之间无公共视场或公共视场较小时系统标定困难、方法繁琐、精度低等问题,提出了一种基于精密二轴转台的多相机定位系统一体化标定方法。利用二轴转台提供角度基准,当转台一次转过所有相机视场时,各个相机依次拍摄标定图片,求解出各个相机内参以及各相机到转台的外参,利用转台坐标系中转计算相机之间的外参。整个标定过程由程序控制,实现了多相机系统采图标定的集成化、自动化,降低了标定工作量。分析了多相机定位系统的标定原理,并进行了实验验证。两相机内参重投影误差在0.17 pixel以内,系统定位精度在1 mm以内。结果表明,所提方法切实可行,精度较高,可操作性强,可应用于各种无公共视场或公共视场较小的多相机定位系统标定过程。     

一种多相机阵列大尺寸测量系统快速标定方法

多相机阵列中的相机位姿关系标定是大尺寸测量系统中非常重要的一个环节。建立了标定模型,采用圆点阵列平面靶标,通过线性平移,使靶标分别位于不同相机的视野范围内,获得了同一靶标特征点在不同相机坐标系下的坐标;根据所得坐标,求解靶标坐标系与相机坐标系之间的位姿关系;根据靶标的线性平移约束,进而求解两两相机之间的位姿关系。经实验验证,对于安装距离约为2300mm的相机,标定误差小于0.002mm。其标定过程简单、速度快,可以适用工业大尺寸测量中的现场标定。     

基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。     

面向大视场视觉测量的摄像机标定技术

提出了一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定新方法,该方法采用亮度自适应的单个红外发光二极管(IR-LED)作为目标靶点,将该靶点固定在三坐标测量机的测头上,并依次精确移动至预先设定的空间位置,每次靶点到达设定的空间位置时,摄像机对靶点进行图像采集。利用三坐标测量机的精确位移,在三维空间构成一个虚拟立体靶标。针对虚拟立体靶标在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题,通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄,使得多个虚拟立体靶标分布于整个标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都标定出一组摄像机的内、外参数,然后以摄像机内参数和摄像机在各个方位下拍摄的虚拟立体靶标在摄像机坐标系下的位置及姿态参数为优化变量,建立以所有三维靶点位置重投影误差平方和为最小的目标函数,采用非线性优化方法求解摄像机标定参数的最优解。该方法较好地解决了大视场视觉测量中大尺寸靶标加工困难、摄像机标定精度难以保证的问题。仿真和实际标定实验均证明此方法可以有效提高大视场摄像机的标定精度。     

大视场时间延迟积分电荷耦合器件相机静态传递函数自动测试系统

为了解决大视场时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)相机静态传递函数(TF)测试过程中视场覆盖率不高、测试精度和效率较低等问题,设计了一种全视场静态TF自动测试系统。首先,将整个相机视场以TDI CCD为单元进行划分,移动转台调整TDI CCD对应视场与平行光管的位置关系,计算机接收相机采集的靶标图像,分析靶标图像特征并绘制TF变化曲线,根据TF变化曲线确定每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点,建立位置信息库。然后,计算机根据位置信息自动控制转台,分别移动到每片TDI CCD对应视场的最佳TF测试点,从每片TDI CCD第一个像元开始,以固定步长逐渐向最后一个像元移动,一边移动一边测试TF。最后,绘制大视场TDI CCD相机整个视场的静态TF曲线。实验结果表明:静态TF测试系统覆盖了相机整个视场,测试的静态TF平均值为0.2965,和以前测试方法比较,整个视场的静态TF平均值提高了0.02,同时提高了静态TF测试的精度和效率。     

近景大视场角分区域标定方法研究

针对飞行试验测量视场大相机标定精度低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先通过将标靶均匀布置在摄像机视场内,使得标靶尽可能均匀错落地充满整个视场范围,再结合人眼判读的方式求解靶标的像面位置,最终与全站仪三维坐标形成精确的空间标定点集。接着,将像平面按横向方向等间距分割成Ｎ个区域,并结合后方交会的方法分别对每个子区域进行相机参数的计算。实验结果表明：经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了4％(Ｎ＝3)。算法可实现指定区域的相机参数计算,基本满足中高等精度的工业测量要求。所本文研究可应用于位置相对固定不变的工业视觉测量,特别是大工件测量领域。     

基于虚拟双球面的仿生复眼系统标定

为了实现对空间目标的探测定位,对设计的仿生复眼系统的标定进行研究。介绍了复眼装置结构,根据复眼成像特点设计搭建了可以构建全视场靶标的标定平台,提出一种基于双球面虚拟靶标的标定方法。建立了复眼标定和定位过程中可以统一众多子眼坐标系的数学模型,详细描述了多通道同时标定或定位的具体步骤,其中包括系统的合理调节、靶点分布均匀性优化以及非线性映射方法选取等过程,同时通过计算机控制可以实现标定过程的自动化运行。在两个球面位置上建立了各子眼通道图像光斑点坐标和靶点角度之间的非线性映射关系。针对提出的标定方法进行了验证实验。实验结果显示,标定后的复眼系统在60°视场内目标定位相对误差优于0.5%,定位角度均方根误差为1.96mrad。提出的方法能够满足设计复眼的标定要求,且标定后的复眼能够很好地完成对空间目标的测量。     

一种微小型导引头视场下偏角的标定方法

描述了一种应用于微小型光学导引头视场下偏角标定的方法，通过获得导引头绕自身回转轴线转动时拍摄的固定靶标图像计算不同旋转角度时导引头中心视线落点和摄像机坐标系原点在世界坐标系下的坐标，以拟合获得的这2组点的分布建立空间几何关系进而得出下偏角。给出了3组实验数据，分别检验该方法的标定误差、实际所需的采样点数并给出了实际工作中的应用效果。实验表明该方法可以快速标定导引头系统的下偏角，其标定绝对误差小于0.10°。     

基于单目视觉的姿态自动测量方法

提出一种将EPnP算法和SoftPOSIT算法融合的单目视觉姿态自动测量方法.首先,利用EPnP算法计算得到立体靶标的位姿参数,并将该位姿参数作为SoftPOSIT算法的迭代初始值带入.其次,将SoftPOSIT算法计算位姿的的迭代过程与立体靶标结合,实现姿态的自动测量,并仿真验证了拓扑确定位姿的有效性.最后,为了验证姿态测量结果的精度,以高精度二维转台为基准,将立体靶标安装在二维转台中,通过控制转台转动角度得到靶标姿态的测量数据.实验结果表明,当转台转动角度在[-20°,20°]时,靶标姿态角α的测量结果标准差为0.20°,姿态角β的测量结果标准差为0.27°.     

基于双重虚拟圆靶标的激光扫描测头标定

提出了一种基于双重虚拟圆来标定光平面的新方法。该方法利用棋盘的角点在图像坐标系下构建双重虚拟圆,虚拟圆与激光光条直线建立了相对的位置关系,根据交比不变原理计算出光条上的特征点在摄像机坐标系下的坐标。在摄像机视场范围内多次变换棋盘位置,构造出的虚拟圆也相应变换,由此计算得到更多的特征点,利用最小二乘法拟合光平面方程。实验表明,该方法求得的精度要明显优于实际的圆形靶标标定的精度,光平面标定的均方根误差为0.04mm,且棋盘靶标更易于制作,标定计算简单可靠,适合现场标定。     

Self-calibration of multi-camera networks without feature correspondence between different cameras

An automatic calibration approach for multi-camera networks is proposed to calibrate the intrinsic parameters of each camera and the extrinsic parameters between different cameras. Firstly, the moving objects are tracking, and the feature points are detected and calculated by a matching method from image sequences. And then we estimate the intrinsic parameters of each camera respectively by a self-calibration method from the motion of feature points, while estimating the rotation and translation of each camera with respect to the object. Thirdly, we estimate the extrinsic parameters between different cameras from the rotation and the motion of each camera with respect to the object. Our method only needs to track the motion of objects in each camera without the correspondence between different cameras. It avoids the difficulty of the correspondence between different cameras in real networks. Experiments with simulated data and real images are carried out to verify the theoretical correctness and numerical robustness.     

Rotation axis calibration of a turntable using constrained global optimization

For determining the rotation axis as the baseline to transform between camera and turntable coordinate frames, rotation axis calibration of a turntable using constrained global optimization is proposed. At the beginning, camera parameters are calibrated using multiple views of only one pattern positioned differently and 3D corner points are retrieved with the pattern placed onto the rotation turntable in a 360° view. Then the rotation axis direction vector is decided under the constraint of the distance between each closed circle trajectory plane and each circle with its center is determined by fitting the circle with global least squares method, respectively. Experimental results demonstrate that the proposed method is effective for estimating the parameters of rotation axis.     

Effect of field of view on the accuracy of camera calibration

A long focal length lens can improve the spatial resolution and capture more detailed information, so it has been considered for three-dimensional (3D) vision reconstruction. However, the field of view (FOV) will narrow with a long focal length lens. It is a general concept that it is extremely difficult to achieve high-accuracy calibration of a narrow FOV camera because of paraxial imaging. In this paper an in-depth study on this issue is conducted from the aspect of perspective deformation. First, the perspective deformation of a point is divided into three parts. Then, the noise immunity of each part under different FOVs is discussed to reveal the root cause of the difficulty in the calibration of narrow FOV cameras. It is found that the calibration accuracy could be generally maintained at the same level if the image noise is inversely proportional to the focal length. Simulations verify the correctness of the inferences of this study that are hoped to be helpful in overcoming this disadvantage of narrow FOV cameras.     

基于十字靶标的双目立体测量系统标定

提出了一种基于十字靶标的双目立体测量系统标定方法。采用多视图几何约束和光束平差优化精确获得两相机内参数,同时得到在两相机各自坐标系下重建出的靶点三维坐标点集;由两组三维点集之间的刚体变换直接求得系统外参数。该方法只需双相机同时对十字靶标拍摄一次,再由两相机单独拍摄若干幅靶标图像即可,现场操作简单灵活。在标定结果的基础上,对长度为611.800mm的标尺进行多次测量,平均值为611.776mm,标准差为0.030mm。     

Calibration of a multiple axes 3-D laser scanning system consisting of robot, portable laser scanner and turntable

A multiple axes 3-D laser scanning system consisting of a portable 3-D laser scanner, a industrial robot and a turntable is demonstrated. By using a criterion sphere, a robot tool center point (TCP) calibration approach is proposed to calibrate the relation between the laser 3-D scanner and the robot end-effector. In this approach, two different translational motions of robot are first made to determine the rotation part, and then at least three different rotational motions are made to determine the translation part. Meanwhile, by using the criterion sphere, a turntable approach is proposed to calibrate the pose of the turntable relative to the robot. In this approach, several rotational angles of turntable and two different heights of the sphere are made to determine the rotational axis of turntable. Experiment is performed on a portable laser scanner mounted on an industrial robot ABB IRB4400 with a turntable. The experiment results show that the two proposed calibration algorithms are stable and flexible. The application of 3-D measurement is also given to demonstrate the effectiveness and stability of the multiple axes 3-D laser scanning system.     

多视角图像标定与图像合成

近年来随着视觉成像技术的快速发展，成像系统也在不断改进。单一摄像机成像已经不能满足人们对大视场高动态的需求，所以具有大视场优势的多摄像机系统引起广泛的关注。依据复眼成像原理，使用多摄像机系统研究其成像特性。考虑到成像过程中的损耗和镜头的特性，对所用摄像机进行辐照度定标，并进行光晕校正，同时求解出了摄像机辐射响应和暗电流的函数，随后对多摄像头系统进行大视场图像拼接和高动态范围成像。实验表明，辐射定标对于上述成像具有良好效果。     

逆向成像法畸变测试技术研究

在相对畸变的定义下,提出了逆向成像畸变测试方法。通过把目标靶尺放到被测系统的焦面位置,再将被测光学系统的入瞳位置放到精密转台的转轴位置,将被测光学系统从正向最大视场处向负向最大视场处旋转,测量14个视场点后,可得到各个视场的畸变值。该方法严格要求把被测光学系统的入瞳位置放置在精密转台的旋转轴上,否则无法测量出整个视场的畸变值。焦距测量精度达2 m,畸变测量精度达5.010-4。     

基于光学参考棒的立体视觉测量系统现场标定技术

为实现大空间复杂工件的准确测量,精确标定立体视觉系统变得越来越重要。为了克服传统立体摄像机标定过程繁复、户外实现困难的弱点,提出了一种基于光学参考棒的灵活、有效的立体视觉测量系统标定技术。参考棒水平和深度方向各有三个距离已知的红外LED作为特征点。通过在测量范围内的不同位置和方位移动光学参考棒,两像机同时捕获参考棒上特征点的图像。基于匹配的特征像点以及对极线约束,利用线性算法和Levenberg-Marquardt(LM)迭代算法快速地标定立体视觉测量系统。两像机之间平移量的比例因子由参考棒上特征点间的已知距离确定。参量标定过程中,自动地控制光强,优化曝光时间,使不同位置处光点图像的强度均一致,可以获得高的信噪比,提高标定精度。实验结果表明,该方法灵活、有效,在线标定能达到很高的精度,将现场标定过程应用到实际的大空间三维测量系统中,测量最大误差为0.18 mm。     

Measurement of spatial object''''s exterior attitude based on linear CCD

It is difficult to realize real-time measurement of exterior attitude by the traditional systems based on the area image sensor which have conflict between speed and accuracy.The subsystem for three-dimensional (3D) coordinate rcconstruction of point target (S3DCRPT) which is composed of three one-dimensional (1D) cameras based on linear charge-coupled device (CCD) can determine the distant light spots' spatial position. The attitude angle of the measured object is determined by the spatial solution while the coordinate reconstruction is separately carried on by the S3DCRPT with some point cooperation targets (PCTs) on the measured object. A new optical system is designed to solve the interference problem with one-to-one relationship between the PCTs and the S3DCRPT optical subsystems,which improves the measurement accuracy and saves space. The mathematical model of the attitude measurement is established,and partial and global calibrations are realized for the multi-camera attitude measurement system.The test results show the feasibility of the exterior attitude measurement based on linear CCD.