单摄像机立体视觉测量系统的高精度变焦标定技术

针对现有用于光学测量的双目变焦系统标定方法难度大、测量精度受限于两摄像机内参一致性等问题。提出一种基于单摄像机的平行双目立体视觉系统实现及其高精度变焦标定方法。方法基于三角测量原理采集图像,利用高精度位移台驱动单摄像机进行平移以保证基线精度;求解离散焦距下的预标定结果并利用BP神经网络模型对其进行拟合,以实现任意焦距下系统内外参数动态估计。实验结果表明,系统预标定的重投影误差小于0.1664 pixel,变焦后图像畸变校正平均误差为0.0982 pixel,立体视觉测量尺寸绝对误差小于0.05mm。方法能弥补传统变焦标定方法的不足,消除双目内参不一致引入的误差,提高视觉系统的测量精度。     

“网格式平行线法”在螺纹参数测量中的应用

在计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测(vision inspection)技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业产品的在线检测。在计算机视觉检测技术中CCD摄像机是一个最关键的器件，其参数是否准确决定了检测的精度。所以，摄像机标定是视觉检测技术中最基本的也是最重要的一步。在比较其他标定方法的基础上，为了解决传统标定方法对螺纹图像测量系统所带来的一系列问题，采用了一种新的图像测量系统的标定方法——网格式平行线标定方法，该方法运用了CCD亚像素细分技术及调焦技术，可直接得到纵横2个方向的像素，经过理论分析及实验结果均表明，采用该方法具有标定简单、精度高、重复性好等优点，是一种较好的螺纹图像测量系统标定方法。     

投影校正系统的参数标定技术研究

针对投影仪-摄像机系统参数标定过程中角点识别精度低、抗噪性差的问题,提出一种新型的投影彩色模式特征图像和角点亚像素检测算法以提高角点检测识别精度。鉴于投影仪-摄像机在光子信号传输过程中会因系统通道耦合性导致光子信号损耗,特进行建模分析,并提出一种系统耦合性校正方案,以降低系统耦合性串扰的影响。在系统标定参数解算过程中,投影特征点会因外界因素的干扰而与摄像机反馈的特征信息匹配错误率高,从而导致投影仪的标定参数误差值较大,考虑到投影仪-摄像机具有对极几何约束关系,提出一种成像反馈式的射影几何约束优化方法,用于对系统参数优化标定。通过实验分析可知,本文方法识别精度能够到达0.25pixel,同时具有较高的面平行度和线垂直度。投影画面的几何畸变校正实验显示,畸变校正效果基本符合人眼视觉感知一致性。     

基于一般成像模型的微小物体测量系统标定方法

通过利用光栅投影三维测量技术进行微小物体的三维重构,提出了基于一般成像模型的标定方法,利用标定板围绕固定轴转动的不同姿态进行标定并进行优化。所提出的标定算法既解决了一般成像模型变量多的问题,又不需要借助精密位移装置,简化了整个标定过程。与此同时,利用自卷积盲去模糊的方法解决远心镜头景深小带来的离焦,提高了摄像机的标定精度。标定和三维重构实验验证了该方法的可行性和准确性。在23.7 mm×17.78mm相机视场范围下系统测量精度达到了6μm。     

点阵列标定模板图像特征点提取方法

在摄像机标定过程中,提取标定模板图像特征点的精度是影响摄像机内外参数标定精度的重要因素。本文根据条纹投影三维轮廓测量实验系统的要求制作了点阵列标定模板,在图像处理边缘理论的基础上,以圆的解析特性为依据,采用坐标转换思想,引进圆系描述点、圆对应关系,运用统计学理论,提出提取点阵列标定模板图像特征点的新方法,并通过实验验证了该方法的正确性和可行性。为下一步的摄像机内外参数求解做了铺垫。     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为0.6%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为06%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。     

基于无约束系统的结构光三维测量方法

针对传统结构光系统进行三维测量时,要求满足双瞳平行于参考平面和摄像机光轴垂、直于参考平面这两个强约束条件,建立了新的系统结构,去除了平行和垂直的约束,摄像机和投影仪位置可自由摆放.基于该无约束系统结构,提出了一种新的系统标定方法,通过重建"投影仪摄像机参考平面"三者的空间关系,可以简便而精确地获取传统"高度相位"公式中参量:双瞳的距离和摄像机到参考平面距离;同时,推导了无约束系统结构下新的物相关系方程和高度计算公式.实物测量结果证明,基于无约束系统的结构光三维测量方法可操作性强,测量精度可达0.1 mm.     

基于ICP算法的双目标定改进方法研究

双目视觉作为一种非接触三维(3D)测量技术,其位姿标定结果的好坏将直接影响3D物体测量的精度。基于迭代最近点(ICP)算法获得两组点集之间平移和旋转参数的原理,提出了一种在传统双目位姿标定结果的基础上补偿双目标定矩阵改善精度的方法。介绍了摄像机模型、双目视觉测量模型和ICP算法的基本思想。用双目摄像机标定的外参数和相同的靶标坐标系获得双目视觉位姿矩阵,在此提出基于ICP算法获得两组点集的旋转平移矩阵补偿双目位姿矩阵的方法,以及相应的靶标角点坐标投影误差分析模型。双目摄像机采集9组5×7个角点的靶标标定图像,应用ICP算法补偿双目位姿矩阵,并采用误差模型对9组标定结果进行了分析,双目结构光标定改进实验结果表明,应用ICP算法补偿双目标定模型能显著地提高双目标定的精度。     

融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法

为解决现有激光扫描投影系统中需要手动标定的问题,提出了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法。首先建立了融合单目视觉技术的激光扫描投影系统模型,给出了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法;其次建立了单目相机与激光扫描投影系统、被投影物体之间的数学模型;最后运用Matlab软件进行模拟仿真,证明融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法可以解决上述问题。同时为验证融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法的精度是否满足激光扫描投影系统的需求,将Matlab软件求解的实验结果与SA软件求解的实验结果进行对比,并分析精度与距离、角度等外部因素的关系。仿真实验结果表明:当距离一定时,单目相机旋转角度为55°时,单目相机距离投影仪和被投影物体的范围为1.5~3 m,且满足投影仪的精度要求。同时通过自主搭建新型激光扫描投影系统,证明了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法具有实际可操作性和可行性。     

A flexible new three-dimensional measurement technique by projected fringe pattern

Aimed at the problems of inferior precision and bad maneuverability for three-dimensional (3D) measurement by projected fringe pattern, a flexible new 3D technique for performing system calibration and measuring was proposed. First, we analyzed the principle of conventional 3D measurement with projected fringe pattern, and pointed out the shortcoming of measurement system. Then, the CCD camera calibration technique is analyzed and we set up the perspective projection model which transforms the computer image coordinate to 3D world coordinate, and we get the coordinate of the CCD camera image lens. Third, the position of projection lens optical center can be obtained using the above model. At last, some experiment results presented show that this technique is more simple and robust in engineering than conventional measurement method.     

补强片自动贴片系统高精度手眼标定方法

针对补强片自动贴片系统的手眼标定问题,为了消除相机安装的垂直度偏差带来的误差,提出了一种新的手眼标定方法。使用标定板得到相机的外参数,将外参数与常规的二维标定模型相结合,从而间接计算出相机坐标系与机器人基础坐标系的齐次坐标转换矩阵,使手眼标定模型扩展为三维。三维模型的标定计算误差小于0.1 m,相比二维模型降低了1个数量级,有效提高了标定计算精度。利用厚度较小的菲林修正齐次坐标变换矩阵的Z方向分量,系统具有较高的定位精度,手眼标定的误差绝对值小于0.015 mm,有效减小了误差均值,设备性能得到大幅提高。该方法在系统可控自由度有限的情况下,能够得到手眼标定问题的唯一解,提出的三维模型中包括了相机的完整姿态信息,相比常规的标定方法没有相机安装等额外的限制条件,能有效提高系统的手眼标定精度。     

基于交比不变性的投影仪标定

提出了一种新的投影仪标定方法以提高数字光栅投影三维测量中投影仪标定的准确性。该方法结合二次投影技术和交比不变性进行投影仪标定。采用二次投影技术解决投射图案与标定板图案互相干扰的问题;采用交比不变性以避免引入相机的标定误差。接着进行了对比实验,以验证所提方法的有效性。选取需要相机参数的传统投影仪标定方法以及根据全局单应性的投影仪标定方法作为对比方法。结果显示,本方法的反投影误差标准差分别从(0.2275,0.2264)像素和(0.1397,0.0997)像素降低到(0.0645,0.0601)像素,反投影误差的最大值分别从1.222像素和0.5617像素降低到0.2421像素。另外,该方法还可同时标定相机,从而获得整个三维测量系统的参数。本文提出的方法可以避免相机标定参数的误差传递,提高投影仪的标定精度。     

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。     

电子白板系统中参数标定方法的研究

为了避开复杂繁琐的摄像机标定过程,提出了一种基于CCD摄像机的电子白板系统参数标定新方法,实现了开机自动标定系统参数的功能。采用Harris角点检测算法成功提取了参考点的像素坐标,并直接运用射影变换交比不变性,推导出白板边框图像像素距离与实际物理距离的映射关系式,进而获得了摄像机的光心坐标。简要分析影响系统标定精度的因素,并设计出减小标定误差的方案,最后搭建实验平台标定系统参数。实验结果表明:该标定方法实现简单,应用方便,且对于单位长度为1 cm的标定块而言,标定误差小于0.04 cm。     

排种器性能检测中摄像机系统的标定方法

通过对排种器性能检测的特点分析 ,提出了由单摄像机和平面镜组成的摄像系统标定方法。建立了该系统的数学模型 ,并给出了一种基于该模型的摄像系统标定方法。该系统的特点是组成简单 ,仅用单摄像机和一个平面镜就能检测多目标的运动规律 ,提高了机器的运算速度。试验表明 :这种方法是快速而有效的 ,与现有的其它方法相比能更好地处理目标的重叠和短暂消失等情况。     

A novel optimization method of camera parameters used for vision measurement

Camera calibration plays an important role in the field of machine vision applications. During the process of camera calibration, nonlinear optimization technique is crucial to obtain the best performance of camera parameters. Currently, the existing optimization method aims at minimizing the distance error between the detected image point and the calculated back-projected image point, based on 2D image pixels coordinate. However, the vision measurement process is conducted in 3D space while the optimization method generally adopted is carried out in 2D image plane. Moreover, the error criterion with respect to optimization and measurement is different. In other words, the equal pixel distance error in 2D image plane leads to diverse 3D metric distance error at different position before the camera. All the reasons mentioned above will cause accuracy decrease for 3D vision measurement. To solve the problem, a novel optimization method of camera parameters used for vision measurement is proposed. The presented method is devoted to minimizing the metric distance error between the calculated point and the real point in 3D measurement coordinate system. Comparatively, the initial camera parameters acquired through linear calibration are optimized through two different methods: one is the conventional method and the other is the novel method presented by this paper. Also, the calibration accuracy and measurement accuracy of the parameters obtained by the two methods are thoroughly analyzed and the choice of a suitable accuracy evaluation method is discussed. Simulative and real experiments to estimate the performance of the proposed method on test data are reported, and the results show that the proposed 3D optimization method is quite efficient to improve measurement accuracy compared with traditional method. It can meet the practical requirement of high precision in 3D vision metrology engineering.     

Robust geometric,phase and colour structured light projection system calibration

This paper introduces a new comprehensive procedure for both geometric and colour calibration of structured light system. In order to perform both geometric and colour calibration procedure, a new calibration artifact is proposed. The intrinsic and extrinsic parameters of projector and camera are estimated by using an extended pinhole camera model with a tangential and radial distortion. Camera image plane coordinates are obtained by extracting features from images of a calibration artifact. Projector image plane coordinates are calculated on the basis of continuous phase maps obtained from a fringe pattern phase reconstruction procedure. In order to stereo calibrate camera-projector system, pairs of corresponding image plane points are calculated with subpixel accuracy. In addition, one of three pattern views is used in colour calibration. RGB values of a colour field pattern detected by camera and their reference values are compared. This comparison leads to derivation of a colour transformation matrix. The performance of the proposed method is tested by measuring plane, sphere and distance reference. Also 360 degrees complex object 3D model from a set of measurements is obtained. Residual mean errors for all tests performed are calculated.     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.