基于神经网络的结构光系统标定

提出一种基于神经网络的系统标定方法.通过射影变换及误差补偿方法,建立摄像机图像平面与投影仪图像平面的映射关系,利用该映射关系和标定点的摄像机图像坐标,计算得到相应的投影仪图像坐标;建立三层结构的神经网络,该网络以两个图像坐标为输入,对应的世界坐标为输出,训练样本由得到的标定点的两个图像坐标及其世界坐标组成,采用BP算法训练该网络;训练过程即为神经网络逼近系统模型的过程,训练完成时,系统完成标定.实验表明,与传统的结构光标定方法对比,本文提出的方法简化了建模复杂度和标定过程,提高了标定精度,并具有普遍适应性.     

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。     

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。     

基于位姿约束的大视场双目视觉标定算法

为了提高大视场、远距离的双目摄像机标定精度,提出一种基于位姿约束的摄像机标定算法。该方法利用双目摄像机之间的三维位姿关系是刚体变换这一属性,标定出左、右摄像机相对位姿的外部参数。利用相对位姿为约束条件求取摄像机的初始内部参数,剔除较大的重投影误差值对应的标定图像组,重复迭代直至重投影误差平均值小于指定值,得到多个待优化的摄像机内部参数。再将最后标定图像组的角点坐标、待优化的摄像机内部参数和相应的外部参数,建立一个以角点三维重构坐标值与实际设定角点三维坐标值的模均值为最小的目标函数,求解出双目摄像机标定参数的最优解。该方法很好地解决了误差大的标定图像造成的影响,且充分利用了双目摄像机之间的位姿约束关系。通过仿真和标定实验可以看出,本文方法可以实现大视场双目摄像机的高精度标定。     

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。     

移动特征靶标的摄像机径向畸变标定

针对成像测量系统中镜头径向畸变影响测量精度的问题,提出了一种基于物面移动同心圆特征靶标的径向畸变标定方法。该方法先将固定在二维精密平台上的同心圆靶标置于垂直物面的特定位置,然后采集靶标图像,同时用最小二乘法以拟合得到的圆直径为条件,按一定方式移动特征靶标,直到拟合值达到极值或者在一定误差范围内。记录该幅图像,则其拟合得到的圆心坐标便是畸变中心,同时利用该幅图像,根据等差值半径和摄像机成像模型的半径的成像关系求出其畸变多项式系数。为提高特征靶标的移动效率,提出了坐标轮换最优化移动的方案。实验结果表明,该方法对畸变中心的标定精度可达0.6pixel,畸变多项式系数有效数字重复误差小于0.02,并可实现两者的一靶标定,且利用该法获得的参数能实现对畸变图像的准确校正。     

结构位移摄像测量系统的设计与实现

针对飞机等大型工程结构的位移测量需求,设计实现了结构位移摄像测量系统.该系统采用多台数字式摄像机从不同方向拍摄飞机机身、机翼表面的人工合作标志点,在试验前对各个摄像机的参数进行精确标定,试验过程中实时分析各摄像机采集到的序列图像,检测跟踪得到标志点在图像上的二维像点坐标,根据像机参数和标志点二维像点坐标交会计算得到各标志点的三维坐标,即可得到整个结构的位移与变形参数.结构位移结果可进行三维动画显示,也可随时查看各标志点的位移曲线.精度测试结果表明该系统位移测量误差标准差小于1 mm,相对误差小于1%.该系统已成功应用于飞机机翼位移测量中.     

基于同心圆合成图像匹配的双目视觉标定

分析了双目视觉传感器的数学模型,提出了一种基于同心圆合成图像匹配的双目视觉传感器的标定方法。在测量范围内任意多次摆放同心圆靶标,由两台摄像机拍摄靶标图像。根据摄像机模型与已知同心圆在靶标坐标系上的位置关系,构造合成图像,将合成图像与观测图像进行相似度匹配,通过优化定位得到靶标上每个圆的圆心点图像坐标。利用左右图像对应的圆心图像坐标和双目视觉的约束关系,对双目视觉传感器参数进行非线性优化,并得到最优解。所提出的标定方法是在张正友方法的理论基础上,利用了图像的整体性进行的优化。实验结果表明,该方法提高了标定精度。     

结构光测量技术中的投影仪标定算法

详细介绍了投影机模型,并提出一种简单、高精度的投影仪参数标定算法,该算法将投影仪当作一个逆向的相机,使用一块带有圆形标志点的平面标定板对投影仪进行标定.标定过程中,使用两组不同方向的光栅图像建立投影仪图像和相机图像的对应关系,从而得到投影仪标定所需的图像数据,将投影仪标定转化为成熟的相机标定,然后使用相机标定算法对投影仪进行高精度标定.实验结果表明,所提议的投影仪标定算法操作过程简单,标定精度可达0.312 pixel.     

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。     

An absolute phase to world coordinates method for the defocusing structured light shape measurement system

This paper proposes a flexible calibration method for the defocusing structured light three-dimensional (3D) imaging system. Neither a high accuracy translation stage nor the parameters of the projector is required. Therefore the method is more flexible in many practical applications. World coordinates for calibration are obtained based on the method of coordinates from known plane. The monotonic nonlinear relationships between the absolute phase and each world coordinate have been investigated. Different from other methods, in our method, the 3D shape is directly recovered by the absolute phase to world coordinates method. Experimental results show that, when polynomial curve fitting methods are used, the root-mean-squared (RMS) error for the flat plate reconstruction is less than 0.12 mm, and the measurement error of 3D points is less than −0.34%. Furthermore, when comparing the measurement results of our method with the method of coordinates from known plane based on camera calibration, the relative error is less than −0.05%. Therefore, camera calibration is considered as the major error source.     

光学三维扫描仪光强传递函数的测量和校正

由于数字光栅投影仪的光强传递函数对于正弦投影条纹的质量以及相位测量精度起着至关重要的作用,本文提出了一种校正光学三维扫描仪光强传递函数的新方法。首先,分析了由于投影仪非线性响应引起的光栅谐波的相位测量误差;然后,通过投影一组不同灰度级的图像,并利用光功率计测出数字投影仪投出图像的亮度。接着,通过分析得到数字投影仪的非线性响应特性曲线,再经过数据处理,即可获得投影仪的光强传递函数;最后,对光强传递函数进行反函数逆变换,得到一个校正后的非正弦光栅,利用投影仪对该光栅的投影即可在被测物体表面上获得一个正弦光栅。数字投影仪对标准平板的测量结果表明,校正前平均误差为0.71 mm,校正后为0.55 mm;对于标准量块的测量,校正前的平均误差为0.62 mm,校正后为0.15 mm。上述结果表明,本文提出的方法可以减小由于系统非线性响应引起的测量误差并提高测量精度。     

Stereo vision sensor calibration based on random spatial points given by CMM

This paper presents a new, high-precision calibration method for stereo vision sensor based on virtual template. Given 3D spatial points coordinates by coordinates measurement machine (CMM) and corresponding image points coordinates, the technique is realized by taking the projection matrix elements as unknown and using singular value decomposition to solve the least-squares solutions. The method avoids solving intrinsic and extrinsic parameters of each camera and introducing the calibration error which caused by template machining and measurement error. We measure the 3D coordinates of a group of random spatial points by the calibrated stereo vision sensor then compare the results with CMM measurement values, the errors are less than 0.05 mm in the Z axis direction, and less than 0.01 mm in the X and Y axis direction, the experiment results show that the technique is feasible and effective.     

光栅投影三维测量系统标定技术研究

相机与投影仪的标定是影响光栅投影三维测量系统精度的因素之一,且标定所得参数的精度直接影响系统的测量精度。分析标志点边缘成像时的退化模型,提出了基于高斯曲线拟合与边缘局部区域效应相结合的亚像素边缘检测方法,获取高精度边缘,提高标志点检测精度;使用基于透视变换图像矫正的标志点快速排序匹配方法,进行相机快速高精度标定。分析投影仪标定时的相位误差,提出了一种基于径向基的线性插值方式,提高标志点圆心相位获取精度。实验验证,使用上述亚像素边缘检测方式,标志点的边缘残差为0.0871,对比基于高斯曲线的拟合方式,精度提高了41%,相机标定重投影误差均值为0.0524像素;使用上述相位插值方式,投影仪标定重投影误差均值为0.1203像素,对比使用双线性插值方式,标定精度提高23.9%。     

Accurate calibration for a camera–projector measurement system based on structured light projection

The accurate calibration for a camera–projector measurement system based on structured light projection is important to the system measurement accuracy. This study proposes an improved systematic calibration method focusing on three key factors: calibration model, calibration artifact and calibration procedures. The calibration model better describes the camera and projector imaging process by considering higher to fourth order radial and tangential lens distortion. The calibration artifact provides a sufficient number of accurate 3D reference points uniformly distributed in a common world coordinate system. And the calibration procedures calibrate the camera and projector simultaneously based on the same reference points to eliminate the influences of the camera calibration error on the projector calibration. The experiments demonstrate that our calibration method can improve the measurement accuracy by 47%.     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

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...     

Calibration for stereo vision system based on phase matching and bundle adjustment algorithm

Calibration for stereo vision system plays an important role in the field of machine vision applications. The existing accurate calibration methods are usually carried out by capturing a high-accuracy calibration target with the same size as the measurement view. In in-situ 3D measurement and in large field of view measurement, the extrinsic parameters of the system usually need to be calibrated in real-time. Furthermore, the large high-accuracy calibration target in the field is a big challenge for manufacturing. Therefore, an accurate and rapid calibration method in the in-situ measurement is needed. In this paper, a novel calibration method for stereo vision system is proposed based on phase-based matching method and the bundle adjustment algorithm. As the camera is usually mechanically locked once adjusted appropriately after calibrated in lab, the intrinsic parameters are usually stable. We emphasize on the extrinsic parameters calibration in the measurement field. Firstly, the matching method based on heterodyne multi-frequency phase-shifting technique is applied to find thousands of pairs of corresponding points between images of two cameras. The large amount of pairs of corresponding points can help improve the accuracy of the calibration. Then the method of bundle adjustment in photogrammetry is used to optimize the extrinsic parameters and the 3D coordinates of the measured objects. Finally, the quantity traceability is carried out to transform the optimized extrinsic parameters from the 3D metric coordinate system into Euclid coordinate system to obtain the ultimate optimal extrinsic parameters. Experiment results show that the procedure of calibration takes less than 3 s. And, based on the stereo vision system calibrated by the proposed method, the measurement RMS (Root Mean Square) error can reach 0.025 mm when measuring the calibrated gauge with nominal length of 999.576 mm.     

三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。