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。     

自由度冗余蛇形臂机器人手眼标定研究

针对自由度冗余蛇形臂机器人的手眼标定问题,提出一种不依赖蛇形臂机构运动参数求解视觉系统与末端法兰盘手眼关系的方法;借助外部辅助双目相机系统,通过构造外部相机、末端法兰盘、视觉导航相机三者坐标系的闭环转换得到待求手眼关系;首先根据立体视觉原理得到标志点在对应相机坐标系下的3D坐标;然后利用四元数法分别求得外部相机坐标系与法兰盘坐标系、外部相机坐标系与视觉导航相机坐标系间的转换关系;最后构建坐标系转换关系闭环求得手眼关系;实验结果表明,该标定法避免了蛇形臂自由度冗余导致运动控制精度差带来的干扰,标定精度满足设计要求。     

一种机器人视觉系统非接触式手眼标定方法

针对传统机器人视觉系统手眼标定方法存在人工定位特征点误差大和标定过程耗时长的问题,提出了一种机器人视觉系统非接触式手眼标定方法。采用圆锥体作为标定块,通过3D视觉传感器采集标定块图像,基于Halcon编写上位机程序对图像进行处理计算,自动获取3D视觉传感器坐标系下标定块特征点坐标,同时导入机器人基坐标系下的坐标,计算手眼关系变换矩阵,完成机器人视觉系统手眼关系标定。实验表明:此方法平均标定操作时间为6.47min,平面定位误差最大值为0.39mm,空间定位误差最大值为0.478mm,缩短了标定操作时间并提高了标定精度。     

融合深度学习与外极线约束的三维人体位姿测量方法

为了实现汽车座椅上三维人体姿态的高精度实时测量,基于现有二维人体关节点和三维人体关节点测量方法,提出了一种融合深度学习与外极线约束的三维人体姿态测量方法。该方法将二维人体关节点深度网络提取方法和双目测量系统相结合,采用双通道多阶段迭代网络分别提取左右相机图像中人体二维关节点,结合关节点位置的Brief特征和外极线约束,利用双目相机标定结果将匹配二维关节点信息转换到三维空间中,最终得到三维人体姿态。实验结果表明,文中提出方法在自采测试集中的检测精度可达到98%。通过得到三维关节点计算所得关键位姿角度的偏差小于10°。该文所提出的方法能够满足实际汽车座椅设计的数据采集要求。     

大视场多CCD拼接相机标定方法研究

介绍了一种多CCD拼接弹道相机的标定方法和步骤,以及标定系统的原理及组成。对相机的光学畸变和大视场拼接物像几何投影关系进行了分析,建立了相机数学模型,并采用最小二乘多元回归分析方法,通过测量相机的内方位元素计算畸变系数,确定了最佳条件下相机数学模型中的各个参数。实验表明利用该方法标定出相机精度方位角测角误差小于10″,高低角测角误差小于15″。     

单摄像机单投影仪结构光三维测量系统标定方法

系统参数的标定是结构光三维测量系统工作的基础,且参数标定的精度直接影响测量的精度,其中投影仪目前还存在标定过程复杂、精度较低等问题。为解决该问题,通过投影一组圆阵图案到一块本身带有特征圆的平板上,并由摄像机拍摄;基于二维射影变换理论,通过误差补偿法建立投影仪图像坐标和摄像机图像坐标的对应关系,利用该对应关系计算获取标定点的投影仪图像坐标;以标定点的两组图像坐标和世界坐标为初始值,使用非线性算法对系统进行全参数整体优化,完成系统的标定。实验验证了系统标定误差最大值小于0.05 mm,误差均方根小于0.03 mm,结果表明该方法标定过程简单,能够有效地提高标定精度,具有较广的适用性。     

立体视觉测量系统标定误差补偿

双目视觉测量系统利用三角测量法原理进行三维测量,其结构特性决定了测量误差随测量距离的增加而增大。针对测量误差的分布规律,该文提出基于局部视场的双目视觉测量系统优化方法。利用外在结构建立测量坐标系,减小标定和测量过程信息非一致性引入的系统误差;利用相机参数之间的耦合作用补偿系统固有参数标定误差并建立查找表,建立关于标定参数的虚拟映射。模拟实验最大误差小于0.03 mm,系统实验误差小于0.3%,实验表明优化后系统主要测量误差来源于探测器离散化引入的随机误差,双目视觉测量系统达到理论测量精度。     

基于单目视觉的中医诊疗机械手三维坐标定位和变换方法

为了在按摩、针灸等中医相关诊疗过程中,高效率定位中医按诊所需腧穴.结合单目视觉标定与定位原理,提出了一种基于三维坐标系之间转换矩阵求取的中医诊疗机械手坐标定位和转换方法.通过进行相机标定得到相机内参数并建立相机三维世界坐标系,再基于可粘贴于机械手任意固定位置的自定义标签图像建立相机三维世界坐标系与机械手坐标系的转换关系...     

光学透射式AR-HUD系统的标定方法研究

针对增强现实系统中的标定问题,提出了一种光学透射式平视显示系统标定方法.分析系统中各组成部分之间的关系,定义不同的坐标系.由于在标定时相机与光学显示系统会带来一定程度上的虚拟图像畸变,因此在建立模型时,将相机与光学显示部分的畸变考虑进去,并进行校正.利用非线性回归估计方法对模型求解,计算系统标定参数.这种结合光学显示图像畸变与相机成像畸变校正的标定方式,提高了光学透射式平视显示系统的标定精度.实验结果表明,本文标定算法的平均相对误差小于0.42%,基本满足系统对标定精度的要求.     

结构光三维测量系统标定的关键算法研究

系统参数标定是结构光三维测量系统的关键问题之一,标定板特征圆圆心检测精度与投影仪、相机镜头gamma效应引起的相位误差是系统参数标定的主要误差来源。采用Sobel算子粗定位标定板特征圆的边缘点,以正交傅里叶-马林矩(OFMM)算子对边缘点进行亚像素定位,用椭圆拟合法确定特征圆圆心的方法提高标定板特征圆检测精度。同时,推导结构光三维测量系统gamma非线性数学模型,将计算得到的系统gamma值的倒数作为投影正弦光栅的指数以降低gamma效应引起的相位误差。实验结果证明了该方法的准确性,与不采用亚像素边缘检测与gamma校正相比,X、Y方向的标定精度分别提高约3.5倍与5倍。     

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.     

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%.     

一种新的三维测量机器人手眼标定方法

为了提高三维测量机器人的手眼标定精度以更好地满足工业需求,提出了一种采用动态改变变异率的自适应差异进化算法进行手眼标定的新方法。首先构建了由线结构光测头和机器人组成的视觉测量系统,利用齐次坐标变换的方法建立了测量系统的数学模型;然后针对数学模型中的手眼关系,使用半径已知的球体,采用定点变位姿的方法,进行粗略的估计,并对手眼关系求解的精度进行分析;最后采用动态改变变异率的自适应差异进化算法对手眼关系做进一步寻优。实验结果表明,算法具有较高的求解精度。该方法用于手眼标定是可行的、有效的,整个标定过程简单,便于实际应用。     

基于三线结构光的相机平面标定方法研究

相机标定技术是结构光三维视觉测量的关键技术之一,结构光系统的相机标定的精度对三维测量的精度有很大影响。首先对三线结构光系统图的相机标定方法进行了分析,简单介绍了工业相机成像的几何模型及标定的原理;其次利用Harris角点检测方法提取特征点坐标,并选用了BP神经网络来校正工业相机的畸变模型,以提高标定算法的优化速度和标定精度;最后采用张正友的平面标定法对校正后的摄像机模型进行标定实验,由实验结果知,该方法具有一定的准确性和有效性,在一定误差范围内,基于神经网络畸变校正的张正友相机标定能够有效提高视觉检测的精度。     

基于激光点云多条件约束的相机检校方法

为了克服相机检校对二维/三维检校场的依赖,提出一种基于激光点云多条件约束的相机检校方法。该方法通过对相机获取的多视影像进行光束法平差获得初始相机参数;利用影像点云与其最邻近的激光点云之间的位置关系,以共线方程为基础模型,建立多条件约束的相机检校数学模型;使用不等式约束的最小二乘方法平差迭代解算相机参数。将本文方法与基于三维控制场的检校精度进行了实验对比分析,结果表明本文方法与基于三维控制场的检校精度相当,两者反投影平均误差相差小于0.1 pixel,验证了本文方法在没有传统检校场的情况下进行相机检校的可行性。     

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%。     

一种单目视觉位姿测量系统的误差分析方法

针对单目视觉位姿测量传统误差分析方法中只考虑单一误差因素，分析结果与工程实际有较大差异的问题，提出一种考虑多误差因素共同作用的误差分析方法。根据单目视觉系统的测量范围和相机参数建立其位姿测量模型；综合考虑相机内参、镜头畸变、图像点、靶标三维点等误差因素，将其同时引入位姿测量模型进行分析；分析抑制不同参数误差及提高相机分辨率等在多误差因素共同作用下对位姿测量结果的影响，找到最有效的精度优化方法。采用小型机械臂手眼定位中的单目视觉位姿测量系统进行实验，结果表明通过抑制相机径向畸变误差和提高相机分辨率，能够有效地提升该系统的位姿测量精度，位姿精度分别提升6.57%、4.21%和5.88%、5.54%。