大视场视觉测量系统标定方法研究

摘要

视觉测量技术因具有非接触、效率高、全域信息获取等优点，已被广泛应用于几何量的测量，而高精度高效标定是视觉测量系统准确快速测量的基础。然而现有的视觉测量系统标定方法面向大视场标定时标定效率低，适用性不强;同时在现场环境下大视场标定误差大，环境适应性差;此外，现有方法在进行大视场测量系统在线校准时存在校准精度低，校准效率低，校准方法鲁棒性不高等问题。随着我国视觉测量技术的快速发展，对大视场视觉测量系统标定方法的要求愈发严苛。因此，如何在大视场下实现视觉测量系统高效高精度标定是当前视觉测量领域亟待解决的问题，发展具有良好环境适用性的大视场视觉测量系统标定方法具有十分重要的意义。
　　本文以“保证标定效率，确保标定精度，提高标定鲁棒性”为目标，针对目前依然影响大视场标定方法进一步发展的关键性技术难题，提出了大视场视觉测量系统标定方法，涵盖适用性范围广的大视场视觉测量系统参数快速标定方法，适用于现场环境的大视场视觉测量系统参数高精度标定方法，以及高精度高效的大视场测量系统参数现场在线校准方法等，具体研究内容如下:
　　(1)针对现有标定方法在大视场下标定效率低、适用性不强的问题，提出了基于场景信息约束的大视场测量系统快速标定方法。依据现场环境中平行线等场景特征信息，揭示了垂直平行线等场景信息与测量系统参数间的关联关系，建立了正交消隐信息与测量系统参数间的线性约束，实现了测量系统参数快速标定;构建了测量系统畸变修正指标函数，形成了基于共线约束的相机畸变标定方法，消除了标定图像失真对标定精度的影响。实验结果表明:本文提出的基于场景信息约束的大视场测量系统快速标定方法仅利用一张图像即可标定出测量系统参数。与广泛使用的张氏标定法相比，标定耗时减少了80％，标定效率提升明显，且无需依赖高精度标定物，标定精度满足一般测量系统标定需求，具有较强的系统适用性，在保证一定标定精度的基础上，提升了标定效率。
　　(2)针对现场环境因素对大视场标定精度影响较大的问题，提出了基于正交运动补偿的大视场视觉测量系统参数高精度标定方法。揭示了特征点运动正交度误差对标定精度的影响规律，发现在1°的正交误差范围内，标定误差最大增加0.3％;在此研究的基础上，建立了特征点运动正交度与相机内参数间的关联模型，分别提出了基于正交度补偿与基于任意角度平移的相机内参数标定方法，最终形成了虑及环境干扰的测量系统内参数高精度标定方法;建立了质心变换模型，构造了测量系统参数偏差函数，提出了基于质心变换的测量系统全局参数标定方法，消除了内参数标定误差对最终标定精度的影响，提高了现场环境下测量系统标定精度与鲁棒性。该方法在5m×8m测量视场下，系统标定误差仅为0.09％。相较于传统无正交度补偿的标定方法，标定误差降低了61％，且环境适应性强。
　　(3)针对强振动等现场随机干扰致使测量系统标定参数精度下降的问题，提出了多约束信息融合的大视场测量系统现场校准方法。分析了现场环境因素对测量系统校准物精度的影响，构造了互参考信息指标，建立了系统参数校准偏差指标函数，提出了基于互参考信息的测量系统参数快速校准方法，提高了校准效率，消除了校准物精度下降对校准结果精度的影响;同时针对大视场下校准物尺寸与校准视场范围难以匹配导致校准精度下降明显，景深方向误差较大的问题，建立了全域三维信息深度融合函数，提出了基于全域三维信息的测量系统参数全视场在线高精度校准方法。实验结果表明:本文提出的校准方法校准误差仅为0.09％，仅需五张校准物图像。相比于传统的张氏校准方法，该方法校准误差降低了22％以上，校准所需图像减少了66％，校准效率提高了50％以上，打破了视场范围与标定物尺寸之间的界限，解决了现场干扰致使标定物精度下降的问题。
　　最后，利用所提出的大视场视觉测量系统标定方法，在不同测量环境下进行了标定与校准实验，对本文提出的大视场视觉测量系统标定方法环境适用性进行了验证。实验结果表明，本文提出的大视场视觉测量系统标定方法具有良好的环境适用性，能够实现不同环境下测量系统参数高精度高效的标定与校准。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 课题来源、研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于空间标定物的测量系统标定方法

1．2．2 基于自身约束的测量系统自标定方法

1．2．3 研究现状评述

1．3 本课题的研究目的与技术难点

1．4 论文的主要研究内容

2 基于场景信息约束的大视场测量系统快速标定方法

2．1 相机模型

2．1．1 线性相机模型

2．1．2 非线性相机模型

2．2 测量系统相机内参数快速标定方法

2．2．1 基于正交消隐特征的线性模型高效标定方法

2．2．2 基于共线约束的相机畸变系数快速标定方法

2．3 基于场景约束的测量系统外参数快速标定方法

2．4 测量系统参数快速标定实验

2．4．1 大视场测量系统相机内参数快速标定实验

2．4．2 大视场测量系统相机畸变快速标定实验

2．4．3 大视场测量系统外参数快速标定实验

2．5 本章小结

3 基于正交运动补偿的大视场测量系统高精度标定方法

3．1 测量系统相机内参数高精度标定方法

3．1．1 空间标定特征点运动正交度误差对标定精度的影响研究

3．1．2 基于正交度补偿的相机内参数标定方法研究

3．1．3 基于任意角运动的相机内参数标定方法研究

3．2 基于质心变换的测量系统全局参数标定方法

3．2．1 基于质心变换的测量系统外参数标定方法

3．2．2 测量系统全局参数高精度标定方法

3．3 大视场测量系统参数高精度标定实验

3．3．1 大视场测量系统相机内参数高精度标定实验

3．3．2 大视场测量系统全局参数高精度标定实验

3．4 本章小结

4 多约束信息融合的大视场测量系统在线校准方法

4．1 基于互参考信息的测量系统参数快速校准方法

4．2 基于全域三维信息的测量系统参数全视场高精度校准方法

4．3 测量系统参数整体校准实验

4．4 本章小结

5 大视场视觉测量系统标定与校准现场实验

5．1 大视场视觉测量系统

5．2 常规环境下测量系统现场标定、校准及测量结果

5．3 复杂环境下测量系统现场标定、校准及测量结果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介