基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法及系统，所述目标坐标测量方法包括：将棋盘格竖直置于视觉系统的图像采集范围内，且在相机的偏转角为0时，使棋盘格的表面与视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；基于相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到标定参数；根据标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。本发明利用棋盘格竖直置于视觉系统的图像采集范围内，基于视觉系统的第一相机及第二相机的内部参数，并根据采集的第一图像和第二图像，可通过视觉系统的标定参数，快速、准确地确定视觉系统的公共视场内任意点的三维坐标。

说明书

技术领域

本发明涉及视觉测量及图像处理技术领域，特别涉及一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法及系统。

背景技术

双目立体视觉可对其公共视场中的目标进行三维位置测量，其应用非常广泛。传统的双目立体视觉为被动视觉，只能被动地采集场景图像，两台相机之间的相对关系保持不变，不能对目标进行注视。为了更好地测量不同深度的目标，需要改变两台相机的相对朝向，形成对目标的注视。联动偏转式主动视觉系统能够对相机进行偏转，同步调整两台相机的朝向，对目标进行注视。但两台相机偏转后，其相对关系发生了变化，传统的外参数标定难以满足主动视觉系统的需求，对三维测量带来了挑战。因此，联动偏转式主动视觉系统的标定和测量具有一定的挑战性。

在偏转式主动视觉系统的测量领域，存在如下一些已有的标定和测量方法。如一种用于联动偏转式主动视觉系统的标定和测量方法，基于目标深度和基线长度对相机的初始角进行标定，通过两台相机分别注视目标点进行三维测量。标定时，采用人工测量基线长度和靶标到视觉系统的距离，利用多个特征点构成方程组，求解出两台相机的初始角。测量时，利用两次偏转运动测量特征点的三维坐标。

再如一种用于“监控-注视”主动视觉系统的标定和测量方法，基于目标深度对基线长度和注视相机的初始角进行标定，测量出目标深度z后计算x、y坐标。标定时，采用人工测量靶标到视觉系统的距离，利用多个方程组计算出基线长度和注视相机的初始角。测量时，注视相机经过偏转使得目标点图像与光心点图像重合，利用基线长度、监控相机中的目标图像坐标和注视相机的偏转角，计算出目标的z坐标，然后计算x、y坐标。

但是上述两种标定方法都需要人工测量靶标到视觉系统的距离，既不方便，又不准确。此外，第1种方法需要两次偏转运动才能测量1个点的三维坐标，效率很低；第2种方法测量精度较低。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了提高目标坐标测量的效率，本发明的目的在于提供一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下方案：

一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法，所述视觉系统包括第一相机及第二相机，所述目标坐标测量方法包括：

将棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且在相机的偏转角为0时，使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；

基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

可选地，所述使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直，具体包括：

以所述视觉系统中平行于两台相机连线的支架为基础，通过激光测距仪测量棋盘格表面不同位置到所述支架的距离，调整棋盘格使得棋盘格表面不同位置到支架的距离相等。

可选地，所述标定参数包括第一相机的第一偏转初始角、第二相机的第二偏转初始角、第一相机的第一俯仰初始角、基线长度及光心偏移量；

所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u

所述基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数，具体包括：

从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v

以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组，基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F

分别对所述第一指标函数F

从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u

以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组，确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ

根据所述纵坐标方向角γ

根据第一偏转初始角α

根据深度z

根据深度z

可选地，根据以下公式，确定所述第一指标函数F

其中，F

其中，β

其中，u

可选地，根据以下公式确定第一俯仰初始角γ

γ

其中，Z

可选地，所述根据深度z

在棋盘格不动的情况下，将相机旋转不同的角度，确定多个任一角点的深度z

求解公式

x

其中，α是相机的偏转角，i表示相机第i次旋转，

可选地，棋盘格中角点的三维坐标分为x轴坐标x

根据以下公式确定所述角点的三维坐标：

x

y

其中，α是相机的偏转角，i表示相机第i次旋转，

为解决上述技术问题，本发明还提供了如下方案：

一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统，所述视觉系统包括第一相机及第二相机，所述目标坐标测量系统包括：

图像采集单元，用于通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

参数确定单元，用于基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

坐标确定单元，用于根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

为解决上述技术问题，本发明还提供了如下方案：

一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统，包括：

处理器；以及

被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作：

通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，视觉系统包括第一相机及第二相机，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

为解决上述技术问题，本发明还提供了如下方案：

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得所述电子设备执行以下操作：

通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，视觉系统包括第一相机及第二相机，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

根据本发明的实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明利用棋盘格竖直置于视觉系统的图像采集范围内，采集第一图像和第二图像，基于视觉系统的第一相机及第二相机的内部参数，并根据第一图像和第二图像，可通过视觉系统的标定参数，快速、准确地确定视觉系统的公共视场内任意点的三维坐标，避免人工的测量，提高目标点的确定精度和确定效率。

附图说明

图1是联动偏转式主动视觉系统的参数与测量方法示意图；

图2是本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法的流程图；

图3是发明一种实施例中三维测量值的对比图；

图4是本发明一种实施例中XOY平面内的测量值的对比图；

图5是本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统的模块结构示意图。

符号说明：

第一相机C

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的目的是提供一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法，利用棋盘格竖直置于视觉系统的图像采集范围内，采集第一图像和第二图像，基于视觉系统的第一相机及第二相机的内部参数，并根据第一图像和第二图像，可通过视觉系统的标定参数，快速、准确地确定视觉系统的公共视场内任意点的三维坐标，避免人工的测量，提高目标点的确定精度和确定效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，联动偏转式主动视觉系统包含第一相机C

相机的偏转角为α，从电机控制器获取。空间点P在第一相机C

如图2所示，本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法包括：

步骤100：将棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且在相机的偏转角为0时，使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

步骤200：通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；

步骤300：基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

步骤400：根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

其中在，在步骤100中，所述使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直，具体包括：

以所述视觉系统中平行于两台相机连线的支架为基础，通过激光测距仪测量棋盘格表面不同位置到所述支架的距离，调整棋盘格使得棋盘格表面不同位置到支架的距离相等。

在本实施例中，选用的棋盘格的方格为20×20mm，共有12×9个黑白相间的方格。

所述视觉系统的标定参数包括第一相机的第一偏转初始角α

光心偏移量d

所述相机的内部参数包括第一相机光心点的图像横坐标u

在步骤300中，所述基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数，具体包括：

步骤310：从所述第一图像中选择纵坐标最接近第一相机光心点的图像纵坐标v

在本实施例中，v

步骤320：以第一图像中每3个等间隔第一纵向特征点为1组，基于n组建立关于第一偏转初始角的第一指标函数F

每3个等间隔纵向特征点(第一纵向特征点和第二纵向特征点)为1组，针对每台相机采集的棋盘格图像，选取了3组纵向特征点，建立指标函数；其中，第1组纵向特征点的间隔为一个方格，第2组空纵向特征点的间隔为两个方格，第3组纵向特征点的间隔为三个方格。

根据以下公式，确定所述第一指标函数F

其中，F

其中，β

其中，u

步骤330：分别对所述第一指标函数F

在本实施例中，第一指标函数F

步骤340：从所述第一图像中选择横坐标最接近第一相机光心点的图像横坐标u

在本实施例中，u

步骤350：以第一图像中每3个等间隔第一横向特征点为1组，确定第j组中第一个第一横向特征点的第一纵坐标方向角γ

其中，v

步骤360：根据所述纵坐标方向角γ

根据以下公式确定第一俯仰初始角γ

γ

其中，Z

步骤370：根据第一偏转初始角α

根据以下公式(深度计算公式)确定深度z

其中，Δx

步骤380：根据深度z

根据以下公式，确定基线长度b：

b＝z

步骤390：根据深度z

在棋盘格不动的情况下，将相机旋转不同的角度，确定多个任一角点的深度z

求解公式(光心偏移量公式)

x

其中，α是相机的偏转角，i表示相机第i次旋转，

在本实施例中，将相机旋转，在α＝0°、α＝1.8°和α＝3.6°时，根据深度计算公式，确定对应的深度z

在步骤400中，棋盘格中角点的三维坐标分为x轴坐标x

根据以下公式确定所述角点的三维坐标：

x

y

本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法，简单易行，精度高，能够方便高效地实现视觉系统公共视场内任意点的三维坐标测量，可解决现有的偏转式主动视觉标定方法需要人工测量靶标到视觉系统的距离问题，解决现有的偏转式主动视觉测量方法不能兼顾精度与效率的问题。随着机器人的快速发展，本发明具有可观的应用前景和社会经济效益。

如图3和图4所示，图中*表示采用立体视觉的测量值，°表示本发明方法的测量值。其中，立体视觉测量方法是公知的测量方法，但其外参数按照本发明前述基线长度和初始角参数确定，利用相机的光心点和成像点构成两条直线，利用最小二乘法求解出三维坐标。

在一种具体的实施例中，棋盘格相邻角点间的实际距离为20mm，本发明测量出的相邻角点间距离最大值为21.9mm，最小值为19.7mm；立体视觉测量出的相邻角点间距离最大值为21.8mm，最小值为19.6mm。在视觉系统距离棋盘格靶标850mm距离的情况下，测量出的方格长度误差小于2mm，说明本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法具有很好的精度。需要说明的是，本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法利用标定参数的立体视觉测量方法，其测量结果相吻合，且均具有较高的测量精度。

此外，本发明还提供一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统，可提供目标坐标测量的效率。

如图5所示，本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统图像采集单元10、参数确定单元20及坐标确定单元30。

其中，所示图像采集单元10用于通过第一相机及第二相机分别采集棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

所述参数确定单元20用于基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

所述坐标确定单元30用于根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

此外，本发明还提供了如下方案：

一种基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统，包括：

处理器；以及

被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作：

通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，视觉系统包括第一相机及第二相机，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

本发明还提供了如下方案：

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得所述电子设备执行以下操作：

通过第一相机及第二相机分别采集所述棋盘格的图像，得到第一图像和第二图像；其中，视觉系统包括第一相机及第二相机，所述棋盘格竖直置于所述视觉系统的图像采集范围内，且使所述棋盘格的表面与所述视觉系统的视觉坐标系的z轴垂直；

基于第一相机及第二相机的内部参数，根据第一图像和第二图像，得到所述视觉系统的标定参数；

根据所述视觉系统的标定参数，确定棋盘格中各个角点的三维坐标。

相对于现有技术，本发明基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量系统、计算机可读存储介质与上述基于联动偏转式主动视觉系统的目标坐标测量方法的有益效果相同，在此不再赘述。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。