三维激光扫描数据采集系统的摄像机标定技术研究

在计算机视觉激光扫描测量系统中 ,物体的空间坐标与计算机图像坐标之间存在着复杂的非线性映射关系。通过建立基于一阶径向畸变的摄像机数学模型 ,用线性方程组描述了三维空间坐标点与计算机图像坐标点的关系 ,利用带有 3 0个标准圆孔的金属平面孔型靶标对由两个摄像机构成的摄像机参数标定 ,提出“两步法”对摄像机模型参数逐步求解 ,从而彻底改变了传统的摄像机标定依赖于非线性优化方法。实验证明 ,这种标定新技术较以往算法更为快速、简便、实用 ,精度更高     

基于消影点的机器人视觉测量系统标定方法

本文提出了基于消影点的机器人视觉测量系统标定方法。首先,利用激光跟踪仪对机器人连杆扭角进行标定;然后通过靶平面上直线与靶平面的消影线,确定摄像机的姿态;再根据世界坐标系相对机器人基坐标系不变的约束,求解机器人与摄像机的旋转矩阵;最后利用距离约束对手眼关系的位移量以及机器人连杆长度及连杆距离误差进行优化求解。经过标定,机器人视觉测量系统测量精度提高了10倍。     

基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定

研究了基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定技术。首先,基于单台高速摄像机和两组反射镜组构建虚拟立体视觉测量系统,建立高速摄像机透视投影变换模型以及虚拟立体视觉三维测量模型,对虚拟立体视觉系统中摄像机及虚拟立体视觉传感器进行标定。用靶标基准球模拟气泡在水中的分布,以其空间距离作为测量评价指标,比较了不同标定方法对三维重建精度的影响。实验结果表明,将标定参照物置于水箱内,并且分别对左、右虚拟摄像机及传感器进行标定,三维重建精度最高,测量空间距离绝对误差优于0.13 mm,相对误差优于0.49%。实验认为,对基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统进行标定时,必须充分考虑折光分光光路以及管壁折射对三维重建所带来的影响。     

基于平面投影的单目视觉AGV定位算法

视觉定位是AGV视觉导航研究领域的重要问题,目前,视觉定位方法主要是通过对摄像机进行标定求取相机内外参数,过程复杂,计算量大。文中针对移动机器人AGV提出一种基于平面投影原理的单目视觉定位方法,建立了摄像机投影模型,由一个参考平面连接图像平面与现实平面,应用平面投影原理求解像素点与空间点的映射关系。实验结果表明,该方法可靠性强,计算简单,且具有较好的定位精度,可以满足AGV的定位系统要求。     

基于线结构光参考平面的多摄像机标定方法研究

多摄像机视觉测量系统中不同视觉传感器空间分布广,无公共视角,现场标定十分困难。针对多摄像机标定问题,研究了一种基于线结构光参考平面的灵活标定方法。标定过程中,以空间中同时覆盖相邻摄像机视角的结构光平面作为标定参考基准,在不同摄像机视角中,自由移动平面靶标多次,确保每次移动后靶标与结构光相交,并能在各自摄像机中清晰成像,摄像机拍摄靶标图像。提取靶标图像中角点坐标、激光光条特征点坐标。借助靶标平面与摄像机坐标系外部参数矩阵,求解激光光条特征点在对应摄像机坐标系中坐标。通过结构光基准平面内,不同摄像机坐标系中至少3组非共线特征点坐标信息,求解相邻摄像机外部参数。分别进行标定试验和精度验证试验,试验结果表明该方法切实可行。     

GPS双目摄像机标定及空间坐标重建

为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,实现摄像机参数的精确标定,并对空间坐标进行高精度重建,提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法,采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动,由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像,利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系,结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理,标定出双目摄像机参数,并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差,对重建精度进行检验。实验证明,该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,空间重建坐标具有较高的精度,相对距离误差从1.56%减小到0.52%。     

基于线结构光参考平面的多摄像机灵活标定方法研究

多摄像机视觉测量系统中不同视觉传感器空间分布广,无公共视角,现场标定十分困难。针对多摄像机标定问题,研究了一种基于线结构光参考平面的灵活标定方法。标定过程中,以空间中同时覆盖相邻摄像机视角的结构光平面作为标定参考基准,在不同摄像机视角中,自由移动平面靶标多次,确保每次移动后靶标与结构光相交,并能在各自摄像机中清晰成像,摄像机拍摄靶标图像。提取靶标图像中角点坐标、激光光条特征点坐标。借助靶标平面与摄像机坐标系外部参数矩阵,求解激光光条特征点在对应摄像机坐标系中坐标。通过结构光基准平面内,不同摄像机坐标系中至少3组非共线特征点坐标信息,求解相邻摄像机外部参数。分别进行标定试验和精度验证试验,试验结果表明该方法切实可行。     

应用SVM算法的相位—三维坐标标定方法

在采用光栅投影轮廓术的立体视觉方法对目标物体重构过程中,关键的步骤就是求得目标物表面特征点的相位与三维坐标的映射关系。通过对单目相机与投影仪组成的视觉系统建立模型,并对相机坐标系与投影仪坐标系进行空间解析,可得空间中任意一点在图像中坐标(u,v)、绝对相位θ与其在相机坐标系下的三维坐标(xc,yc,zc)存在复杂的非线映射关系。提出基于SVM算法的相位—三维坐标标定方法,用带有圆形标志点的平面标定板进行SVM回归模型的样本采集与训练。并通过对测试集回归预测的数据与实际测量中的数据进行对比,分析实验结果显示该标定方法确实可行,具有较高的标定精度。     

基于粒子群算法的摄像机标定过程优化

摄像机标定为机器视觉在物体位姿与姿态的测量过程中最重要一环,其映射物体三维空间与二维图像之间关系是一个复杂非线性最优化问题。为了更好地解决这一复杂优化问题,阐述了利用粒子群优化(PSO)算法计算摄像机标定过程的一种优化方法,重点描述了PSO算法的原理,单目视觉测量系统,以及基于CMOS摄像机的成像模型及其原理和算法。通过图像软件提取靶体模型上特征控制点,及摄像机标定算法建立了相应的计算公式。结合PSO算法优化像机外参,实验结果表明,PSO算法计算准确、速度快,具有很强的工程应用价值。     

标定线结构光视觉测头基本参数的一种新方法

根据线结构光视觉测头的光学成像特性论证并建立了基于透视变换的摄像机及物像关系模型。提出了标定摄像机基本光学参数及视觉测头结构参数一种新方法一倒闭平面法。该方法分校准和标定两个步骤。先利用标准网格平面主参考面,再利用斜平面上的标定栅格以及线结构光与斜面标定板所交亮带的图像信息标定出模型参数。该方法在保证标定精度的同时,简化了标定过程。是很有实用价值的标定方法。     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

Attitude measurement based on imaging ray tracking model and orthographic projection with iteration algorithm

In the field of vision-based attitude estimation, camera model and attitude solving algorithm are the key technologies, which determine the measurement accuracy, effectiveness and applicability. Aiming at this issue, in this paper we probe into the generic imaging model and then develop a corresponding generic camera calibration method using two auxiliary calibration planes. The camera model is named as imaging ray tracking model. Based on the imaging ray tracking camera model and with the knowledge of the calibration parameters, an advanced attitude solving algorithm, imaging ray tracking model and attitude from orthographic projection with iterations algorithm, is deeply investigated, which is inspired by the classical POSIT algorithm. The initial attitude value is provided by the orthographic projection of the object on the two calibration planes and then refined by iteration to approximate the true object attitude. Experimental platform is setup to conduct the imaging ray tracking camera calibration procedure and further evaluate our attitude estimation algorithm. We show the effectiveness and superiority of our proposed attitude estimation algorithm by thorough testing on real-data and by comparison with the POSIT algorithm.     

红外相机光轴标定研究

随着红外技术的不断发展,红外成像定位系统在现代工程测量中的应用越来越广泛。大部分测量系统一般都会选取红外相机的光轴作为系统的参照基准,因此红外相机的光轴标定的准确性将直接决定整套测量系统的准确度等级。激光跟踪仪是空间尺寸测量的一种常用仪器,它可以建立笛卡尔三维坐标系将空间任意点以坐标点形式表示出来,通过坐标点确定系统中点、线、面之间的几何位置关系。利用三靶球位置坐标原理将红外相机的光轴等虚拟参数以空间坐标点的方式标示出来,为后续试验人员的校准定位工作提供一定的技术依据和参考。     

基于三点透视模型的线结构光系统标定方法

针对现有线结构光传感系统标定过程中对设备要求高、标定过程繁琐等问题,提出一种基于三点透视模型的快速标定方法。引入一个可自由移动的平面靶标,靶标上只需要共线、且相互位置确定的三个特征点,利用共线三点建立三点透视数学模型,根据三个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息,就可以获取光平面上标定点在摄像机坐标系下的坐标。平面靶标在视觉范围内任意移动几个位置,得到光平面上多个标定点坐标,从而确定光平面方程。实验证明,该方法平均相对测量误差小于0.8%。该方法不需要昂贵的辅助调整设备,也不需要求解坐标系之间的转换矩阵,简单、快速,适合现场标定。     

采用直线模型的相机参数优化方法

提出了基于直线模型的相机在线标定算法。该方法通过自动跟踪视频中物件的边缘,在线求解相机系统内外参数,同时建立物件边缘同图像边缘的对应关系。然后,利用物件边缘同图像边缘的对应关系,在相机内外参数初值的基础上,通过构建融合边缘端点信息的误差函数,迭代优化求解相机内外参数。进行了仿真和实物实验,分别使用提出的基于直线的标定方法和传统的基于棋盘格内角点的方法标定了相机内外参数,并对两种方法的标定结果做了对比。结果显示:在仅使用边缘信息的条件下,本文方法可以获得同传统的标定法一致的精度,标定后重投影误差(RMS)为0.6pixel。本文方法利用具有标准尺寸的物件即能实现相机内外参数的估计,且无需制备平面靶板便可获得与传统方法相同的标定精度,标定过程更为灵活,有实用价值。     

野外大视场单相机空间坐标测量系统的快速标定

针对靶场现场监测范围大,相机焦距不固定,相机空间位置及角度各不相同的情况,为实现对弹落点空间坐标位置的高精度自动测量,提出了一种在野外大视场环境下使用的基于单相机空间坐标测量系统的快速标定方法。首先,在小孔成像模型的基础上,通过GPS测量获得视场内两个标定点及相机在大地坐标系中的坐标;然后读取标定点的像素坐标,根据对角相等及最小二乘法实现焦距与旋转矩阵的分步标定;最后在保证标定精度前提下,略去主点的标定过程,确定相机主点为理想主点位置。实验结果表明,在测试距离1km以外,对视场宽度为200m的区域进行监测时,校验点相对定位误差低于0.25%。该相机标定方法不需要高精度靶标,操作简单,适用于野外大视场环境下单相机空间坐标测量系统的快速标定。     

改进的精密测角法标定面阵摄像机参数

改进了用于标定线阵摄像机的传统精密测角算法,标定用于面阵摄像机的参数。该算法利用两束平行光之间的夹角和投影在摄像机上图像点之间的对应关系,在给定一个预测摄像机主点的基础上计算它和实际主点之间的偏差以及摄像机焦距。分析了图像特征提取误差对于平行光夹角测量精度的影响,并给出一种基于平行光夹角误差最小的最优估计,从而进一步提高摄像机内部参数的标定精度。通过仿真实验分析了图像特征提取精度和平行光夹角测量精度对摄像机参数标定精度的影响。结果显示,当图像特征提取精度为0.1pixel,二维转台精度为0.5″时,主点标定精度可以达到0.56pixel,焦距标定精度可以达到0.06mm。利用精度为0.5″的二维转台对摄像机参数进行了实际标定,通过分析像点和标定结果所计算的平行光夹角和实际测量的平行光夹角的误差,可知本文算法的误差是经典精密测角法的68.6%,由此证明该算法对于面阵摄像机参数标定具有更好的结果。     

借助于星点标定相机的内方位元素

为满足单个或一批次测绘相机的标定,提出了一种利用已知坐标值的星点对测绘相机进行标定的方法。介绍了该方法的原理以及计算步骤,给出了实验过程。该方法建立在小孔成像的基础上,通过各个坐标系的相互转换,建立起星点坐标和像素坐标之间的联系,以此求解相机内方位元素。与基于平行光管和精密转台的精密测角法相比,该方法不需要昂贵的实验设备,且简化了标定步骤。最后,对标定精度进行了分析,讨论了噪声扰动和已知内方位元素误差对标定结果的影响。分析结果表明,采用该标定方法,相机的主点精度优于3μm(1/3pixel),主距精度优于7μm(小于1pix-el),满足标定精度要求。