专利名称：一种图像测量系统的标定方法
技术领域：
本发明涉及自动化仪表中的图像测量系统技术领域，更具体地说，涉 及一种图像测量系统的标定方法。
背景技术：
标定技术是测量系统可靠与精度的保证，图像测量系统也不例外，光 学镜头系统无法实现理想的线性针孔模型，相机在拍摄时就会带来一些对
应关系的畸变，相机的成像过程是一个从3维空间到2维空间的退化的射 影变换，其中存在射影不变的几何关系原理，利用此原理可以对相机系统 进行标定，并在标定中对畸变进行校正；同时相机与被测物之间的空间映 射关系在标定中完成对应坐标的确定，有了这些标定参数，图像测量系统 就能完成对象物体的测量。
通常图像测量系统的标定采用在相机可视的范围内，安放高精度的已 知结构平面的标定靶板，'如棋盘格、圆点图等获取确定标定数据。在尺寸 比较小的情况下，在可视范围内放满此类传统的平面的标定靶板，它比较 方便、精确。但是，在冶金行业大视场应用条件下，如要对板坯进行测量， 则需要对连铸坯在长度12米宽度2米的平面范围内进行完整可靠的标定， 此时靶板尺寸将超过6米x3米，同时要安放在辊道系统上，为了保证足够 大的尺度、强度，并保证平面不变形，平面靶板将很大，很厚，也难搬动， 占地面积也很大，难于保管，加工困难，成本很高。这样给标定操作带来 了相当的困难，也给工业化大视场图像测量系统的高精度测量条件下的应 用带来了操作实现上的困难。
为此，针对工业化大视场图像测量系统领域，迫切需要提出了一种利 用简单的标靶装置并依据几何约束来获得标定数据的方法，从而避免使用 平面固定机械装置进行约東。
专利申请号为CN03109649.2的一种摄像机标定方法及其实施装置，该专利申请采用标记圆孔半径为其余圆孔半径的120%至150%的圆形靶 标，通过图像的噪声滤除，阈值分割，轮廓跟踪，椭圆识别，椭圆拟合及 中心提取方法，根据标记圆孔圆心及离标记圆孔最近的圆孔的圆心的空间 位置、标记圆孔与其余圆孔的圆心距及沿空间某一方向移动圆形靶标的移 动距离，采用特征点空间定位方法确定摄像机的位置。它的目的是为了解 决标定范围和坐标原点问题，该专利并不涉及大尺度标定问题。
专利申请号为CN200610041694.93的基于自标定技术的大场景立体视 觉摄影测量装置，该装置包括升空气球动力部分、摄影方位控制部分和立 体视觉摄影部分，利用该摄影测量装置并结合立体视觉技术可以快速得到 三维地貌等大场景的空间三维几何信息，但是该专利不能获得原始的大尺 度被标定数据，并且标定精度也有限。
专利申请号为US2001006554的一种车载图像标定器(On-vehicle camera calibration device, US2001006554)，该标定器可以在屏幕的任 意部分设定摄像机的参数， 一个摄像机摄入外界景物的同时把一个标定指 示器叠加显示在屏幕上，屏幕上标定窗口的位置可以在2维坐标系中变化， 标定指示器中的参数可以进行人工修正。该标定器只是用于位置指示，并 未获得标定点的物理坐标，不能用于精确标定被观测对象与图像之间的关 系。
发明内容
本发明的目的是提供一种图像测量系统的标定方法，该方法利用简 单的标定靶，采用几何约束来确定标定靶在不同的位置。有效的克服了 现有技术中使用固定机械装置约束来确定标定靶的位置，具有效率高、 精度高、成本低的优点。
为实现上述目的，本发明提供一种图像测量系统的标定方法，包括 以下步骤
a .准备CCD相机、计算机以及标定靶，所述计算机与CCD相机连接， 所述标定靶具有标定点，标定点在同一水平线上且之间保持固定的距离； b.将所述标定靶分三次放在被标定平面上并依次用所述CCD相机成像，使所述三次放置的标定靶的标定点连线及其延长线在被标定平面 上构成三角形，选择所述三角形的边长作为坐标轴并将一个标定点作为
被标定平面的原点；
c .将所述三次放置的标定靶的图像在计算机的图像平面上叠加，所
述三次放置的标定靶的标定点连线及其延长线在图像平面上构成三角形,
计算并输出图像平面上所述三角形各端点坐标及其边长；
d. 根据被标定平面与图像平面上的几何不变的原理，建立计算模 型，输出被标定平面上所述三角形各边长、角度及其各端点的坐标；
e. 将所述步骤c 、 d输出的各端点坐标输入已知的被标定平面与图
像平面的共线方程，得到所述被标定平面与图像平面的关系。
所述标定方法还包括以下步骤
f .分别将作为所述步骤b三角形一条边的标定靶向相应的方向均 勻放置并成像，使均匀放置的标定靶与所述步骤b三角形另外两条边在
被标定平面上构成一系列三角形；
g .将所述步骤e每次均匀放置的标定靶图像和所述步骤b三角形 另外两条边的图像叠加，在所述图像平面上构成一系列三角形，计算并 输出图像平面上所述三角形各端点坐标及其边长，并执行所述步骤d、 步骤e ;
h.根据预设的标定精度，重复所述步骤f、步骤g。 所述计算模型为一个方程，方程一边是被标定平面上的三角形的已
知长度线段与来知长度线段的长度比，方程另一边是所述线段在图像平
面上的长度比。
将所述标定方法应用于非线性光学成像测量系统，包括以下步骤 准备平面标定靶板，将其放置于被标定平面和图像平面之间作为 过渡平面；
用所述平面标定靶板上已知的标定点坐标对所述非线性光学成 像测量系统进行初步标定；
将所述图像平面上的图像映射到所述过渡平面上； 用所述过渡平面代替所述图像平面，执行所述步骤a 、 b、 c、d 、 e
所述标定靶包括本体和三个可旋转支脚，可旋转支脚通过基准轴安 装在所述本体的中心线上，三个基准轴在中心线上的中心点为标定点。
所述本体的底面与可旋转支脚的底面在同一个平面上，本体和可旋 转支脚上有倾斜面。
所述标定靶的本体与旋转支脚上用于标定的部分的颜色与被标定平 面颜色的色差较大，标定靶其他部分颜色与被标定平面颜色的色差较小。
采用本发明所述的一种图像测量系统的标定方法，该方法首先将简 单的标定靶依次放置在被标定平面上并叠加成像，然后计算出图像平面 上的各点坐标，再利用被标定平面与图像平面的几何不变原理计算出被 标定平面上的各标定点坐标，最后将所述坐标输入已知的被标定平面与 图像平面的共线方程，得到所述被标定平面与图像平面的关系。本发明 尤其适合工业化大视场图像测量系统，本发明所述标定方法与装置快速简 单、高效可靠，能满足生产现场实时性要求，并且可以依照需要的标定精 度增加放置标定靶的次数从而实现高精度标定。本发明避免了使用现有技 术中平面固定机械装置进行约束标定，操作更加简单，且标定靶占地面积 小，也易于保管,精度也更加高。
图l是本发明标定方法的流程图2是本发明的标定靶结构示意图3是本发明的标定靶的本体结构示意图4是本发明的标定靶的旋转支脚结构示意图5是本发明所述装置的应用示意图6是本发明的标定靶和其图像的透视示意图7是本发明的被标定平面与图像平面的关系示意图8是本发明在Y方向和倾斜方向冗余标定靶的放置示意图9是本发明在X方向冗余标定靶的放置示意图1O是本发明在非线性光学成像测量系统中的应用示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
参考图l，本发明所述一种图像测量系统的标定方法，包括以下步骤
101. 准备CCD相机20、计算机30以及标定靶10。所述计算机30与CCD相机20连接，所述标定靶10具有标定点a0、 al、 a2，标定点a0、al、 a2在同一水平线上且之间保持固定的距离，参考图2和图5。
所述标定靶10包括本体11和三个可旋转支脚12，可旋转支脚12通过基准轴安装在所述本体ll的中心线上，三个基准轴在中心线上的中心点aO、 al、 a2为标定点，参考图2。
所述本体11的底面与可旋转支脚12的底面在同一个平面上，本体11和可旋转支脚12上有倾斜面，因此CCD相机20无论在哪个位置，都能拍摄到本体ll的底面与可旋转支脚12的底面上的棱，从而保证以本体11和支脚12的底面作为标定基准，参考图3和图4 。
所述标定靶10的本体11与旋转支脚12上用于标定的部分的颜色与被标定平面颜色的色差较大，标定靶io其他部分颜色与被标定平面颜色
的色差较小。当工作时，旋转支脚12放置在与本体11中心线垂直或接近的位置上，从而标示出旋转轴心的位置。收起存放时，可旋转支脚12旋转到与本体ll中心线一致的位置上，从而减小装置的外型尺寸，参考图l。在CCD相机20采集的图像中，标定靶IO的棱与背景反差明显，而且轮廓线具有一定的长度，参与计算的点很多，所以轮廓线的参数具有良好的精度，标定靶10的本体11与旋转支脚12的中心，是由2条轮廓线平均得到，所以精度更高。因此只要旋转支脚12与本体ll保持适当的角度，即可通过它们的中心线交点获得足够精度的轴心位置，无须绝对垂直，这样可以简化工人的现场操作。
102. 放置标定靶并成像，选择坐标轴及原点。将所述标定靶10分三次放在被标定平面W上并依次用所述CCD相机20成像，使所述三次放置的标定靶11的标定点a0、 al、 a2连线及其延长线在被标定平面W上构成三角形，选择所述三角形的边长作为坐标轴并将一个标定点作为被标定平面的原点。103.对成像进行叠加，计算图像平面I上的各点坐标。将所述三次放置的标定靶10的图像在计算机30的图像平面I上叠加，所述三次放置的标定靶10的标定点连线及其延长线在图像平面I上构成三角形，计算并输出图像平面I上所述三角形各端点坐标及其边长。上述步骤102和103，作为一个实施例具体过程如下参考图7，为了方便起见，在下文中，图像平面I的坐标系中的点记为I，被标定平面W的坐标系中的点记为W，水平方向记为X,垂直方向记为Y,倾斜方向记为D，线段釆用起点和终点为标记，线段长度记为L，其下标为线段的2个端点。
1 ) X方向的标定靶放置及参数获取。
在待检测的工作平面，如板坯的上表面上，选一个期望的图像测量系统中被标定平面W的X方向和原点，把标定靶IO放置这个期望的位置上，在不失一般性的情况下，可以把此时标靶中心线方向作为计算过程中被标定平面的X方向，标定靶10的一个点作为原点。自然，被标定平面W上经过原点且垂直与X方向的直线就是Y方向。用CCD相机20和计算机30获得此时的图像，计算3个特征点在图像坐标系中的坐标为IXQ、IX1、 IX2，与之对应在被标定平面W中的点坐标为Wx。、 WX1、 WX2。这些点的坐标是可以给定的，其中横坐标由标定靶io上的标定点线段的长度决定，纵坐标为0。
2 ) Y方向的标定靶放置及参数获取。
将标定靶10放置在被标定平面W的接近垂直于X方向上，也就是被标定平面的Y方向上，同样获得3个特征点在图像坐标系中的坐标lYo、IY1、 IY2。与之对应在被标定平面中的点为WY。、 WY1、 WY2，这些点相对距离可以确定，但是它们的坐标是不能直接给定。,.3 )倾斜方向的标定靶放置及参数获取。
将标定靶10放置在被标定平面W的倾斜于X方向上，比如45度的方向上，也就是与被标定平面的X、 Y方向都相交的方向上，再获得3个特征点在图像坐标系中的坐标lD。、 ID1、 ID2。与之对应在被标定平面中的点为W加、WD1、 WD2,同样，这些点相对距离可以确定，但是它们的坐
9标是不能直接给定。
显然，在标定平面上，标定靶10在3个方向的延长线存在3个虛拟交点Wc。、 WC1、 WC2。在计算机30对上述三个方向放置的标定靶10的
图像进行叠加后，上述3个虛拟交点在图像坐标系当中也有对应的点lDo、
ID1、 ID2。这3个对应点未必在相机的可视范围内，但是可以通过计算获得它们的坐标。在图像平面I上的在这些点和线段，所有可见像点的图像坐标可以通过图像处理算法获得精确数值，在标定平面W上，标定点之间的距离就是靶板上的线段的长度，为固定的数值，可以从加工厂获得。而把板在不同位置的相对参数，因为没有锁定约束装置，不能直接给出，参见图6 。
104.建立计算模型输出标定对象各点坐标。根据被标定平面W与图像平面I上的几何不变的原理，建立计算模型，输出被标定平面W上所述三角形各边长、角度及其各端点的坐标。
参考图7，所述步骤104，作为一个实施例具体过程如下
依照几何光学中针孔成像的基本原理，被标定平面W中的直线在图像平面中也是直线，且物理点、像点和镜头的光心共线。以直线Wxo、WX1、 Wx2和直线Ix。、 IX1、 Ix2为例，如图7所示，W別、WX1、 Wx2和I别、,IX1、 Ix2及虛拟交点Wc。、 WC1、对应像点Ic。、 I。、分别与镜头的光心O在同一直线上。
在图像平面I中存在交比
f丄议0"、l议1jt2 一 d
"E-'
(1)
其中
〖
ZJT1C2
图像中的交比图像中线段/,。々2的长度图像中线段/^"2的长度图像中线段、。/n的长度图像中线段/w/n的长度
10由于图像空间中的标定点IXC、 IXI、 Ix2是可以测量的，延长线交点
Ia、 1 虛拟交点的图像坐标可以通过解析几何方法通过延长线相交计算
获得。所以线段^。"2、 Z"'"、 Z，C2、 ^'C2是可以得到的，因此交比A可
以用公式(l)计算而得到。
同样有被标定平面中的交比
乙(2)
被标定平面w中的交比
线段^。^2的长度
线段^^2的长度
线段『B『C2的长度
线段『力^2的长度
根据平面几何的交比不变性原理，有
(3)
因此，可以利用图像坐标系中标定点坐标数据，计算出图像坐标系
中的交比& ，利用公式(3)也就得到了被标定平面W坐标系中的交比&。对于X方向、Y方向和倾斜方向标定靶虛拟交点构成的虛拟三角形，
利用被标定平面坐标系中的各个线段长度，以及交比^，可以计算出虛拟交点与标定点之间的距离，进而得到虛拟三角形每个边长和每个角的角度，最后得到每个标定点在被标定平面W坐标系中的坐标。
每个线段由几个子段组成，显然，线段之间满足如下的关系
AfX0C2 =丄H^0;f 2 +丄H^T2C2 (4)
丄wyac2 =丄w;n"2十丄H^2C2 (5)
公式(2)可以变化为丄隨2— = i (6)
(A^yo乂2 +丄盯2C2 )
其中 丄，a 被标定平面W中线段『^^的长度
公式(6)是只有ZM2C2 —个变量 一次方程，可以变形得到:
, 一_丄蹈"_ f 7、
L盯2C2 — ^ 、"
十"^-
同样可以得到，被标定平面W中其他虛拟交点与标定靶特征点之间的
^巨离"^吖0C2 、Aj^co 、 z(^)2c0 、 A^oa 、 z^ood 。
其中
被标定平面W中线段^。『n的长度
被标定平面W中线段^2『C。的长度
被标定平面W中线段『D2^:。的长度
被标定平面w中线段『"^，的长度
被标定平面w中线段『。。『。的长度
于是有三个虛拟交点Wc。、 WC1、 Wc2构成三角形，它的3条边的长度有如下关系:
.(8)
二 ArCOJTl+ AfX(UTl +丄,"+丄盯2C2(9)
二 ;C。y2(10)
被标定平面w中线段
被标定平面w中线段『n^2的长度
其中
AfOC2 被标定平面W中线段^C。^C2的长度
也就是三角形的三条边可以计算得到。于是被标定平面W中原先自由放
置的标定靶之间就有了刚性的约束。
根据常识，可以用三角法得到三角形的3个夹角，进而得到所有标定点WX0、 WX1、 WX2 、 WY0、 WY1、 WY2 、 WD0、 WD1、 Wq2的4皮才示定平面坐标。
此时可以用Tsai， s标定算法，利用标定点的被标定平面坐标和图〗象世 界坐标对镜头的参数进行标定。
105. 标定精度是否满足要求？如果满足要求，则进行下一步骤107. 如果不满足要求，则执行步骤106。
106. 增加标定靶IO放置位置和次数并成像。所述步骤106，包括以 下步骤
f .分别将作为所述步骤b三角形一条边的标定靶10向相应的方向 均勻放置并成像，使均匀放置的标定靶10与所述步骤b三角形另外两条 边在被标定平面上构成一系列三角形；
g. 将所述步骤e每次均匀放置的标定靶10图像和所述步骤b三角
形另外两条边的图像叠加，在所述图像平面上构成一系列三角形，计算 并输出图像平面上所述三角形各端点坐标及其边长，并执行所述步骤 103、步骤104;
h. 根据预设的标定精度，重复所述步骤f、步骤g。
所述步骤106中，作为一个实施例具体过程如下
1 ) Y方向和倾斜方向上冗余标定靶的放置与参数获取 如图8所示，在被标定平面的Y方向上均匀放置n次标定靶，得到
标定点在图像坐标系中的坐标I1Y()、 I1Y1、 I1Y2，……InY0、 InY1、 InY2。同样在
被标定平面的倾斜方向上均匀放置n次标定靶，得到标定点在图像坐标
系中的坐标I咖、ID1、 ！1D2' InDO、 InDl、 "2。
其中I1YQ 第1个Y方向标定靶在图像平面I中的坐标
第n个Y方向标定靶在图像平面I中的坐标
第l个倾斜方向标定靶在图像平面I中的坐标 第n个倾斜方向标定靶在图像平面I中的坐标
JnYO
IlDO 工nDO
其他依次类推。
它们与最初在X方向放置的标定靶构成了被标定平面上的n个虛拟三角形。利用前述方法，用几何不变性原理，得到与之对应在标定平面 中的标定点的坐标为W1Y0、 W1Y1、 W1Y2，……WnY0、 WnY1、 WnY2，和W1D0、 W1D1、 W1D2， WnD0、 WnDl 、 WnD2°
其中 W1Y() 第l个Y方向标定靶在被标定平面W中的坐标
WnYQ第n个Y方向标定靶在被标定平面W中的坐标 W1DQ第l个倾斜方向标定靶在被标定平面W中的坐标 WnDo第n个倾斜方向标定靶在被标定平面W中的坐标 其他依次类推。
2 ) X方向上冗余标定靶的放置与参数获取
如图9所示，在X方向上，也均匀放置n个标定靶，也可以得到标 定点在图像坐标系中的坐标I1XQ、 I1X1、 I1X2，……I xo、 Inx,、 InX2。它们与先 前放置的Y方向的标定靶和倾斜方向的标定靶构成了 n个三角形，于是 利用前述方法可以得到与他们对应的在标定平面中的坐标。
其中I1X。 第1个X方向标定靶在图像平面I中的坐标
第n个X方向标定靶在图像平面I中的坐标 第1个X方向标定靶在图像平面I中的坐标
InXO
wlxo
WnX0
第n个X方向标定靶在图像平面I中的坐标 107.将所述坐标输入共线方程，完成标定。将所述步骤103、 104输 出的各端点坐标输入已知的被标定平面W与图像平面I的共线方程，得 到所述被标定平面W与图像平面I的关系，完成标定。
本发明所述的标定方法， 一般用于线性光学成像测量系统，当将它用 于非线性光学成像测量系统时，参考图1 O包括以下步骤
首先准备平面标定靶板，将其放置于被标定平面W和图像平面I之间 作为过渡平面T。
其次用所述平面标定靶板上已知的标定点坐标利用Weng，s图像标定 算法对所述非线性光学成像测量系统进行初步标定，消除系统中的非线性 因素，此时非线性光学成像测量系统的实际光心为Or，而初步标定后的等效光心为Oe。
然后将所述图像平面I上的图像映射到所述过渡平面T上； 最后用所述过渡平面T代替所述图像平面I，执行所述步骤101至107。 可见在系统存在非线性因素的情况下，本发明所述标定方法依然保持 了的轻便、可靠的特点。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说 明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围 内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
1权利要求
1. 一种图像测量系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤a. 准备CCD相机、计算机以及标定靶，所述计算机与CCD相机连接，所述标定靶具有标定点，标定点在同一水平线上且之间保持固定的距离；b. 将所述标定靶分三次放在被标定平面上并依次用所述CCD相机成像，使所述三次放置的标定靶的标定点连线及其延长线在被标定平面上构成三角形，选择所述三角形的边长作为坐标轴并将一个标定点作为被标定平面的原点；c. 将所述三次放置的标定靶的图像在计算机的图像平面上叠加，所述三次放置的标定靶的标定点连线及其延长线在图像平面上构成三角形，计算并输出图像平面上所述三角形各端点坐标及其边长；d. 根据被标定平面与图像平面上的几何不变的原理，建立计算模型，输出被标定平面上所述三角形各边长、角度及其各端点的坐标；e. 将所述步骤c、d输出的各端点坐标输入已知的被标定平面与图像平面的共线方程，得到所述被标定平面与图像平面的关系。
2. 如权利要求l所述的标定方法，其特征在于，所述标定方法还包 括以下步骤f .分别将作为所述步骤b三角形一条边的标定靶向相应的方向均 勾放置并成像，使均匀放置的标定靶与所述步骤b三角形另外两条边在 被标定平面上构成一系列三角形；g .将所述步骤e每次均匀放置的标定靶图像和所述步骤b三角形 另外两条边的图像叠加，在所述图像平面上构成一系列三角形，计算并 输出图像平面上所述三角形各端点坐标及其边长，并执行所述步骤d、 步骤e ;h.根据预设的标定精度，重复所述步骤f、步骤g。
3. 如权利要求l所述的标定方法，其特征在于，所述计算模型为一 个方程，方程一边是被标定平面上的三角形的已知长度线段与未知长度线段的长度比，方程另一边是所述线段在图像平面上的长度比。
4.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，将所述标定方法应 用于非线性光学成像测量系统，包括以下步骤准备平面标定靶板，将其放置于被标定平面和图像平面之间作为过渡 平面；用所述平面标定靶板上已知的标定点坐标对所述非线性光学成像测 量系统进行初步标定；将所述图像平面上的图像映射到所述过渡平面上；用所述过渡平面代替所述图像平面，执行所述步骤a 、 b、 c、 d、
5.如权利要求l所述的标定方法，其特征在于，所述标定靶包括本 体和三个可旋转支脚，可旋转支脚通过基准轴安装在所述本体的中心线 上，三个基准轴在中心线上的中心点为标定点。
6. 如权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述本体的底面与 可旋转支脚的底面在同一个平面上，本体和可旋转支脚上有倾斜面。
7. 如权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述标定靶的本体 与旋转支脚上用于标定的部分的颜色与被标定平面颜色的色差较大，标 定靶其他部分颜色与被标定平面颜色的色差较小。
全文摘要
本发明涉及一种图像测量系统的标定方法，首先将简单的标定靶依次放置在被标定平面上并叠加成像，然后计算出图像平面上的各点坐标，再利用被标定平面与图像平面的几何不变原理计算出被标定平面上的各标定点坐标，最后将所述坐标输入已知的被标定平面与图像平面的共线方程，得到所述被标定平面与图像平面的关系。本发明尤其适合工业化大视场图像测量系统，本发明所述标定方法快速简单、高效可靠，能满足生产现场实时性要求，并且可以依照需要的标定精度增加放置标定靶的次数从而实现高精度标定。本发明同时避免了使用现有技术中平面固定机械装置进行约束标定，操作更加简单，且标定靶占地面积小，也易于保管，精度也更加高。
文档编号G01C11/00GK101482410SQ200810032528
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者勇 夏, 方志宏 申请人:宝山钢铁股份有限公司