一种镜头相背双相机相对方位标定装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种镜头相背双相机相对方位标定装置，包括相隔一定距离置放的第一标定立柱和第二标定立柱，所述第一标定立柱上装设有第一辅助相机和位于所述第一辅助相机下方的第一单面标靶，所述第二标定立柱上装设有第二辅助相机和位于所述第二辅助相机下方的第二单面标靶；及可移除地设置于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间的双面辅助标靶。本发明加工简单，运输方便，标定范围可根据实际需要进行调整，且保证了标定的精度。
【专利说明】一种镜头相背双相机相对方位标定装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机视觉应用领域多摄像机3D建模应用中的相互方位标定问题，特别涉及一种镜头相背双相机相对方位标定装置与方法。
【背景技术】
[0002]多相机系统可广泛应用于3D建模、3D测量等计算机视觉领域。在多相机系统中，目标表面上的点3D信息是通过摄像机得到的2D图像对应的像素点来建立的，其中会用到摄像机模型。在3D建模应用中，摄像机模型的内部参数(焦距、特征比和畸变因子等等)用某种方法事先标定；外部参数，即相机到测量目标的相对旋转和位移，可由内部参数及识别目标的特征点，利用摄像机模型计算确定。文献“Zhang Z.Aflexible new techniquefor camera calibrat1n。 IEEE Transact1n on Pattern Analysis and MachineIntelligence，2000，22(ll):1330-1334.，”是近年来使用最多的摄像机标定方法之一。多相机系统应用的关键是确定多相机之间的方位关系，即多相机之间相对旋转和位移，这样才能将多相机获得的目标点的三维信息统一到统一坐标系下进行3D建模。多相机位置关系计算最简单莫过于双目视觉，由于两个相机的摆放位置相同，可以看见同一标靶，较为容易；而镜头方向相背相机的相互姿态标定难度较大，需要制作特定的装置。
[0003]由于两相机的朝向相反，无法用同一标祀来标定其相对方位，最容易想到的传统方法就是设计两块安装于托架13上，相对位移和旋转已知的标靶12，使得每个相机可以各自看见其中的一块，由此两块标靶的相对位置关系，计算镜头相背双相机11的两个相背相机的位移和旋转，如图1所示。但这样的精密标定装置由于尺寸较大，不易加工，用料也很讲究，必须是长期使用不易变形的特种材料，这将大大提高加工工艺的难度和加工成本。另夕卜，这样的装置对标定范围有一定限制，不同范围需要不同尺度的标定装置；其次，运输不便，这将大大限制应用的灵活性，在实际中难以应用。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是设计一种加工简单，使用灵活且满足一定精度要求的镜头相背双相机方位标定装置及相应的计算方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种镜头相背双相机方位标定装置，包括:相隔一定距离置放的第一标定立柱和第二标定立柱，所述第一标定立柱上装设有第一辅助相机和位于所述第一辅助相机下方的第一单面标靶，所述第二标定立柱上装设有第二辅助相机和位于所述第二辅助相机下方的第二单面标靶；及可移除地设置于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间的双面辅助标靶。
[0006]进一步地，所述双面辅助标靶的第一标靶面和第二标靶面上设有靶面图案，两个所述标靶面的靶面图案外形一致，位置对应。
[0007]进一步地，所述靶面图案为5行5列的圆形阵列。
[0008]为了解决上述问题，本发明还提供了上述镜头相背双相机方位标定装置的一种标定方法，包括以下步骤:(1)相隔一定距离摆放所述第一标定立柱和第二标定立柱，固定所述第二单面标靶于第一辅助相机的中心视野区域，固定所述第一单面标靶于第二辅助相机的中心视野区域；(2)启动所述第一辅助相机拍摄读取第二单面标靶相对第一辅助相机的位置信息，启动所述第二辅助相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第二辅助相机的位置信息；(3)置所述双面辅助标靶于第一标定立柱和第二标定立柱中间，调整双面辅助标靶位置，使所述双面辅助标靶的第一标靶面位于所述第一辅助相机的中央视野区域，所述双面辅助标靶的第二标靶面位于所述第二辅助相机的中央视野区域；(4)启动第一辅助相机拍摄读取所述第一标靶面相对第一辅助相机的位置信息，启动第二辅助相机拍摄读取所述第二标靶面相对第二辅助相机的位置信息，通过预定计算，标定所述第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移；(5)换置待标定的镜头相背双相机于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间，启动所述镜头相背双相机的第一相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第一相机的位置信息，启动所述镜头相背双相机的第二相机拍摄读取所述第二单面标靶相对第二相机的位置信息，通过预定计算，标定所述第一相机和第二相机的相对旋转和位移。
[0009]进一步地，所述步骤(4)包括:A)设置双面辅助标靶的第一标靶面和第二标靶面上的标靶图案，使两个标靶面的靶面图案对应，位置信息能通过预定计算相连；B)启动第一辅助相机拍摄读取所述第一标靶面相对第一辅助相机的位置信息，启动第二辅助相机拍摄读取所述第二标靶面相对第二辅助相机的位置信息；C)以所述双面辅助标靶的两个标靶面的相对位置信息、两个标靶面相对两个辅助相机的位置信息为连接因素进行预定计算，标定所述第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移。
[0010]进一步地，所述步骤(5)包括:A)移除所述双面辅助标靶，换置待标定的镜头相背双相机于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间，使所述第一单面标靶位于所述镜头相背双相机的第一相机的中央视野区域，第二单面标靶位于所述镜头相背双相机的第二相机的中央视野区域；B)启动所述镜头相背双相机的第一相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第一相机的位置信息，启动所述镜头相背双相机的第二相机拍摄读取所述第二单面标靶相对第二相机的位置信息；C)以两个单面标靶相对两个辅助相机的位置信息、两个单面标靶相对镜头相背双相机的两个相机的位置信息、两个辅助相机的相对旋转和位移为连接因素进行计算，标定所述第一相机和第二相机的相对旋转和位移。
[0011]本发明加工简单，运输方便，标定范围可根据实际需要进行调整，且保证了标定的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是传统镜头相背双相机方位标定装置示意图。
[0013]图2是本发明的镜头相背双相机方位标定装置的双面辅助标靶示意图。
[0014]图3是本发明的镜头相背双相机方位标定装置拍摄读取单面标靶示意图。
[0015]图4是本发明的镜头相背双相机方位标定装置拍摄读取双面辅助标靶示意图。
[0016]图5是本发明的镜头相背双相机方位标定装置在标定镜头相背双相机时拍摄读取示意图。
[0017]图6是本发明的标定方法流程图。
[0018]图7是本发明的标定方法标定两个辅助相机步骤的细化流程图。
[0019]图8是本发明的标定方法标定镜头相背双相机步骤的细化流程图。
[0020]图中:11，镜头相背双相机；12，标靶；13，托架；21，第一标定立柱；22，第二标定立柱；30，镜头相背双相机；31，第一相机；32，第二相机；33，第二辅助相机；34，第一辅助相机；40，双面辅助标靶；41，第二标靶面；42，第一标靶面；43，第一单面标靶；44，第二单面标靶。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0022]如图2至图5所示，本发明的一种镜头相背双相机相对方位标定装置，包括相隔一定距离置放的第一标定立柱21和第二标定立柱22,第一标定立柱21上装设有第一辅助相机34和位于第一辅助相机34下方的第一单面标靶43，第二标定立柱22上装设有第二辅助相机33和位于第二辅助相机33下方的第二单面标靶44 ;及可移除地设置于第一标定立柱21和第二标定立柱22中间的双面辅助标靶40。需要指出的是，本发明在标定时两个标定立柱相对放置，其距离、辅助相机的角度、单面标靶大小和位置可根据需要调整。
[0023]本发明的双面辅助标靶40的第一标靶面42和第二标靶面41上设有靶面图案，两个标靶面的靶面图案外形一致，位置对应。双面标靶的两个标靶面要求平整，厚度均匀，标靶面上印刷的图案大小相同，重心相同处于同一靶面法向量上。最简单常用的靶面图案是圆形图案，本发明靶面示例图案为5行5列的圆形阵列，如图2所示。需要指出的是，图2不能作为对本发明的限定，生产者也可根据标定需要自行配置不同大小和排列的圆形阵列或其它图案。
[0024]本发明的双面辅助标靶40的两个标靶面的靶面图案对应，位置信息应能通过预定计算相连，假设两个隐身相机(实际上不存在)各自正对双面辅助标靶的两个标靶面，成像平面和标靶平面重合，光轴穿过标靶中心，相机局部三维坐标系，x、y轴和标靶面平行，z轴垂直标靶面向里，坐标原点位于双面辅助标靶40的圆形阵列中心。由双面辅助标靶40两个标靶面的结构关系，两个隐身相机坐标系的相对旋转Rdb和平移Tdb有下列关系:
[0025]Y1 = X1 = RdbY2+Tdb = RdbX2+Tdb
[0026](I)
I O O ]「O 一
[0027]Rdb = O I O ;Tdb = ο
O 0-1bt
[0028]其中，X1、X2分别是双面辅助标靶40的两个标靶面上点的坐标；Y1、Υ2分别是双面辅助标靶40两个标靶面上的点在两个隐身相机坐标系中的坐标；位移向量Tdb中bt为双面辅助标靶40的厚度。
[0029]图6为本发明的镜头相背双相机方位标定装置的标定方法流程图，本发明的标定方法包括以下步骤:
[0030]S101，相隔一定距离摆放第一标定立柱21和第二标定立柱22，固定第二单面标靶44于第一辅助相机34的中心视野区域，固定第一单面标靶43于第二辅助相机33的中心视野区域，参见图3;
[0031]S102，启动第一辅助相机34拍摄读取第二单面标靶44相对第一辅助相机34的位置信息，启动第二辅助相机33拍摄读取第一单面标靶43相对第二辅助相机33的位置信息；
[0032]S103，置双面辅助标靶40于第一标定立柱21和第二标定立柱22中间，调整双面辅助标靶位置，使双面辅助标靶40的第一标靶面42位于第一辅助相机34的中央视野区域，双面辅助标靶的第二标靶面41位于第二辅助相机33的中央视野区域，参见图4 ；
[0033]S104,启动第一辅助相机34拍摄读取第一标祀面42相对第一辅助相机34的位置信息，启动第二辅助相机33拍摄读取第二标靶面41相对第二辅助相机33的位置信息，通过预定计算，标定第一辅助相机34和第二辅助相机33的相对旋转和位移；
[0034]S105换置待标定的镜头相背双相机30于第一标定立柱21和第二标定立柱22中间，启动镜头相背双相机30的第一相机31拍摄读取第一单面标靶43相对第一相机31的位置信息，启动镜头相背双相机30的第二相机32拍摄读取第二单面标靶44相对第二相机32的位置信息，通过预定计算，标定第一相机31和第二相机32的相对旋转和位移，参见图5。
[0035]如图7所示，作为本发明的进一步改进，步骤S104可进一步细化，包括如下步骤:
[0036]S201，设置双面辅助标靶40的第一标靶面42和第二标靶面41上的标靶图案，使两个标靶面的靶面图案对应，位置信息能通过预定计算相连；
[0037]S202,启动第一辅助相机34拍摄读取第一标祀面42相对第一辅助相机34的位置信息，启动第二辅助相机33拍摄读取第二标靶面41相对第二辅助相机33的位置信息；
[0038]S203,以双面辅助标靶40的两个标靶面的相对位置信息、两个标靶面相对两个辅助相机的位置信息为连接因素进行预定计算，标定第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移。
[0039]如图8所示，作为本发明的进一步改进，步骤S105可进一步细化，包括如下步骤:
[0040]S301，移除双面辅助标靶40，换置待标定的镜头相背双相机30于第一标定立柱21和第二标定立柱22中间，使第一单面标靶43位于镜头相背双相机30的第一相机31的中央视野区域，第二单面标靶44位于镜头相背双相机的第二相机32的中央视野区域；
[0041]S302，启动镜头相背双相机30的第一相机31拍摄读取第一单面标靶43相对第一相机31的位置信息，启动镜头相背双相机30的第二相机32拍摄读取第二单面标靶44相对第二相机32的位置信息；
[0042]S303，以两个单面标靶相对两个辅助相机的位置信息、两个单面标靶相对镜头相背双相机的两个相机的位置信息、两个辅助相机的相对旋转和位移为连接因素进行计算，标定第一相机31和第二相机32的相对旋转和位移。
[0043]为更加充分的理解本发明所述的技术方案，下面详细说明使用本发明的标定装置和方法进行标定和计算的过程。
[0044]1、首先，将两个标定立柱21、22相隔一定距离相对摆放(摆放距离根据标定范围可进行调整)；其次，将双面辅助标靶40置于两个标定立柱的中央，且处于两个辅助相机33,34的中央视野区域，固定放置，如图4所示。
[0045]2、用第一辅助相机34和第二辅助相机33分别对双面辅助标靶的第一标靶面42和第二标靶面41拍照(参见图4)，并对靶面图案进行识别，根据摄像机模型计算得到两个标靶面上靶面图案的圆心在各自辅助相机坐标系的坐标。第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移计算步骤如下:
[0046]首先，第一辅助相机34和第二辅助相机33分别对双面辅助标靶40的第一标靶面42和第二标靶面41拍照识别，根据摄像机模式可计算得到第一标靶面42和第二标靶面41的坐标点在第一辅助相机34和第二辅助相机33坐标系的相对关系:
[0047]Ybl = RblXbl+Tbl (2)
[0048]Yb2 一 Rb2^b2+Tb2 (3)
[0049]其中，Rbl和Tbl是第二标靶面41相对第二辅助相机33的旋转和平移；Rb2和Tb2是第一标靶面42相对第一辅助相机34的旋转和平移；Xbl，Xb2分别是第二标靶面41和第一标靶面42上点的坐标；Ybl，Yb2分别是第二标靶面41和第一标靶面42上点的坐标在第二辅助相机33和第一辅助相机34坐标系中对应的坐标。
[0050]其次，计算第一辅助相机34相对第二辅助相机33的旋转平移。根据公式(I)，双面辅助标靶的第一标靶面42上的点在第二标靶面41的隐含相机中的坐标Y42可确定如下:
[0051]Y42 — H+Tdb ⑷
[0052]根据第二辅助相机33和第二标靶面41之间的关系(参考(2)式)，以及第二标靶面41和其隐含相机之间关系(参考(I)式)，第一标靶面42上点在第二辅助相机33坐标系的坐标可确定如下:
[0053]Yb2 - RblYi2 + Tbx = R b\R dbX bl + ^bi^db + ^bl(S)
[0054]假设第一辅助相机34相对第二辅助相机33的旋转平移为R43和T43,那么(3)和
(5)有如下关系:
[0055]R43Yb2 + T43 = R43Rb2Xb2 + R43Tb2 + T43 = Yb\ = RblRdbXb2 + RblTdb + Tbx
[0056]经整理可得:
[0057]Ri, = RblRdbRrb2(6)
[0058]T43 一 RbiTdb+Tbi_R43Tb2
[0059]3、标定镜头相背双相机装置的相对位置，即第二相机32相对第一相机31的相对旋转和平移。采集和标定过程如下:
[0060]首先，第一辅助相机34和第二辅助相机33分别对第二单面标靶44和第一单面标靶43拍照识别，如图3所示，根据摄像机模型，第二单面标靶44的点和第一单面标靶43上的点在第一辅助相机34和第二辅助相机33坐标系中的对应关系为:
[0061]^33 = + Kl(7)
[0062]Yb\ 二 RlXbi + Tb\( 8 )
[0063]其中，R3b3和T3b3是第一单面标靶43相对第二辅助相机33的旋转和平移；R4b4和T4b4是第二单面标靶44相对第一辅助相机34的旋转和平移；Xb3，Xb4分别是第一单面标靶43和第二单面标靶44上点的坐标，Y3b3, Y4b4分别是第一单面标靶43和第二单面标靶44上点的坐标在第二辅助相机33和第一辅助相机34坐标系中对应的坐标。
[0064]其次，将待标定的镜头相背双相机置于两个标定立柱之间，并使两个单面标靶处于两辅助相机的中心视野区域固定，拍照识别，如图5所示。
[0065]根据摄像机模型，第一单面标靶43上的点和第二单面标靶44上的点在第一相机31和第二相机32坐标系中对应关系为:
[0066]G = R1b3Xb3 + Tl(9 )
[0067]Yl = Jf2bJbi + Tl( 10 )
[0068]其中，R1b3和T1b3是第一单面标靶43相对第一相机31的旋转和平移；R2b4和T2b4是第二单面标靶44相对第二相机32的旋转和平移；Xb3，Xb4分别是第一单面标靶43和第二单面标靶44上点的坐标，Y1b3, Y2b4分别是第一单面标靶43和第二单面标靶44上点的坐标在第一相机31和第二相机32坐标系中对应的坐标。
[0069]最后，根据辅助相机和单面标靶之间的关系，计算镜头相背双相机系统中第二相机32相对第一相机31的旋转R21和平移T21。
[0070]假设第一相机31和第二辅助相机33的相对旋转和平移分别为R13和T13。由于第一相机31和第二辅助相机33都可看见同一标靶，即第一单面标靶43，因此有下列关系:
[0071]^*!3^*3 +=汉nUb3 + ^13^*3 + ^13 ~ ^*3 = U+ ^*3
[0072]整理可得:
[0073]R13 = RUR1bzY (11)
[0074]7；3 = - R1^
[0075]由于第一辅助相机34和第二辅助相机33的相对旋转和平移已由(6)式确定，因此第二单面标靶44上的点在第一辅助相机34坐标系中的坐标和其在第二辅助相机33坐标系中的坐标Y3b4可由下式确定:
[0076]vb\ = R?Yb\ + r43 = R,Axbi + R?Tb\ + Ti2(12)
[0077]假设第二相机32和第一相机31的相对旋转和位移分别为R21和T21，那么第二单面标靶44上的点在第二相机32坐标系中的坐标和其在第一相机31坐标系中的坐标Y1b4可由下式确定(参照式(10)):
[0078]Yl = R2Jl + T21 = R21R2bJbi + RJl + T21( 13 )
[0079]再由式(11)，那么第二单面标靶44上的点在第二相机32坐标系中的坐标和其在第二辅助相机33坐标系中的坐标Y3b4也可由下式确定:
[0080]Yb\ = R13Yh + Tn = RHxbi + RizR2JL + RizT21 + Tn(14 )
[0081]对比式(12)和(14)，第二相机32和第一相机31的相对旋转R21和位移T21可确定如下:
[0082]R21 = RjRiXMiy (15)
[0083]T21 二 /P137(/P43^44 + Tiz - T13) - RA
[0084]自此，本发明给出了镜头相背双相机相对方位标定装置与方法的具体实现，本发明的优点总结如下:
[0085](I)双面辅助标靶的设计相对大型精密标定装置(如图1)，尺寸小，制作容易，便于运输保存，不易变形，而且一般工厂可自行制作，推广前景较好；
[0086](2)本发明的标定装置操作灵活、方便，标定范围可自行调节，不必制作不同尺寸的精密装置；
[0087](3)由于两个辅助相机和其相对放置的两个单面标靶夹角一般较小，受镜头畸变影响不大，因此可得到较高的标定精度；本设计已应用到新开发设计的便携式汽车四轮定位仪上，精度已完全满足应用要求，目前正在大力制造推广中。
[0088]需要特别指出地是，本发明公开了一种镜头相背双相机的标定装置和方法，但毫无疑问地，本发明也可应用到镜头相对双相机的相对姿态标定。应用于镜头相对的双相机方位标定时，只需将本发明的的双面辅助标靶置于待标定的镜头相对的双相机之间，调整姿态，使其处于相机的中央视野区域，拍照并进行标靶识别，根据双面标靶之间的相互关系，即可计算标定两镜头相对相机的相互旋转和位移，因原理一致，在此不再详述。
[0089]以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本【技术领域】的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
【权利要求】
1.一种镜头相背双相机相对方位标定装置，其特征在于，包括: 相隔一定距离置放的第一标定立柱和第二标定立柱，所述第一标定立柱上装设有第一辅助相机和位于所述第一辅助相机下方的第一单面标靶，所述第二标定立柱上装设有第二辅助相机和位于所述第二辅助相机下方的第二单面标靶；及 可移除地设置于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间的双面辅助标靶。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双面辅助标靶的第一标靶面和第二标靶面上设有靶面图案，两个所述标靶面的靶面图案外形一致，位置对应。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述靶面图案为5行5列的圆形阵列。
4.一种权利要求1所述装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)相隔一定距离摆放所述第一标定立柱和第二标定立柱，固定所述第二单面标靶于第一辅助相机的中心视野区域，固定所述第一单面标靶于第二辅助相机的中心视野区域； (2)启动所述第一辅助相机拍摄读取第二单面标靶相对第一辅助相机的位置信息，启动所述第二辅助相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第二辅助相机的位置信息； (3)置所述双面辅助标靶于第一标定立柱和第二标定立柱中间，调整双面辅助标靶位置，使所述双面辅助标靶的第一标靶面位于所述第一辅助相机的中央视野区域，所述双面辅助标靶的第二标靶面位于所述第二辅助相机的中央视野区域； (4)启动第一辅助相机拍摄读取所述第一标靶面相对第一辅助相机的位置信息，启动第二辅助相机拍摄读取所述第二标靶面相对第二辅助相机的位置信息，通过预定计算，标定所述第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移； (5)换置待标定的镜头相背双相机于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间，启动所述镜头相背双相机的第一相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第一相机的位置信息，启动所述镜头相背双相机的第二相机拍摄读取所述第二单面标靶相对第二相机的位置信息，通过预定计算，标定所述第一相机和第二相机的相对旋转和位移。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括: A)设置双面辅助标靶的第一标靶面和第二标靶面上的标靶图案，使两个标靶面的靶面图案对应，位置信息能通过预定计算相连； B)启动第一辅助相机拍摄读取所述第一标靶面相对第一辅助相机的位置信息，启动第二辅助相机拍摄读取所述第二标靶面相对第二辅助相机的位置信息； C)以所述双面辅助标靶的两个标靶面的相对位置信息、两个标靶面相对两个辅助相机的位置信息为连接因素进行预定计算，标定所述第一辅助相机和第二辅助相机的相对旋转和位移。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)包括: A)移除所述双面辅助标靶，换置待标定的镜头相背双相机于所述第一标定立柱和第二标定立柱中间，使所述第一单面标靶位于所述镜头相背双相机的第一相机的中央视野区域，第二单面标靶位于所述镜头相背双相机的第二相机的中央视野区域； B)启动所述镜头相背双相机的第一相机拍摄读取所述第一单面标靶相对第一相机的位置信息，启动所述镜头相背双相机的第二相机拍摄读取所述第二单面标靶相对第二相机的位置信息； C)以两个单面标靶相对两个辅助相机的位置信息、两个单面标靶相对镜头相背双相机的两个相机的位置信息、两个辅助相机的相对旋转和位移为连接因素进行计算，标定所述第一相机和第二相机的相对旋转和位移。
【文档编号】G06T7/00GK104240221SQ201310239442
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月18日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】武栓虎, 姜殿臣, 黎应奋 申请人:烟台大学