基于多相机阵列大尺寸视觉测量系统的标定系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于相机标定技术领域，特别涉及一种基于多相机阵列大尺寸视觉测量系 统的快速标定系统及方法。
【背景技术】
[0002] 工业现场中，大尺寸零件加工与装配尺寸的在线测量对检测效率与精度提出了很 高要求。由于视觉测量的视野与精度的矛盾关系，现有的测量方法常借助于移动导轨、柔性 机械臂等可控运动装置与摄像机配合，通过移动相机或被测零件，实现大视野大尺寸的测 量，但这势必降低测量效率，运动精度也会影响最终的标定精度。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种简单、高效、高精度、通用的基于多相 机阵列大尺寸视觉测量系统的标定系统及方法。
[0004] 本发明的系统所采用的技术方案是:一种基于多相机阵列大尺寸视觉测量系统的 标定系统，其特征在于:包括第一摄像机、第二摄像机、第一标定板、第二标定板和标准杆； 所述第一标定板和第二标定板上均设有标记点阵列;所述第一标定板和第二标定板均可水 平移动地安装在所述标准杆上，所述第一标定板位于所述第一摄像机的视场范围，所述第 二标定板位于所述第二摄像机的视场范围。
[0005] 作为优选，所述标准杆上设置有两组定位孔:第一组定位孔和第二组定位孔，所述 第一标定板和第二标定板分别通过所述第一组定位孔和第二组定位孔配合定位销固定在 所述标准杆上。
[0006] 作为优选，所述标记点为圆形标记点，所述标记点阵列为按Μ列XN行排列的阵列， Μ、Ν均为奇数，标记点阵列中心标记点直径为η，标记点阵列中间列最下端标记点和第一行 最右端标记点直径为?，剩余标记点直径均为?，ri〈r2〈r3。
[0007] 本发明的方法所采用的技术方案是:一种基于多相机阵列大尺寸视觉测量系统的 标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 步骤1:分别采用第一摄像机和第二摄像机拍摄位于其视场范围内的第一标定板 和第二标定板的影像，构建第一摄像机坐标系、第二摄像机坐标系;基于第一标定板所处位 置建立第一物体坐标系Oi-XoiYcaZca，其中，Oi-XcaYca表示第一标定板所在平面，0!为第一标 定板中心特征点，OiXc^ChYca分别与第一标定板的两条相垂直的对称轴重合;同理基于第二 标定板所处位置建立第二物体坐标系0 2_Χ〇2Υ〇2Ζ〇2;所述特征点即标记点中心；
[0009] 步骤2:根据摄像机小孔成像理论获得特征点的像素坐标和在第一物体坐标系下 物点坐标的关系：
[0010]
[0011] 其中：所述特征点即标记点中心，31表示比例因子，（U1，V1)表示第一标定板特征点 的像素坐标，（1。 1，7。1，2。1)表示第一标定板上特征点在第一物体坐标系下坐标， 2。1 = 0;
甴摄像机内参决定，αχ1和ayl分别表示第一摄像机横向和纵向的等效 像素焦距;&为位置矩阵，由旋转矩阵向量和平移向量决定
表示旋转矩阵向 量，[tlx tly tiz]1'表示平移向量;Hi表示第一标定板特征点在第一标定板影像上像素点集和 在第一物体坐标系下特征点集间的位置变换矩阵；
[0012] 步骤3:基于第一标定板特征点在第一标定板影像上像素点集和在第一物体坐标 系下特征点集，经奇异值分解求解矩阵Hi初值，经LM法优化得矩阵出；
[0013] 步骤4:基于矩阵出，利用公式（1)获得反映第一摄像机坐标系与第一物体坐标系 间位置关系的位置矩阵6:，并获得第一标定板上特征点在第一摄像机系下坐标；
[0014] 步骤6:根据第一组定位孔和第二组定位孔间的位置关系获知第一物体坐标系和 第二物体坐标系间的位置关系，从而获得第一标定板上特征点在第二摄像机坐标系下坐 标；
[0015] 步骤7:采用向量Η表示第一摄像机坐标系和第二摄像机坐标系间的位置关系
基于第一标定板上特征点在第一摄像机坐标系和第二摄像机坐标系下坐 标集，经奇异值分解求解矩阵Η初值，经LM法优化获得矩阵Η。
[0016] 为提高标定效率和标定精度，本发明采用基于多相机阵列的标定方法，即各待测 特征点放置一相机，获得各特征点在对应相机坐标系下坐标。然后通过各相机间的位置关 系，将各特征点坐标转换到同一相机坐标系中。多相机间位置关系的确定则是本发明标定 方法所解决的技术难点。
[0017] 和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:标定过程简单，可实现高效、 尚精度的相机标定，通用性好。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的系统原理不意图；
[0019] 图2为本发明实施例的标定板(第一标定板和第二标定板）以及标定板上标记点分 布图。
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图及实施例，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用 于限定本发明。
[0021] 请见图1和图2,本发明提供的一种基于多相机阵列大尺寸视觉测量系统的标定系 统，包括第一摄像机、第二摄像机、第一标定板、第二标定板和标准杆;第一标定板位于第一 摄像机的视场范围，第二标定板位于第二摄像机的视场范围。第一标定板和第二标定板上 均设置有圆形标记点阵列，标记点阵列为按Μ列XN行排列的阵列，M、N均为奇数，标记点阵 列中心标记点直径为η，标记点阵列中间列最下端标记点和第一行最右端标记点直径为r 3， 剩余标记点直径均为r2，ri〈r2〈r 3;标准杆上设置有两组定位孔:第一组定位孔和第二组定 位孔，第一标定板和第二标定板分别通过第一组定位孔和第二组定位孔配合定位销固定在 标准杆上。
[0022] 下面结果附图对本发明的方法做进一步的阐述：
[0023] 请见图1，建立第一摄像机坐标系0cl-XclYclZcl，其中，0 cl为第一摄像机光心，0clZcl 与第一摄像机光轴重合，〇。111、〇。111分别与第一摄像机图像传感器的横轴和纵轴平行。采 用同样的方法建立第二摄像机坐标系Oc^-XdiYc^Zdi，即0。2为第二摄像机光心，0 C2Zc2与第二摄 像机光轴重合，〇。212、〇。#。 2分别与第二摄像机图像传感器的横轴和纵轴平行。
[0024] 由于第一组定位孔和第二组定位孔间位置关系为平移关系，则可采用平移向量t 表示第一组定位孔和第二组定位孔的位置关系。当然，在定位孔加工完成后，采用三坐标测 量机获得两组定位孔间的位置关系[R，t]，由于两组定位孔间为平移位置关系，所以这里可 忽略旋转矩阵向量R。
[0025] 定位时，每组定位孔中选择两个定位孔将标定板固定于标准杆，即在第一组定位 孔和第二组定位孔中分别选择两个位置对应的定位孔，分别用来将第一标定板和第二标定 板固定于标准杆，这样才能保证第一标定板和第二标定板间仅存在平移位置关系。
[0026] 本发明中，根据两组定位孔间的位置关系，获得通过定位孔固定的第一标定板和 第二标定板上特征点间的位置关系。基于第一标定板所处位置建立第一物体坐标系Ch-Χο?Υο?Ζ。!，其中，Oi-XcaYca表示第一标定板所在平面，0!为第一标定板中心特征点，(hXca、OiYca 分别与第一标定板的两条相垂直的对称轴重合。通过图像处理，可得到第一标定板中各特 征点(特征点即标记点中心）在第一物体坐标系下的坐标集^二⑷心^心丨^表示第一 标定板中特征点数。同理，建立第二标定板对应的第二物体坐标系〇 2^。22。2，得到第二标 定板中各特征点在第二物体坐标系下的坐标集I 2={qi，q2, . . .qn}，这里，η表示第二标定板 中特征点数。坐标集1:和12间存在位置关系I 2 = Ii+t，即第二标定板特征点在第一物体坐标 系 0ι-Χ〇ιΥ〇ιΖ〇ι 下坐标为 Ii+t。
[0027] 具体实施中，标定板及标记点分布设计见图2,其中AL表示用来固定标定板的两 定位销的间距，Φ d表示定位销直径。标定板为平面矩形硬质薄板，标记点为按Μ列X N行排 列的圆阵列，各行各列中标记点的中心共线，Μ、Ν均为奇数，Μ、Ν的取值与相机视野范围有 关，一般，相机视野范围较大，Μ、Ν可取较大值;相机视野范围较小，Μ、Ν可取较小值。圆阵列 的行间距和列间距分别为Ay、Ax，Ay、Ax的取值与相机视野范围有关。本具体实施中，相 机视场范围为600mm X 600mm，标记点间距Ay、Λχ均为80mm，Μ、N均为7。
[0028] 为便于建立物体坐标系，将标记点设为三种直径^^、^^〈^〈^，圆阵列中心标 记点直径为n，圆阵列中间列最下端标记点直径为r3,圆阵列第一行最右端标记点直径也为 r3;剩余标记点直径均为r2。以圆阵列中心标记点的中心为原点，以面积最小标记点和圆阵 列中间列中面积最大标记点的中心连线作为Y轴;垂直于Y轴，过原点建立X轴，从而可获得 物体坐标系。
[0029] 通过已有的内参标定法获得第一摄像机和第二摄像机的成像参数，假设第一摄像 机和第二摄像机的透视投影矩阵分别为 其中，分别为第一摄像机和第二摄像机的焦跟。
[0030] 第一标定板上任一特征点，其在第一摄像机坐标系(^^。"。以^下的物点坐标设为 (XC1，ycl，z cl)，其对应的图像传感器像点物理坐标为(Xi，Yi)，对应的像素坐标为(m，V1)，根 据摄像机小孔成像理论，则有：
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[0032]
[0033]式（1)中，（mm)为第一摄像机的主点像素坐标;dXjPdY^别表示横向像元和 纵向像元的大小;si表示一比例因子。
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