专利名称：基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法
技术领域：
本发明涉及计算机视觉领域，ー种以立方体为标定模板的基于计算机视觉立方体标定三维测量方法。
背景技术：
计算机视觉要达到的最終目的是实现对于三维景物的理解，即实现人类视觉系统的某些功能。计算机立体视觉研究的目的是利用ニ维投影图像恢复三维景物。在测量领域，尽管存在成熟的商业设备，但其标定系统复杂，需要精心地设计标定环境，且整个系统价格昂贵；更为关键的是，为保证精度，基于视觉的測量系统常常采用独立的高像素的单反相机作为图像获取设装备，这使得图像采集和測量两个过程必须分开完成，无法实时地得到測量結果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供ー种基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，该三维測量方法适用于多种场合，操作简单，并且具有很高的精度。为达到上述目的，本发明的构思是采用的标定物是ー个50*50*50mm3的标定立方体，并且自带夹持装置。首先对摄像机进行标定，得到摄像机的内外參数；再对获取的图像对进行特征点识别，匹配，最后计算出关键点的三维坐标及其恢复实际长度。根据上述发明构思，本发明采用如下的技术方案ー种基于计算机视觉立方体标定的三维测量。其特征在于，操作步骤如下
1.首先制作立方体。本发明的立方体尺寸为50*50*50mm3且带有夹持装置，表面贴有黒白标记模板(大黒白方框与三个小黑方块的组合图案)；
2.利用点阵图形模板来标定摄像机内參数，然后利用标定立方体标定摄像机外參及采集图像对；
3.然后利用SIFT方法对获得的图像对进行特征点识别，利用Flann进行特征点的匹
配；
4.最后计算出关键点的三维坐标，恢复实际长度。本发明与现有的技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步本方法只需表面贴有黑白标记模板的立方体，就能得到随着摄像机位置变动而引起改变的外參，操作简单，减小了人工干预带来的误差，提高了标定精度，扩大了标定范围；并且无需高精度的单反相机，降低的测量的经济成本；最重要的是能够实时的获取高精度的测量結果。该发明适用于计算机视觉中的摄像机标定，エ件測量，エ业设计等领域。
图I为标定立方体及其夹持装置等轴图。图2为标定立方体的各个方向的等轴图。
3
图3为本发明的基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法的流程图。图4为摄像机内参标定板。中心点到相邻中心点的距离为40mm,点阵数为4
x 6。图5为立体视觉的对极几何。图6为理想测量系统物理模型。 图7为理想测量系统几何模型。
具体实施例方式本发明的实施例结合附图详述如下
实施例一
参见图1和图3，本基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在于，包括以 下步骤
1)利用表面贴有黑白标记——大黑白方框与三个小黑方块的组合图案的立方体自带 夹持装置，作为标定物；
2)利用点阵图形模板来标定摄像机内参数，然后利用标定立方体标定摄像机外参及采 集图像对；
3)对获取的图像对利用SIFT方法进行特征点识别，匹配；
4)最后计算出关键点的三维坐标，恢复实际长度。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于
1)所述黑白标记为一套模板，并且各不相同。2)所述立方体标定物及其自带的夹持装置为50*50*50mm3，夹持装置可以在0到 50mm之间自由滑动固定。3)所述摄像机标定分为两个独立部分，内参与外参的标定。提取多幅图像，利用图 像坐标系，世界坐标系及其图像坐标系之间的关系得到投影矩阵，将投影矩证进行QR分解 得出摄像机的内外参数。4)所述以标定立方体任意一个黑白标记模板中心为三维坐标原点来求出摄像机 拍摄图片时的转移矩证，利用转移矩证来恢复关键点的三维坐标。实施例三
本发明的基本思想是以表面贴有黑白标记模板的立方体为标定物，移动摄像机，使其 一直处于摄像机视场区域内，从不同的角度拍摄两幅图片，即可完成摄像机的标定。标定后 利用SIFT方法对进行特征点识别，利用Flann进行特征点的匹配，计算出关键点的三维坐 标，最后恢复实际长度。下面结合具体的实施和附图对本发明做进一步的详细说明。图1为本实施例的标定立方体及其夹持装置。其中1-1为标定立方体装置，表面 贴有黑白标记模板，如图2所示，其中立方体四面都贴有黑白标记模板，另外两面为槽口， 方便于夹持装置的安装于卸载。1-2为夹持装置的导轨，1-3为夹持装置的定位滑块，可以 在导轨上任意滑动；1_2和1-3 —起用于对标定立方体的固定。图3为本实施例的摄像机标定法的流程图。如图所示，本实施例包含以下步骤步骤3-1 :制作ー个图I所示的立方体，四面贴有黑白标记模板。其中立方体尺寸为50*50*50mm3，黑白标记模板必须事先通过模式匹配的工具包训练成功，保证摄像头能够任意角度正确地识别，并且按顺序编号模板1，2，3，4。步骤3-2 :利用点阵图形模板来标定摄像机内參数，然后进行图像采集，利用标定立方体标定摄像机外參。摄像机标定是为了建立三维世界坐标与ニ维图像坐标之间的ー种对应关系。本实施例采用ー个摄像机进行图像采集。点阵图标定板规格如图4所示，中心点到相邻中心点的距离为40mm,点阵数为4 X 6。本实施例的标定方法需要摄像机从不同的角度拍摄点阵图形标定板的多幅图像标定摄像机内參A，即为得到焦距f，成像原点(％，V0) 0然后摄像机平移，使得标定立方体与測量物同时在摄像机视域内，获取一幅图像；然后平移摄像机，获取另一位置的图像。利用两次的位置关系即可获得摄像机的两个外參[R1 tj和[R2 t2]。摄像机为针孔I旲型，则空间点P (XW，YW，ZW)与图像点P (u, V)之间的映射关系为
其中，A=
.1/め O O I/も O O
vO
O U0 O
fy vO 0
O I O
为摄像机的内參，dx, dy
为每ー像素在X轴和y轴方向上的物理尺寸，( , v0)为以像素为单位的图像中心点的坐标，f为摄像机的焦距，fx=f/dx，fy=f/dy。[R t]为摄像机外參，令= Fw If,
= [κ V If，则上式可写为
为投影矩阵，它是标定
，其中/f = A[rj r2 t] = Ihl / = si asm = HML%i
板上的点和其像点之间的映射。在已知空间点和其对象点后，可根据最小ニ乘方程，采用Levenberg-Marquardt算法求解得到H矩阵,将投影矩阵H利用QR分解分解出摄像机内參A，和外參[R t]。得到摄像头的[Ri tj和[R2 t2]后，即可完成摄像机姿态估计摄像头拍摄弟一幅图像I时，此时摄像头在以标定立方体上任意一个黑白标记模板(假设为模板I)中心为原点的转移矩阵为[R1 tj ;拍摄另一幅图像2，利用同样的方法得到此时摄像头在以任意一个黑白标记模板(假设为模板2)中心为原点的转移矩阵[R2 t2]。由于两转移矩证的坐标系不同，此时必须将两矩阵转换到同一坐标系下将两个黒白标记模板中心
之间的转移矩证M12乘以转移矩阵[R2 t2]得到！^ 41 - BP [4 41=^[^ら](此时
权利要求
1.ー种基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤 1)利用表面贴有黑白标记——大黒白方框与三个小黑方块的组合图案的立方体自带夹持装置，作为标定物； 2)利用点阵图形模板来标定摄像机内參数，然后利用标定立方体标定摄像机外參及采集图像对； 3)对获取的图像对利用SIFT方法进行特征点识别，匹配； 4)最后计算出关键点的三维坐标，恢复实际长度。
2.根据权利要求I所述的基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在干，所述黑白标记为ー套模板，并且各不相同。
3.根据权利要求I所述的基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在干，所述立方体标定物及其自带的夹持装置为50*50*50mm3，夹持装置可以在O到50mm之间自由滑动固定。
4.根据权利要求I所述的基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在干，所述摄像机标定分为两个独立部分，内參与外參的标定；提取多幅图像，利用图像坐标系，世界坐标系及其图像坐标系之间的关系得到投影矩阵，将投影矩证进行QR分解得出摄像机的内外參数。
5.跟据权利要求I所述的基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法，其特征在干，所述以标定立方体任意一个黑白标记模板中心为三维坐标原点来求出摄像机拍摄图片时的转移矩证，利用转移矩证来恢复关键点的三维坐标。全文摘要
本发明公开一种基于计算机视觉立方体标定的三维测量方法。该方法包括以下几个步骤制作一个立方体，并且表面贴有黑白标记模板(大黑白方框与三个小黑方块的组合图案)；通过标定板标定来获取摄像机内参；然后提取图像对，通过对标定立方体进行计算求得摄像机的外参，完成摄像机的标定。再对获取图像对进行特征点识别，匹配，最后计算出关键点的三维坐标及其恢复实际长度。采用本发明的三维测量方法，操作简单，成本低廉，能够实时的获取测量结果，扩大了三维测量的应用范围。
文档编号G01C11/00GK102914295SQ20121035236
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者张林剑, 姚远, 詹航敏, 黄小虎, 车雨芳 申请人:上海大学