一种基于共面点的体视显微镜标定方法、装置及系统与流程

本发明涉及计算机视觉测量，更具体地，涉及一种基于共面点的体视显微镜标定方法、装置及系统。

背景技术：

1、在计算机视觉测量领域中,摄像机标定是从图像信息获取空间信息必不可少的步骤，具体是根据获取的图像信息来确定摄像机内部参数，畸变参数和外部参数的过程。相机参数的标定非常关键，其标定结果的准确性直接影响后续图像测量结果的准确性。

2、目前，有诸多相对成熟的宏观标定方法，如matlab和opencv自带的标定工具箱。然而，由于体视显微镜的景深和视场较小的原因，宏观标定方法无法直接使用。针对体视显微镜的标定研究较少，体视显微镜的标定精度有待提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种基于共面点的体视显微镜标定方法，提高了体视显微镜的标定精度，为后续进行的图像测量结果的准确性做准备。

2、作为本发明的第一个方面，提供一种基于共面点的体视显微镜标定方法，通过标定板对体视显微镜进行标定，所述体视显微镜包括ccd摄像机，所述基于共面点的体视显微镜标定方法包括如下步骤：

3、步骤s1：获取所述ccd摄像机采集到的标定板图像信息；

4、步骤s2：建立ccd摄像机针孔模型，并根据所述ccd摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式；

5、步骤s3：根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述ccd摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述ccd摄像机的内外参数初始标定值；

6、步骤s4：采用基于lm算法的光束平差法对所述ccd摄像机的内外参数初始标定值进行优化，以得到所述ccd摄像机的内外参数优化标定值。

7、进一步地，所述建立ccd摄像机针孔模型，并根据所述ccd摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，还包括：

8、所述体视显微镜的标定包括ccd摄像机内参数的标定和ccd摄像机外参数的标定；所述ccd摄像机内参数包括尺度因子fu、fv和主点坐标(u0，v0)；所述ccd摄像机外参数包括平移矩阵t和旋转矩阵r；在标定过程中，需要先得到所述ccd摄像机的内参数，在求得内参数的基础上，求解ccd摄像机的外参数；

9、根据所述ccd摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式为：

10、

11、其中：s为比例因子，fu、fv为ccd摄像机的尺度因子，(u0，v0)为ccd摄像机的主点坐标，r11、r21、r31、r12、r22、r32、tx、ty、tz均为常数，a为ccd摄像机的内参矩阵，rt为ccd摄像机的外参矩阵，(xw，yw)为标定板中一点p在世界坐标系下的三维空间坐标，(u，v)为p点在像素坐标系下的像素坐标。

12、进一步地，所述根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述ccd摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述ccd摄像机的内外参数初始标定值中，还包括：

13、采用变倍率法对所述ccd摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定；

14、采用基于共面点的标定方法对所述ccd摄像机的尺度因子fu、fv进行标定；

15、采用基于共面点的标定方法对所述ccd摄像机的平移矩阵t和旋转矩阵r进行标定。

16、进一步地，所述采用变倍率法对所述ccd摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定中，还包括：

17、设相机坐标系下的标定板中任一点的坐标为(xc,yc,zc)，理想情况下，该点的像素坐标(u',v')为：

18、

19、其中，r是任一放大倍率，(u0,v0)是ccd摄像机的主点坐标，将式(2)中的r消去，得到直线方程：

20、

21、即在任何放大倍率下，该点的像素坐标(u',v')都在同一直线上，且该直线一定经过摄像机主点坐标(u0,v0)；为了求取摄像机主点坐标(u0,v0)，选定标定板中4个点，该4个点在图像投影平面上不重合，令这4个点分别在不同放大倍率下进行投影，利用最小二乘法对获得的4条直线进行拟合，并用最小二乘法求取4条直线的交点坐标即所述ccd摄像机的主点坐标(u0,v0)。

22、进一步地，所述采用基于共面点的标定方法对所述ccd摄像机的尺度因子fu、fv进行标定中，还包括：

23、通过矩阵相乘，将公式(1)转化为：

24、

25、

26、其中，h为单应性矩阵，h1～h8均为常数；

27、通过公式(4)和公式(5)，消除比例因子s和tz，得到：

28、

29、对于棋盘格标定板上的每一个角点，都对应上述公式(6)两个方程，则n个角点能得到n个上述公式(6)方程组，其中n≥4，联立这n个方程组得到形如ax＝b的矩阵方程，a是一个2n×8的矩阵；

30、将标定板中p点的三维空间坐标(xw，yw)和像素坐标(u，v)进行归一化处理，使得这些坐标以原点为中心，距离原点均值为使用svd分解法求解出矩阵方程ax＝b中x的值；将x的值反向归一化求解得到h1～h8；

31、旋转矩阵r本身具有正交性，因此有r11r12+r21r22+r31r32＝0，结合上述一系列公式继续分离公式(5)，并经过一系列的数学变换求出所述ccd摄像机的尺度因子fu和fv的值：

32、

33、其中，公式(7)是一个齐次线性方程组，方程组具有唯一的一个线性解，能够直接求出fu和fv的解。

34、进一步地，所述采用基于共面点的标定方法对所述ccd摄像机的平移矩阵t和旋转矩阵r进行标定中，还包括：

35、在求出尺度因子fu和fv后，摄像机的平移矩阵t和旋转矩阵r也能够求出；由式子可以求出tz；

36、

37、得到tz后，根据公式(5)求出单应性矩阵h；当h已知时，根据公式(9)求出平移矩阵t以及旋转矩阵r的第一列元素的值和第二列元素的值；

38、

39、根据旋转矩阵r的正交性，由旋转矩阵r的第一列和第二列叉积得到旋转矩阵r的第三列元素的值；

40、

41、根据旋转矩阵r的第一列元素的值、第二列元素的值和第三列元素的值，最终得到所述ccd摄像机的旋转矩阵r。

42、进一步地，所述采用基于lm算法的光束平差法对所述ccd摄像机的内外参数初始标定值进行优化，以得到所述ccd摄像机的内外参数优化标定值，还包括：

43、采用旋转向量rv将旋转矩阵中九个参数缩减为三个；设旋转向量rv的单位向量r＝[rx ry rz]t，旋转角度为θ，旋转角度θ是旋转向量rv的模长，对应的旋转矩阵为r，则r到r的转换为公式(11)：

44、

45、其中，i为三阶单位矩阵；反过来r到r的转换为公式(12)：

46、

47、旋转向量rv通过单位向量r和模长θ乘积得到，即rv＝r·θ，只有三个参数；因此旋转矩阵r的待优化参数简化为三个，结合摄像机畸变模型对旋转矩阵r的待优化参数进行优化，其中摄像机畸变模型描述为公式(13)和公式(14)：

48、

49、

50、其中，(xu,yu)是理想的图像坐标，(xd,yd)是畸变后的图像坐标，表示像点到图像中心点的距离，k1、k2是径向畸变系数，p1，p2为切向畸变系数；

51、将已求得的ccd摄像机标定参数值作为初始标定值，利用优化算法公式(15)对摄像机内外参数初始标定值进行整体优化，其中，旋转矩阵r的优化是先将旋转矩阵r通过公式(12)转换为旋转向量rv，然后通过公式(15)对旋转向量rv进行优化以得到优化后的旋转向量rv，然后将优化后的旋转向量rv再通过公式(11)转换为优化后的旋转矩阵r；对ccd摄像机内外参数的优化是基于最大似然估计准则，对于给定的n个标定板图像提供的m×n个标定点坐标，ccd摄像机内外参数的最优化问题通过优化算法公式(15)的最小化问题来表达：

52、

53、其中，m代表第i幅标定板图像棋盘格角点的总个数，n代表标定板图像的总个数，mi,j是世界坐标系的空间点，代表点mi,j按照公式(1)、公式(13)和公式(14)转化成在第i幅标定板图像的投影点，a是摄像机的内参矩阵，k1,k2是径向畸变系数，p1,p2是切向畸变系数，ri和ti是第i幅标定板图像的外参矩阵。

54、作为本发明的第二个方面，提供一种基于共面点的体视显微镜标定装置，包括：

55、获取模块，用于获取所述ccd摄像机采集到的标定板图像信息；

56、建立模块，用于建立ccd摄像机针孔模型，并根据所述ccd摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式；

57、标定模块，用于根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述ccd摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述ccd摄像机的内外参数初始标定值；

58、优化模块，用于采用基于lm算法的光束平差法对所述ccd摄像机的内外参数初始标定值进行优化，以得到所述ccd摄像机的内外参数优化标定值。

59、作为本发明的第三个方面，提供一种基于共面点的体视显微镜标定系统，包括体视显微镜和工业控制计算机，所述体视显微镜包括ccd摄像机，所述工业控制计算机包括前文所述的基于共面点的体视显微镜标定装置，所述ccd摄像机用于对标定板进行拍摄，以采集标定板图像信息，并将采集到的标定板图像信息上传给所述工业控制计算机，所述工业控制计算机完成对所述体视显微镜的标定。

60、进一步地，所述标定板放置在精密数控位移平台上，其待拍摄区域位于体视显微镜的视场内；所述精密数控位移平台通过导轨与机床床身安装在一起，所述机床床身置于地面；所述体视显微镜通过导轨安装在机床床身上；所述体视显微镜的内部固定有用于提供照明的led光源；所述ccd摄像机通过螺纹安装在所述体视显微镜上；其中，所述体视显微镜将所述标定板的图像进行放大，使用所述ccd摄像机采集放大后的标定板图像信息，所述ccd摄像机并将所述放大后的标定板图像信息通过网线传递到所述工业控制计算机内进行图像数据处理。

61、本发明提供的一种基于共面点的体视显微镜标定方法具有以下有益效果：解决了体视显微镜标定时透镜多、视场狭窄、景深小、具有一定放大倍率并包含有较多的畸变因素的技术问题，提高了体视显微镜的标定精度。