基于高精度辅助相机和球靶标的多摄像机全局校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及摄像机全局校准的技术领域，具体涉及一种基于高精度辅助相机和球 靶标的多摄像机全局校准方法。
【背景技术】
[0002] 三维视觉系统具有非接触、可检测对象众多、速度快和测量精度较高等优点，广泛 应用在国民经济和科学研究等领域。对单个视觉传感器，测量的空间范围有限。所以需要多 个视觉传感器协同，组成一个测量范围更大的三维视觉系统。在多传感器视觉系统中，需要 将各个传感器的测量数据统一起来，从整体上一致地描述整个被测对象。因此，需要将各个 视觉传感器的测量结果统一到世界总体坐标系中，即对全部视觉传感器进行全局校准。测 量精度是视觉系统的重要指标，而全局校准的精度直接影响视觉系统的测量精度。在多数 视觉系统的实际应用中，被测对象的结构和所处环境都比较复杂，从而导致视觉传感器的 布局复杂，甚至许多传感器之间并无公共视场。视觉系统的这些特征，要求全局校准方法应 该具有精度高和柔性好的特点，并且能够校准布局复杂且无公共视场的多视觉传感器。
[0003] -些传统的全局校准方法[参考文献1-3]依赖于各个传感器视场之中的特征点 的相互匹配，这类方法无法适用于无公共视场的情况。为了克服无公共视场的限制，Luo [参 考文献4]采用双经炜仪进行全局校准，Kitahara等人[参考文献5]用激光跟踪仪来完 成全局校准，他们均利用高精度辅助设备在空间中重建三维特征点，从而建立各个传感器 坐标系到世界坐标系的转换关系。但是当现场空间较小时，外部辅助设备存在观测盲区， 甚至无法放置这些辅助设备。在视频监控和跟踪等领域，Esquivel等人[参考文献6]和 Pflugfelder等人[参考文献7]利用自标定的方法，即视觉传感器通过观测视场内具有特 定结构的目标对象来对无公共视场多视觉传感器进行全局校准。但是在工业测量中，很难 获取满足要求的场景信息，而且自标定方法的精度很难满足视觉测量的要求。Kumar等人 [参考文献8]利用平面镜，让无公共视场的多个视觉传感器观测到同一个靶标，从而实现 全局校准。但是在复杂的视觉系统中，无法确保所有传感器都清晰地观测到靶标。Liu等人 [参考文献9]利用双平面靶标的固定约束关系实现两个视觉传感器的全局校准，此方法能 够获得较高的校准精度，但是只能通过两两校准的方式来对多传感器进行全局校准，这会 对最终的校准精度造成影响。Liu等人[参考文献10]提出了一种基于两组倾斜激光线的 全局校准方法，可以校准各种视场角度的传感器，柔性较好。可是面对布局复杂的多个视觉 传感器时，此方法不易于现场操作。
[0004] 本发明参考文献如下：
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【发明内容】
[0015] 本发明的目的为：1)针对复杂环境无公共视场的多摄像机系统，现有的全局校准 方法操作复杂，甚至很难实现。而本方法可以快捷方便地完成工业现场复杂环境下的校准 任务。2)基于球靶标的多摄像机全局校准，目前研究较少。球靶标具有各向同性的特点，便 于被局部摄像机和全局摄像机从不同方向同时观测，相比于其它一维和二维靶标，观测盲 区大大减少。3)现有的多摄像机全局校准方法，大多采用"两两校准"的方法。而本方法可 以通过一次校准操作，实现无公共视场多摄像机的全局校准，避免了"两两校准"所造成的 精度损失。4)针对球心三维坐标的单视图重构，现有方法采用椭圆一般方程来拟合球图像 边缘，计算复杂并且精度不高。本文中建立了三自由度球投影模型，进而采用三自由度的参 数方程来拟合球图像边缘，大大提高球心重构精度，并简化了计算过程。
[0016] 本发明采用的技术方案为：一种基于高精度辅助相机和球靶标的多摄像机全局校 准方法，该方法的步骤为：
[0017] 步骤（1)、安装固定内参已提前标定过的多个摄像机，在每个待校准摄像机视场内 合适位置处摆放至少三个球靶标，并避免相互遮挡，在合适位置固定一个高精度全局摄像 机，使所有球靶标都在其视场之内，并以全局摄像机坐标系为世界坐标系；
[0018] 步骤（2)、将球靶标在合适位置摆放多次，每个摄像机拍摄各自视场内的球靶标， 全局摄像机拍摄所有球靶标；
[0019]步骤（3)、对于每一组球靶标，重构它们的球心在摄像机坐标系和世界坐标系中的 三维坐标，并利用非线性优化的方法求解摄像机坐标系和世界坐标系的转换矩阵，从而完 成所有摄像机的全局校准。
[0020] 其中，所述的高精度