基于張正友平面模板法的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定

岳曉峰， 祁歡

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量是一種新的視覺(jué)應(yīng)用概念，其理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的概念和方法，可以應(yīng)用在測(cè)量空間幾何尺寸和對(duì)物體空間位置的精確定位中［1］。這種以計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為理論基礎(chǔ)的測(cè)量技術(shù)中的重要手段就是圖像傳感器，通過(guò)圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的檢測(cè)，同時(shí)還能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、尺寸等相關(guān)信息的檢測(cè)。

在雙目視覺(jué)測(cè)量中，將圖像采集卡與攝像機(jī)相連接，圖像采集卡可以是單通道也可以是雙通道的，然后將獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字圖像，將這些數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)。兩臺(tái)攝像機(jī)的位置通常都是沿著它們的基線放置，兩攝像機(jī)的光軸相互成一定角度或平行，保證在左、右兩個(gè)攝像機(jī)像平面上都有待測(cè)點(diǎn)的成像點(diǎn)［2］。“視差”即用來(lái)定義左、右兩個(gè)成像點(diǎn)坐標(biāo)之間的差異。極線約束可以對(duì)在尋找兩幅圖像中的公共特征點(diǎn)過(guò)程中進(jìn)行約束，使之滿足一定的約束條件。圖像匹配的目的也是為了尋找兩幅圖像中共有的特征點(diǎn)。通過(guò)標(biāo)定，可以知道攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，然后計(jì)算出視差，再根據(jù)給出的實(shí)驗(yàn)所用的攝像機(jī)模型，就可以得到被測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

1 雙目視覺(jué)測(cè)量

圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、雙目視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建這六個(gè)部分構(gòu)成一個(gè)完整的雙目視覺(jué)系統(tǒng)［3］。在獲取圖像的過(guò)程中，離不開(kāi)照明系統(tǒng)和圖像采集卡等采集系統(tǒng)。在采集過(guò)程中的影響因素有很多，例如外界的環(huán)境因素、攝像機(jī)的拍攝角度等因素都會(huì)對(duì)圖像的質(zhì)量產(chǎn)生影響。采集到的圖像中所包含的信息要盡可能的完整精確，這樣才能準(zhǔn)確地進(jìn)行圖像處理分析等操作。如前所述，攝像機(jī)標(biāo)定是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，對(duì)雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定就是要得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在使用雙目視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量物體的三維信息前，必須要做好標(biāo)定工作。無(wú)論是進(jìn)行圖像匹配還是完成測(cè)量，特征提取都是必不可少的步驟。拍攝的左右圖像的關(guān)系的建立是通過(guò)圖像匹配來(lái)完成的，圖像匹配是完成視差計(jì)算前提條件。利用雙目視覺(jué)實(shí)現(xiàn)空間三維測(cè)量是整個(gè)系統(tǒng)的最后一個(gè)階段，利用點(diǎn)在圖像中的視差和攝像機(jī)模型計(jì)算出空間點(diǎn)的坐標(biāo)，完成測(cè)量任務(wù)。

圖1 雙目視覺(jué)系統(tǒng)功能框圖

圖1為雙目視覺(jué)系統(tǒng)功能框圖。首先，需要一個(gè)含有左右兩個(gè)攝像機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，完成攝像機(jī)標(biāo)定，得到內(nèi)外參數(shù)，然后進(jìn)行雙目系統(tǒng)標(biāo)定，得到系統(tǒng)參數(shù)。測(cè)量時(shí)，不同位置的兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)拍攝同一場(chǎng)景，得到左右兩幅圖像。兩幅圖像通過(guò)圖像采集卡輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中完成圖像分析與處理，提取出有用的特征點(diǎn)，然后對(duì)圖像進(jìn)行匹配。通過(guò)一系列的計(jì)算，得出空間點(diǎn)的坐標(biāo)。

因?yàn)槭褂秒p目系統(tǒng)所拍攝的是兩幅同一場(chǎng)景中的不同角度的圖像，所以可以將其模型看成是由兩個(gè)單目模型組成的［4］。如圖 2 所示，表示為空間一點(diǎn)在雙目系統(tǒng)中的成像模型。其中，點(diǎn)P為空間中任一點(diǎn)，C1為左攝像機(jī)，C2為右攝像機(jī)。用C1觀察點(diǎn)P，P1是點(diǎn)P在C1像平面上的點(diǎn)，可以知道，點(diǎn)O1、P、P1這三個(gè)點(diǎn)必定在一條直線上，但是，P1點(diǎn)的位置并不是確定的，因此由P1的位置，只能知道點(diǎn)P在O1P1的連線上，P點(diǎn)的深度不確定。如果用 C1、C2同時(shí)觀察點(diǎn) P，同理點(diǎn) P 也在 O2、P2、P 三點(diǎn)的連線上，那么就可以確定出P點(diǎn)的位置，為射線O1P1和射線O2P2的交點(diǎn)。

圖2 雙目立體視覺(jué)成像原理

2 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定

2.1 雙目立體視覺(jué)標(biāo)定原理

攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)際上是要求出6個(gè)外部參數(shù)、5個(gè)內(nèi)部參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)和平移矩陣R和T中的三個(gè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度和坐標(biāo)系平移量（fu=f/Sx，fv=f/Sy，u0，v0，μ），以及各種畸變系數(shù) k1、k2、p1、p2、s1、s2等。若不考慮離散后像素變形（不是矩形方塊）或者成像平面不與光軸正交，則可以不考慮畸變因子μ。一般情況下，只考慮徑向畸變系數(shù)，并設(shè)k1=k2=k。

2000年ZHANG Zhengyou［5］提出了一種平面模板法。該方法的主要思想是：標(biāo)定時(shí)，設(shè)內(nèi)部參數(shù)為定值，保持不變，那么從任何方向或角度去拍攝標(biāo)定模板，只有外部參數(shù)時(shí)刻變化。該方法運(yùn)用特征點(diǎn)之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)圖像數(shù)據(jù)歸一化求解模板與圖像之間的單應(yīng)矩陣。平面模板標(biāo)定法利用的是標(biāo)定板上的標(biāo)志點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后在攝像機(jī)前按照不同的角度將標(biāo)定板轉(zhuǎn)動(dòng)幾次就可以了，但是每次拍攝的圖像必須包含所有標(biāo)志點(diǎn)。由于平面模板法避免了傳統(tǒng)方法對(duì)設(shè)備要求高、操作繁瑣等缺點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單、方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且標(biāo)定模板的獲得也比較容易，成本也不高，所以本文采用此方法進(jìn)行標(biāo)定。

2.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

2.2.1 攝像機(jī)標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)

1）打印模板并貼在一個(gè)平面上。

2）利用兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝若干張不同角度不同位置的標(biāo)定板圖像。

3）計(jì)算并檢測(cè)標(biāo)定圖像中的所有標(biāo)志點(diǎn)。

4）求解出各標(biāo)定圖像中的單應(yīng)矩陣H。

5）設(shè)畸變系數(shù)為0，通過(guò)矩陣H求解得到攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

圖3 雙目測(cè)量系統(tǒng)

6）得到的內(nèi)外參數(shù)作為初始值，另外把畸變因素包括在內(nèi)做非線性優(yōu)化，這樣可以求解出更高精度的一組攝像機(jī)參數(shù)值并兼并求得各畸變系數(shù)［6］。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

攝像機(jī)標(biāo)定一般可以分為兩種，分別是傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定和攝像機(jī)自標(biāo)定［7］。從計(jì)算方法的角度上來(lái)看，傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法有：透視變換法、兩步法、雙平面標(biāo)定法和張正友平面模板法。本實(shí)驗(yàn)所采用維視圖像的CCAS單雙目視覺(jué)標(biāo)定算法軟件，該系統(tǒng)所用的標(biāo)定方法就是利用張正友的平面模板法。通過(guò)分別拍攝5幅不同角度和位置的標(biāo)定板圖像，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換和計(jì)算方法來(lái)解出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)。這種方法比自標(biāo)定方法精度高，與傳統(tǒng)方法相比設(shè)備要求不高，操作簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4 拍攝5個(gè)不同角度的標(biāo)定板圖像

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行誤差分析，可知該標(biāo)定結(jié)果的殘差為0.5個(gè)像素，攝像機(jī)的分辨率為1 024×768，所以我們可以進(jìn)一步計(jì)算出此標(biāo)定結(jié)果的誤差大概為0.6 μm。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹利用張正友平面模板法對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。首先對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)和標(biāo)定的基本原理做了簡(jiǎn)要概述，然后對(duì)如何利用張正友平面模板法對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定做了講述，最后通過(guò)確切的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的結(jié)果不但表明本文所提出的方法是合理的，而且這種方法為雙目立體視覺(jué)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

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［2］羅世民，李茂西.雙目視覺(jué)測(cè)量中三維坐標(biāo)的求取方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006（19）：622-3624.

［3］劉晶晶.基于雙目立體視覺(jué)的三維定位技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

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［5］ZHANG Zhengyou.A flexible new technique for camera calibratio n［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（11）：1330-1334.

［6］宋雷.立體視覺(jué)技術(shù)在模具型腔逆向工程中的應(yīng)用與研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012.

［7］李鵬，王軍寧.攝像機(jī)標(biāo)定方法綜述［J］.陜西電子技術(shù)，2007（4）：77-79.