基于双一维靶标的摄像机标定方法

针对大视场摄像机的标定,提出一种基于双一维靶标的摄像机标定方法。两个一维靶标任意放置在摄像机视场内,摄像机从多角度拍摄靶标图像;利用一维靶标特征点共线的特性进行图像畸变校正;计算两个一维靶标所在空间直线在图像中的消影点,得到在空间中的夹角关于摄像机内参数矩阵的表达式,利用其所成角度恒定这一约束求解摄像机内部参数;采用非线性优化方法,求解摄像机内、外参数在最大似然准则下的最优解。仿真试验结果表明,当噪声水平小于0.5 pixel时,摄像机内部参数的相对误差均小于0.3%。实物试验结果表明,视场范围为1 200 mm×800 mm时,该方法的标定精度优于0.1 mm。     

基于远心成像的高精度线激光三维测量方法

精密零部件的高精度三维成像是工业制造和检测的关键任务。针对现有的线激光测量系统效率慢、精度低等问题，提出了利用远心成像的线激光三维测量系统，研究了该系统的标定方法。首先，分别采集不同位置的靶标图像和激光线照射下相同位置的靶标图像，通过远心正交成像标定相机内参矩阵系数和外参位姿关系；然后，建立线激光投影平面与标定目标平面之间的几何关系，求解不同目标平面下的激光线方向矢量，进而通过最小二乘法获得光平面方程；最后，在极大似然准则下，利用Levenberg-Marquard非线性优化算法精确地计算标定参数最优解，搭建了测试系统，开发了专用标定程序。实验结果表明：在60 mm×48 mm的视场下，所设计的系统和方法可以实现优于18μm的测量误差，能够快速准确地重建出三维形貌。     

基于双目视觉的医疗机器人摆位系统测量方法

为了实现精确放疗过程中精确定位和肿瘤位置的精确测量,建立了基于双目视觉的医疗机器人摆位测量系统,并对系统所采用的摄像机标定方法、标记点识别及其三维坐标计算、摆位系统的位置验证等算法进行研究。建立基于双目视觉的医疗机器人摆位测量系统;提出了一种对摄像机采用基于平面棋盘格和立体标定模板相结合的摄像机标定新方法;采用Roberts梯度算子对图像分割的方法,识别标记点中心并计算其三维坐标;通过比较基于双目视觉计算和三维坐标测量仪器测量的各个标记点三维坐标的摆位误差,实现放疗过程中位置验证和精确摆位。实验结果表明:摄像机的标定精度为36.5×10-3 mm和各个标记点的三维坐标平均偏差为δX=0.573mm、δY=0.495mm、δZ=0.430mm,测量方法可获得较高的标定精度和摆位精度,能满足精确放疗对高精度摆位系统的临床需求。     

基于消隐点的线结构光测量系统标定方法

针对现有线结构光测量系统标定模型复杂、需要特制靶标等局限性,提出了一种新的线结构光测量系统标定方法.利用精密导轨运载平面靶标沿着空间一个方向至少运动两次,创建一组在激光平面上的平行特征线.根据消隐点的原理,建立新的数学模型,可以标定成像像素与运动方向上一维信息的直接对应关系.改变导轨运动方向,另外两个空间正交方向上的像素-维度对应关系同样可以得到.与传统标定方法相比,所提标定方法无需标定系统多组空间关系,简化了传统标定过程,减少了误差的积累.另外,靶标可为普通平面,避免了特制靶标的制造困难.实验结果表明,所提方法测量结果均方根误差(RMSE)为0.0359 mm,平均绝对误差(MAE)为0.0306 mm,可以有效用于线结构光三维(3D)测量.     

基于小尺寸靶标组合的大视场摄像机标定方法

摄像机标定是计算机视觉中的一个重要过程。大视 场摄像机标定中,大尺寸靶标加工困难,而使 用单一小靶标只能得到局部最优解。本文针对这一问题,提出一种基于小尺寸靶标组合的 大视场摄像机标定方法。利用摄像机多项式投影模型,通过差分式求解方法将各个小尺寸靶 标组合成一个大尺寸靶标,然后使 用大尺寸靶标对大视场摄像机进行精确标定;在小尺寸靶标组合过程中,为了消除 利用差分式方 法进行求解时各个小尺寸靶标间只能平移、不能旋转的安放限制,提出了一种基于交比不变 性的直线夹角 求解方法,并设计了相应的复合靶标,提高了方法的灵活性。仿真和实际的实验结果表明, 本文所提方法能够实现对大视场摄像机的精确标定。     

超大尺度线结构光传感器现场标定技术

针对大尺寸三维物体的测量需求,提出了一种超大尺度的线结构光传感器标定方法。使用平面靶标标定出摄像机内参数的初值,以相邻两控制点之间的距离为约束用LM优化算法对初值进行优化;采用准一维靶标进行结构光参数标定,提出了一种利用两行标记点求解控制点三维坐标的方法,该方法基于消隐点性质以及各控制点与标记点之间的几何约束。实验结果表明,所提出的标定方法和控制点三维坐标求解方法具有较高的精度和稳定性,且准一维靶标较平面靶标加工成本低、加工难度小、标定过程灵活方便,更适用于大尺度现场标定。     

深度约束的零件尺寸测量系统标定方法

针对大尺寸平面零件尺寸测量系统标定精度不高的问题,提出了一种基于深度信息的系统标定方法。首先利用圆形平面靶标,提出一种提取靶标图像特征点的新方法,采用自适应阈值的边缘检测和多项式拟合算法提取特征点亚像素轮廓,利用椭圆拟合得到中心坐标;然后根据带有畸变的非线性成像几何模型,采用最小二乘法计算摄像机参数的最优解,获得靶标的位姿;最后提出被测物表面与靶标平面之间的深度信息作为摄像机模型修正项,校正测量平面位姿,利用成像原理和直线与零件表面交点确定零件尺寸。设计了单目视觉尺寸测量系统并进行实验,结果表明:标定反投影误差小于0.02 pixel,在10.75 m2的视场内,系统测量精度达到了0.05 mm。     

激光跟踪视觉导引测量中靶标球球心定位方法

为解决现有激光跟踪测量系统中存在的搜索区域大、定位速度慢等问题,提出了一种基于单目视觉测量系统求解激光跟踪仪靶标球球心三维坐标,以此作为导引信息,引导单台激光跟踪仪实现多基准点自动测量的方法。对视觉测量所采用的椭圆识别和基于单目摄像机的球心定位算法进行了研究。首先,根据靶标球成像的特点,介绍了基于Gestalt的椭圆识别算法,实现了靶标球图像特征的自动提取与识别。然后,介绍了基于单目摄像机的球心定位算法,即根据图像椭圆方程、相机焦距和球半径求解球心三维坐标,并进行了仿真验证。最后,进行了实际的靶标球图像自动识别与球心定位实验。结果表明,采用文中方法测量两靶标球间已知距离约为550 mm时的RMS误差为1.728 2 mm。激光跟踪仪激光束搜索范围得到大幅减小,基本满足自动测量的快速性和高效性等要求。     

激光平面扫描3D测量系统快速标定技术

建立了激光平面扫描3D测量数学模型，提出了一种全新的3D测量系统参数的快速标定方法，设计了由2个完全垂直的平面组成的立体标定靶标，使用1个靶标可同时标定测量系统的摄像机参数和光平面方程参数。采用该方法对激光平面扫描测量系统进行了参数标定，用标定后的系统对标准平面进行了测量，空间测量精度优于0．1mm。     

基于有理函数式镜头畸变模型的摄像机标定

摄像机成像模型是决定视觉测量精度的关键因素之一。随着视觉测量精度的要求越来越高,提高摄像机模型和标定的精度是解决该问题的主要手段。将一种新的有理函数式镜头畸变修正模型引入到摄像机的成像建模中,以更好地修正镜头畸变引起的误差,从而提高摄像机成像模型的精度;并提出一种两步求解以及分步迭代优化的方法精确求解成像模型中各参数,以解决有理函数式畸变模型参数无法直接求解的问题。实验结果表明,基于新畸变修正模型的摄像机成像模型比常规畸变修正模型的标定精度有显著的提高,并且新模型对大误差的控制更有效,从而可整体提高视觉测量的精度。     

Multi-camera systems

In this article, we present some simple and effective techniques for accurately calibrating a multi-camera acquisition system. The proposed methods were proven to be capable of accurate results even when using very simple calibration target sets and low-cost imaging devices, such as standard TV-resolution cameras connected to commercial frame-grabbers. In fact, the performance of our calibration approach yielded results that were about the same as that of other traditional calibration methods based on large 3D target sets. The proposed calibration strategy is based on a multi-view multi-camera approach. This was based on the analysis of a number of views of a simple calibration target-set placed in different (unknown) positions. Furthermore, the method is based on a self-calibration approach, which can refine the a priori knowledge of the world coordinates of the targets (even when such information is very poor) while estimating the parameters of the camera model. Finally we proposed a method, to make the calibration technique adaptive through the analysis of natural scene features, allowing the camera parameters to hold accurate throughout the acquisition session in the presence of parameter drift     

Collaborative color calibration for multi-camera systems

This paper proposes a collaborative color calibration method for multi-camera systems. The multi-camera color calibration problem is formulated as an overdetermined linear system, in which a dynamic range shaping is incorporated to ensure the high contrasts for captured images. The cameras are calibrated with the parameters obtained by solving the linear system. For non-planar multi-camera systems, we design a novel omnidirectional color checker and present a method for establishing global correspondences to facilitate automatic color calibration without manual adjustment. According to experimental results on both synthetic and real-system datasets, the proposed method shows high performance in achieving inter-camera color consistency and high dynamic range. Thanks to the generality of the linear system formulation and the flexibility of the designed color checker, the proposed method is applicable to various multi-camera systems.     

车载移动立体测量系统检校及精度分析

车载移动立体测量系统可以用于快速、准确的高精度数据采集和三维建模。针对车载移动立体测量检校问题,设计了一套高精度的车载移动立体测量系统检校方法,建立了检校的数学模型,并进行了试验,分析了检校前后车载移动立体测量系统的测量精度差异。实验证明,本文研究的车载移动立体测量系统检校方法能有效地提高系统测量精度。     

基于标记点的直升机旋翼动态三维测量方法

为快速方便地获取直升机旋翼动态三维坐标,提出了一种基于编码标记点和立体视觉的旋翼动态三维测量方法,该方法首先采用平面标定法及Bouguet校正算法实现立体标定和图像校正;其次,依据标记点形状和灰度特征,采用图像二值化和连通域标记等方法检测并定位编码标记点的中心,确定标记点像素坐标;然后,采用邻域扫描法对编码点进行解码,得到标记点的码值,并依据码值实现左右视图中同名标记点匹配;最后,利用投影方程求出标记点三维坐标,实现直升机旋翼动态三维测量。仿真实验结果表明该方法精度高,实际测量误差不超过0.3mm,可满足旋翼动态三维测量的要求。     

Plane-based external camera calibration with accuracy measured by relative deflection angle

In this paper, we present an efficient external calibration technique for a typical multi-camera system. The technique is very handy in practice using a simple planar pattern. Based on homography, three different pair-wise estimation algorithms are proposed to recover the rigid rotation and translation between neighboring cameras. By registering the accurate and reliable partial calibrated structures, the complete calibration of a multi-camera system can be accomplished. In order to evaluate and compare the calibration results for different camera setups, a novel accuracy metric is introduced based on the deflection angles of projection rays. Experimental results using both simulated and real data are presented to verify the validity and performance of the proposed method.     

针对机器人位姿测量立体标靶的单目视觉标定方法

工业机器人末端位姿测量对机器人装配和机器人标定等工作具有重要价值。针对机器人位姿测量中常用标靶受环境光干扰较大、机器人运动空间有限等缺点设计了一款亮度可调、响应迅速的六面体立体标靶,并提出一种基于单目视觉的立体标靶标定方法。通过初始图像对的选择,解决单目视觉中本质矩阵分解得到的平移向量不精确的问题,并采用光束平差法对初始图像场景进行优化;向场景中添加新图像并使用光束平差法对场景进行全局优化,提高特征点重建精度;以精度为5m的平面标定板上的特征点作为真实点,解决单目视觉重建场景缺乏尺度因子的问题。实验表明:特征点三维重建的平均误差小于0.035 mm,能够有效进行立体标靶的标定;使用该标靶计算的机器人位姿信息,将机器的位置精度提高了37%。     

基于数字光栅相移法的三维重构

利用光栅投影法进行三维测量有良好的发展前景,但仍未能很好地解决高精度测量问题。提出结合相位高度映射关系和棋盘标定法的三维测量方法,该方法基于数字光栅相移技术,减少了对数字光栅和CCD几何约束要求,操作简单,实现对被测物三维信息的测量与重构。对已知高度为20 mm的参考物体进行测量,高度相对误差为0.727 5%。实验结...     

Pattern design and realization for calibrating near infrared camera in surgical navigation

A calibration board composed of 8×8 near-infrared surface-mounted diodes(NIR-SMDs)(940 nm)is designed.Meanwhile,a common binocular measurement system with the average error less than 0.1320 mm is used to obtain the geometric information of this board.A calibration method with the designed pattern is performed to obtain the parameters of the near-infrared camera(NIRC).In the experiment,the average relative errors of focal length and principal point are 0.244%and 0.735%,respectively.The mean of image residuals is less than 0.01 pixel.The error of three-dimensional(3D)measurement is less than 0.3 mm.All those results indicate that the designed calibration board is suitable and accurate for calibrating NIRC.     

Essential parameter calibration for the 3D scanner with only single camera and projector

A calibration method for the five essential parameters is proposed. Using the calibration results, the three dimensional (3D) reconstruction can be performed directly. The five essential parameters include the distance between the camera and the projector, the distance between the reference plane and the camera, the fundamental frequency of the fringe pattern, the scale factor from the image coordinates to the world coordinate system in X axis direction and that in Y axis direction. The proposed calibration method is implemented and tested in our 3D reconstruction system. The mean calibration error is found to be 0.0215 mm over a volume of 400 mm (H)×300 mm (V)×500 mm (D). The proposed calibration method is accurate and useful for the 3D reconstruction system.     

基于法化矩阵降维的多相机快速光束法平差算法

针对多相机系统的高精度快速光束法平差问题，提出一种采用法化矩阵降维的多相机快速光束法平差新算法。充分考虑多相机系统中主从相机间的固定位姿参数关系，设置维数为3N (相机个数)×4的系统位姿变换矩阵，根据此矩阵可快速由主相机参数得到每个从相机的参数，并将此变换关系带入光束法平差算法中完成为对从相机位姿的求取。从相机的外参优化算法中便只需要对主相机的外参变化进行更新，由此将所有相机捆绑为一个整体，使雅可比矩阵与法化矩阵的维数相对下降，在一次迭代更新中可以完成对多个相机特征图像的运算，因此算法的精度与速度得到了大幅提高。根据仿真实验与实测实验表明，文中算法的优化精度比传统的光束法平差精度提高到了15.5%，运算效率提升了7.8%，能够满足实际工程的应用需求。