本發(fā)明涉及相機(jī)標(biāo)定領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于三線結(jié)構(gòu)光的相機(jī)平面標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

相機(jī)標(biāo)定技術(shù)是線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。在圖像測(cè)量過程以及機(jī)器視覺應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，必須建立相機(jī)成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下這些參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)求解參數(shù)的過程就稱之為相機(jī)標(biāo)定(或攝像機(jī)標(biāo)定)。無論是在圖像測(cè)量或者機(jī)器視覺應(yīng)用中，相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定都是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響相機(jī)工作產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，做好相機(jī)標(biāo)定是做好后續(xù)工作的前提，提高標(biāo)定精度是科研工作的重點(diǎn)所在。傳統(tǒng)上相機(jī)的標(biāo)定方法，無法得到精確的相機(jī)畸變模型，標(biāo)定精度低，難以完全消除相機(jī)的畸變誤差。因此，需要一種針對(duì)相機(jī)畸變問題的相機(jī)標(biāo)定方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題提供一種基于三線結(jié)構(gòu)光的相機(jī)平面標(biāo)定方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于三線結(jié)構(gòu)光的相機(jī)平面標(biāo)定方法，所述方法包括下列步驟：

1)建立三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)，并在三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)內(nèi)對(duì)棋盤格標(biāo)定模板進(jìn)行拍攝；

2)對(duì)步驟1)中拍攝的圖像進(jìn)行harris角點(diǎn)檢測(cè)，得到相機(jī)的畸變模型；

3)根據(jù)bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相機(jī)的畸變模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到在世界坐標(biāo)系下校正后的相機(jī)模型；

4)根據(jù)張正友平面標(biāo)定法對(duì)步驟3)中校正后的相機(jī)模型進(jìn)行標(biāo)定。

所述三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)包括：

結(jié)構(gòu)光發(fā)生組件，用于為棋盤格標(biāo)定模板的拍攝提供三線結(jié)構(gòu)光；

可調(diào)拍攝組件，用于拍攝棋盤格標(biāo)定模板；

底座，用于防止棋盤格標(biāo)定模板，并支撐結(jié)構(gòu)光發(fā)生組件和可調(diào)拍攝組件。

所述結(jié)構(gòu)光發(fā)生組件包括：

結(jié)構(gòu)光發(fā)生器，用于產(chǎn)生三線結(jié)構(gòu)光；

結(jié)構(gòu)光發(fā)生器調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的高度和旋轉(zhuǎn)角度，包括第一立柱、夾具和第一調(diào)節(jié)固定座，所述第一立柱固定于底座上，所述第一調(diào)節(jié)固定座安裝于第一立柱上，所述夾具設(shè)置于第一調(diào)節(jié)固定座上并與結(jié)構(gòu)光發(fā)生器連接。

所述可調(diào)拍攝組件包括：

相機(jī)，用于對(duì)棋盤格標(biāo)定模板進(jìn)行拍攝；

相機(jī)調(diào)節(jié)器，用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)的多自由度調(diào)節(jié)，包括第二立柱、滑動(dòng)光軸、第二調(diào)節(jié)固定座、微調(diào)升降臺(tái)、相機(jī)固定架和夾相機(jī)頂塊，所述第二立柱固定于底座上，所述第二調(diào)節(jié)固定座安裝于第二立柱上，所述滑動(dòng)光軸設(shè)置于第二調(diào)節(jié)固定座上并與相機(jī)通過相機(jī)固定架連接，所述微調(diào)升降臺(tái)通過夾相機(jī)頂塊固定于相機(jī)上；

上位機(jī)，與相機(jī)連接，用于接收相機(jī)拍攝的圖像。

所述步驟3)具體為：

31)將步驟2)中得到的相機(jī)的畸變模型在像素坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)作為bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層數(shù)據(jù)；

32)建立三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，依次進(jìn)行前向計(jì)算和反向計(jì)算來實(shí)現(xiàn)bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)；

33)對(duì)計(jì)算過程中的權(quán)值進(jìn)行修正，得到在世界坐標(biāo)系下校正后的相機(jī)模型。

所述bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)率具體為：

其中，η為學(xué)習(xí)率，a為減量因子，b為增量因子，n為迭代次數(shù)，e為誤差函數(shù)。

所述對(duì)計(jì)算過程中的權(quán)值進(jìn)行修正包括對(duì)隱含層與輸出層之間的權(quán)值進(jìn)行修正和對(duì)隱含層與輸入層之間的權(quán)值進(jìn)行修正。

所述對(duì)隱含層與輸出層之間的權(quán)值進(jìn)行修正具體為：

其中，δvlj為隱含層與輸出層之間的權(quán)值的調(diào)整量，n為迭代次數(shù)，η為學(xué)習(xí)率，e為誤差函數(shù)，α為動(dòng)量因子。

所述對(duì)隱含層與輸入層之間的權(quán)值進(jìn)行修正具體為：

其中，δwji為隱含層與輸入層之間的權(quán)值的調(diào)整量，n為迭代次數(shù)，η為學(xué)習(xí)率，e為誤差函數(shù)，α為動(dòng)量因子。

所述在世界坐標(biāo)系下校正后的相機(jī)模型在zw維度中的值為0。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)通過引入bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)相機(jī)模型在像素坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，在坐標(biāo)變換的過程中，實(shí)現(xiàn)相機(jī)模型的畸變校正，提高了后續(xù)在對(duì)相機(jī)平面標(biāo)定過程中標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

(2)利用自行建立的三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)對(duì)棋盤格標(biāo)定模板進(jìn)行拍攝，該標(biāo)定平臺(tái)將結(jié)構(gòu)光發(fā)生組件和可調(diào)拍攝組件固定在同一底座上，免去了在拍攝過程中需要人工拿著結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和相機(jī)對(duì)棋盤格進(jìn)行拍攝，減輕了工作量的同時(shí)也減少了人為干擾。

(3)結(jié)構(gòu)光發(fā)生組件除了包含結(jié)構(gòu)光發(fā)生器，還包含結(jié)構(gòu)光發(fā)生調(diào)節(jié)器，可以對(duì)結(jié)構(gòu)光發(fā)生器的高度和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，保證了可以提供符合工作人員需求的結(jié)構(gòu)光，使用靈活的同時(shí)也增強(qiáng)了標(biāo)定的準(zhǔn)確度。

(4)可調(diào)拍攝組件除了相機(jī)以外還設(shè)有相機(jī)調(diào)節(jié)器，通過滑動(dòng)光軸和調(diào)節(jié)固定座的配合實(shí)現(xiàn)相機(jī)的多自由度調(diào)節(jié)，而且設(shè)有微調(diào)升降臺(tái)，可以對(duì)相機(jī)的拍攝角度進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)，使得可以最大程度的拍攝符合工作人員預(yù)期的圖像，為提高后續(xù)標(biāo)定的準(zhǔn)確度做出準(zhǔn)備。

(5)利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，由于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、取得合理地學(xué)習(xí)率、網(wǎng)絡(luò)的收斂速度加快以及防止網(wǎng)絡(luò)振蕩的產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因而最大程度的減小了相機(jī)模型的畸變程度，提高標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

(6)在世界坐標(biāo)系下校正后的相機(jī)模型在zw維度中的值為0，即將三維坐標(biāo)降低為二維坐標(biāo)，這種方法既可以提高標(biāo)定速度，也不會(huì)影響標(biāo)定精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為棋盤格標(biāo)定模板，2為結(jié)構(gòu)光發(fā)生器，3為夾具，4為調(diào)節(jié)固定座，5為立柱，6為相機(jī)。7為滑動(dòng)光軸，8為微調(diào)升降臺(tái)，9為相機(jī)固定架，10為夾相機(jī)頂塊，11為鏡頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，本實(shí)施例提供的是一種基于三線結(jié)構(gòu)光的相機(jī)平面標(biāo)定方法，具體包括下列步驟：

s1)建立三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)，并在三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)內(nèi)對(duì)棋盤格標(biāo)定模板1進(jìn)行拍攝；

s2)對(duì)步驟s1)中拍攝的圖像進(jìn)行harris角點(diǎn)檢測(cè)，得到相機(jī)的畸變模型；

s3)根據(jù)bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相機(jī)的畸變模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到在世界坐標(biāo)系下校正后的相機(jī)模型；

s4)根據(jù)張正友平面標(biāo)定法對(duì)步驟s3)中校正后的相機(jī)模型進(jìn)行標(biāo)定。

下面對(duì)上述步驟進(jìn)行具體描述：

三線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

圖2中，該標(biāo)定平臺(tái)主要包括相機(jī)6、鏡頭11、圖像采集卡、結(jié)構(gòu)光發(fā)生器2、夾具3、立柱5、夾相機(jī)頂塊10等，其中相機(jī)固定架9與相機(jī)6連接固定，固定架為多自由度可調(diào)節(jié)高度的機(jī)械部分。結(jié)構(gòu)光發(fā)生器2與電源插座連接以提供光源，其固定方式為可調(diào)節(jié)高度且可旋轉(zhuǎn)角度。標(biāo)定板放置在底座上待測(cè)。結(jié)構(gòu)光發(fā)生器2可以通過調(diào)節(jié)固定座4進(jìn)行上下調(diào)整以及結(jié)構(gòu)光方向的調(diào)整。相機(jī)6可以通過調(diào)節(jié)固定座4進(jìn)行上下調(diào)整，通過滑動(dòng)光軸7進(jìn)行左右的調(diào)整以及相機(jī)6方向的調(diào)整，通過微調(diào)升降臺(tái)8進(jìn)行相機(jī)6位置的微調(diào)。本實(shí)施例中采用的棋盤格標(biāo)定模板1為8×11黑白方塊，其方塊大小為30×30mm，材料為許多黑白交錯(cuò)的正方形格子組成的薄板，板子表面平整光滑，相機(jī)6中可以采集到棋盤格標(biāo)定模板1的全部圖像，最終能夠?qū)崿F(xiàn)將三線結(jié)構(gòu)光相機(jī)平面的標(biāo)定。

標(biāo)定原理：

先利用harris角點(diǎn)檢測(cè)方法提取特征點(diǎn)坐標(biāo)，并選用了bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來校正工業(yè)相機(jī)的畸變模型，以提高標(biāo)定算法的優(yōu)化速度和標(biāo)定精度；最后采用張正友的平面標(biāo)定法對(duì)校正后的攝像機(jī)模型進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正攝像機(jī)畸變模型，設(shè)圖像像素坐標(biāo)為(u,v)、世界坐標(biāo)為(xw,yw,zw)。

該bp算法包括以下兩個(gè)重要的過程。正向傳播過程：輸入信號(hào)從輸入層傳向中間隱含層，再由隱含層傳向輸出層。反向傳播過程：當(dāng)輸出層得不到期望的輸出時(shí)，則轉(zhuǎn)入反向傳播過程，將誤差信號(hào)沿正向傳播的通路反向返回。

bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如下：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要包括輸入層數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)率的確定、增量因子、減量因子、動(dòng)量因子、動(dòng)量項(xiàng)權(quán)值的設(shè)計(jì)。它們的具體說明如下：

輸入層數(shù)據(jù)：圖像像素坐標(biāo)；

輸出層數(shù)據(jù)：經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后輸出(xw,yw)的二維坐標(biāo)；

學(xué)習(xí)率η：采用的學(xué)習(xí)率η自適應(yīng)調(diào)整公式如下：

式中，a為減量因子，b為增量因子，e為誤差函數(shù)。

本實(shí)施例中，各參數(shù)的取值為：減量因子：a＝0.9；增量因子：b＝1.1；動(dòng)量因子：α＝0.8；

動(dòng)量項(xiàng)的權(quán)值：附加動(dòng)量項(xiàng)的權(quán)值調(diào)整公式如下式所示：

式中δvlj(j＝1，2，...；l＝1，2，...)隱含層與輸出層間權(quán)值的調(diào)整量，δwji(i＝1，2...；j＝1，2，...)隱含層與輸入層間權(quán)值的調(diào)整量，α為動(dòng)量因子，0＜α＜1，帶有α的那一項(xiàng)為動(dòng)量項(xiàng)，取值為0.8，n為迭代次數(shù)。

通過學(xué)習(xí)二維與三維之間的坐標(biāo)關(guān)系，利用創(chuàng)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以得出二維圖像像素坐標(biāo)與三維世界坐標(biāo)之間的關(guān)系?？紤]到設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)是為了實(shí)現(xiàn)從圖像坐標(biāo)到三維坐標(biāo)之間的映射，即從圖像像素坐標(biāo)(u,v)到(xw,yw,zw)的映射關(guān)系，同時(shí)采用基于平面共面點(diǎn)的方法來進(jìn)行標(biāo)定，也就是令三維坐標(biāo)中的zw＝0把三維降低為二維，這樣既可以提高運(yùn)行速度，又不影響精度。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)；取得合理地學(xué)習(xí)率；網(wǎng)絡(luò)的收斂速度加快；防止網(wǎng)絡(luò)振蕩的產(chǎn)生。

張正友法是一種介于傳統(tǒng)標(biāo)定法和自標(biāo)定法之間的一種標(biāo)定方法，該方法操作簡(jiǎn)便，精度高，成本低，速度快，是標(biāo)定方法中的不二選擇。該標(biāo)定方法需要對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行不同空間角度的抓拍圖像，設(shè)ow-xwywzw為世界坐標(biāo)系，oc-xcyczc為相機(jī)坐標(biāo)系，標(biāo)定板在平zw＝0面上，過程為：相機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定利用matlab的相機(jī)標(biāo)定工具箱進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定，將得到矩陣a；計(jì)算相機(jī)外部參數(shù)。保持結(jié)構(gòu)光發(fā)生器2和相機(jī)不動(dòng)，拿下待測(cè)物體，計(jì)算工作臺(tái)相對(duì)相機(jī)的外部參數(shù)。獲得的相機(jī)外參數(shù)矩陣。由于圖像已經(jīng)進(jìn)行了畸變校正，所以不用考慮攝像機(jī)畸變，則可以得到單應(yīng)性矩陣、相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如下式所示：

上中的各個(gè)字母的含義如下：

h即為單應(yīng)性矩陣；a中元素為攝像機(jī)機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；s＝zc即相機(jī)坐標(biāo)系的第三個(gè)數(shù)值；t為從世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的平移矩陣；r1、r2、r3為從世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣r的列向量；f為相機(jī)的焦距，θ為坐標(biāo)軸xi與yi之間的實(shí)際夾角，k,l為感光芯片像素的實(shí)際大小，xi0,yi0為圖像的平面中心。