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CN112509059B - 一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法 - Google Patents

一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法 Download PDF

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CN112509059B
CN112509059B CN202011398825.5A CN202011398825A CN112509059B CN 112509059 B CN112509059 B CN 112509059B CN 202011398825 A CN202011398825 A CN 202011398825A CN 112509059 B CN112509059 B CN 112509059B
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李强国
刘栋材
秦少谦
卢小银
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Hefei Zhongke Junda Vision Technology Co ltd
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Hefei Zhongke Junda Vision Technology Co ltd
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，包括如下步骤：基于多个小靶标共面放置形成靶标平面；分别获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系；基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位。本发明既解决了在靶标共面时无法标定的问题，也解决了基于该标定方法进行目标定位的问题。

Description

一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法
技术领域
本发明涉及双目视觉定位领域，具体涉及一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法。
背景技术
传统的双目立体视觉测量方法是先将标靶布置在测量空间中，要求靶标呈空间分散分布，最好能够遍布测量空间，或者靶标点构成的空间要包含测量空间，根据标定得到单个相机的图像像素坐标与空间坐标的映射关系，在实际测量时，两组映射关系联立即可适用最小二乘法进行求目标三维空间位置的求解。
然而当靶标共面时，无法求解单个相机像素坐标到三维空间坐标之间的映射关系，因为已知靶标点共面，相当于缺失一维坐标的标定信息，即映射矩阵不满秩，无解，即使使用相机位置坐标当作另一个靶标点加入标定计算，因为靶标分布地极其不均匀，会导致测量误差极大。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，包括如下步骤：
基于多个小靶标共面放置形成靶标平面；
分别获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系；
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位。
作为上述方案的进一步优化，所述摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系，通过计算靶标平面和摄像机图像平面间的单应性矩阵获取。
作为上述方案的进一步优化，所述获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系之后，还包括：基于所述映射关系和目标在摄像机图像中的坐标，获取摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点。
作为上述方案的进一步优化，所述基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位，具体为：
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置，获取所述视线的空间方程；
获取两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离的中点，即为目标位置。
作为上述方案的进一步优化，所述获取两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离D，公式为：
D＝min(P-Q)2，其中，P为一个摄像机对目标的视线L1上的一点，Q为另一个摄像机对目标的视线L2上的一点，视线L1和L2的空间方程分别为：L1：P＝P0+a*(P1-P0),a≥1；L2：Q＝Q0+b*(Q1-Q0),b≥1；P0和Q0分别是两个摄像机的坐标，P1和Q1分别是两个摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点。
作为上述方案的进一步优化，所述两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离D，采用最小二乘法。
本发明的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，具备如下有益效果：
1、针对在靶标共面时无法进获取摄像机图像平面坐标系与世界坐标系的转换关系，从而无法准确获取在摄像机图像平面坐标系的点在世界坐标系的坐标，即无法对目标定位，本发明通过基于多个共面的靶标形成的靶标平面，采用平面靶标标定方法进行标定，同时基于该标定过程中建立的世界坐标系，通过摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和相机的位置构成空间直线来对目标定位，即解决了在靶标共面时无法标定的问题，也解决了基于该标定方法进行目标定位的问题。
2、在基于平面靶标标定后，基于平面靶标上的投影点和摄像机之间形成的视线，以及两个摄像机的两条视线交汇于目标位置的计算过程，实现了对目标的定位。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法的流程图；
图2是本发明提供的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法的一种成像模型；
图3是本发明提供的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法的另一种成像模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本发明的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本实施例提供的基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法流程图，参见图2和3，是本实施例提供的基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法所建立的双目视觉系统的成像模型，其中，包括对目标从两个视角成像的摄像机，该两个视角的相互位置关系不做限制，即对这两个视角的视线相交、不相交、平行、不平行等不做限制，还包括在两个摄像机摄像范围内的由多个小靶标共面放置形成的靶标平面，基于该视觉系统，本实施例提供的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，包括：
基于多个小靶标共面放置形成靶标平面，当然，多个小靶标放置于近似同一个平面内即可；
分别获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系；
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位。
基于本实施例提供的方法，针对在靶标共面时无法获取摄像机图像平面坐标系与世界坐标系的转换关系，从而无法准确获取在摄像机图像平面坐标系的点在世界坐标系的坐标，即无法对目标定位，本发明通过基于多个共面的靶标形成的靶标平面，采用平面靶标标定方法进行标定，同时基于该标定过程中建立的世界坐标系，通过摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点对目标定位，即解决了在靶标共面时无法标定的问题，也解决了基于该标定方法进行目标定位的问题。
优选的，上述摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系，通过计算靶标平面和摄像机图像平面间的单应性矩阵获取；
单应性矩阵H为一个平面到另一个平面的投影映射，
Figure BDA0002811559150000031
是一个3×3的矩阵，因此有9个未知数，一般一对点可以提供2个方程，但是单应性矩阵有自己的特点：可以约束矩阵的模为1，或者非系数量h33设为1，确定数值的缩放系数。因此需要至少4个点对就可以完成对单应性矩阵的求解。
靶标平面上的点(x′,y′)、摄像机图像上的点(x,y)的转换关系为：
Figure BDA0002811559150000041
基于该转换关系以及多于4个点对来计算单应性矩阵，当然实际应用中为了使得计算更精确可选择远大于4个点对来计算。
获取摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系之后，就可以基于所述映射关系和目标在摄像机图像中的坐标，获取摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点；
接着，基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点，就可以对目标定位，其定位方法所依据的原理为：摄像机和对应在靶标平面的投影点之间形成一条视线，两个摄像机对目标的视线交汇于目标位置。当然两个摄像机的视线可能会交汇于一点(参见图2的成像模型)，也可能不会交汇于一点(参见图3的成像模型)，具体定位方法，包括如下步骤：
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置，获取所述视线的空间方程，即：
视线L1的空间方程为：L1：P＝P0+a*(P1-P0),a≥1；
视线L2的空间方程为：L2：Q＝Q0+b*(Q1-Q0),b≥1；
其中，P0和Q0分别是两个摄像机的坐标，P1和Q1分别是两个摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点。
基于上述两个视线的空间方程，获取两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离的中点，即为目标位置，即：
先获取两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离D＝min(P-Q)2，其中，P为一个摄像机对目标的视线L1上的一点，Q为另一个摄像机对目标的视线L2上的一点，对D的方程变换形式为：
min(a(P1-P0)-b(Q1-Q0)+P0-Q0)2
基于此，对D的求解转化为求解超正定方程：
a(P1-P0)-b(Q1-Q0)＝Q0-P0
将该式转换为矩阵形式：
Figure BDA0002811559150000042
令A＝(P1-P0,Q1-Q0),B＝Q0-P0,
Figure BDA0002811559150000043
则为：Ax＝b，基于此，本实施例中采用采用最小二乘法求解优化目标函数D；
然后计算基于求解得到的点P和Q的坐标，获得两者的中点坐标，即作为目标位置。
实际测试结果，双相机距离近600m呈90度布站时，测量目标距离300m时，测量范围在100m左右时，使用本方法测量定位的误差不超过5cm。而传统方法要么计算无解，要么误差极大，偏差几十上百米。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于多个小靶标共面放置形成靶标平面；
分别获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系；
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位；
所述基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置对目标进行定位，具体为：
基于摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点和所述摄像机位置，获取所述视线的空间方程L1：P＝P0+a*(P1-P0),a≥1；L2：Q＝Q0+b*(Q1-Q0),b≥1，其中P为一个摄像机对目标的视线L1上的一点，Q为另一个摄像机对目标的视线L2上的一点，P0和Q0分别是两个摄像机的坐标，P1和Q1分别是两个摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点；
获取两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离的中点，即为目标位置，所述最短距离D＝min(P-Q)2。
2.根据权利要求1所述的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，其特征在于，所述摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系，通过计算靶标平面和摄像机图像平面间的单应性矩阵获取。
3.根据权利要求2所述的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，其特征在于，所述获取两个摄像机图像平面和靶标平面之间的映射关系之后，还包括：基于所述映射关系和目标在摄像机图像中的坐标，获取摄像机对目标的视线在靶标平面的投影点。
4.根据权利要求1所述的一种基于共面靶标的大视场双目立体标定与定位方法，其特征在于，所述两个摄像机对目标形成的两条视线的最短距离D，采用最小二乘法。
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