CN112837377B - 一种相机内外参联合标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相机内外参联合标定系统,包括:标定装置,所述标定装置包括发光点,所述标定装置安装于盾构机内部空间;全站仪,所述全站仪安装于所述外部盾构机所处的隧道的侧壁;所述全站仪位于标定装置和所述后视棱镜之间,用于获取发光点在全站仪坐标系下的全站仪坐标;相机,所述相机安装在所述盾构机的支撑盾上,用于通过获取发光源在相机像素坐标系下的相机像素坐标,并根据所述全站仪坐标和所述相机像素坐标标定所述相机的参数。本发明的技术效果:能够方便快捷并准确的标定出在现场盾构机空间内相机与全站仪之间的关系,使得盾构机的位姿测量结果更加地精确。
Description
技术领域
本发明涉及相机单目视觉领域,特别涉及一种相机内外参联合标定系统
背景技术
在图像测量过程以及机器视觉应用中,为确定空间物体表面某点的三维几 何位置与其在图像中对应点之间的相互关系,必须建立相机成像的几何模型, 这些几何模型参数就是相机参数。进行摄像机标定的目的:求出相机的内、外 参数,以及畸变参数。标定相机后通常是想做两件事:一个是由于每个镜头的 畸变程度各不相同,通过相机标定可以校正这种镜头畸变矫正畸变,生成矫正后的图像;另一个是根据获得的图像重构三维场景。摄像机标定过程,简单的 可以简单的描述为通过标定板,或者其他标定装置。对于隧道施工领域,通过 标定板比较不方便而且操作起来比较麻烦。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种相机内外参联合标定系统,包括:
标定装置,所述标定装置包括发光点,所述标定装置安装于盾构机内部空 间;
全站仪,所述全站仪安装于所述外部盾构机所处的隧道的侧壁;所述全站 仪位于标定装置和所述后视棱镜之间,用于获取发光点在全站仪坐标系下的全 站仪坐标;
相机,所述相机安装在所述盾构机的支撑盾上,用于通过获取发光源在相 机像素坐标系下的相机像素坐标,并根据所述全站仪坐标和所述相机像素坐标 标定所述相机的参数。
优选地,还包括:后视棱镜,所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁,用于 辅助所述全站仪进行工作。
优选地,所述标定装置具体还包括:小棱镜,用于辅助全站仪进行对准。
优选地,所述小棱镜和所述发光点处于同一轴线上。
进一步优选地,所述标定装置具体还包括:安装支架,所述安装支架为U 型支架;所述小棱镜的数量为两个,分别安装在所述安装支架的开口一端的外 侧上,并朝向U型开口的方向。
进一步优选地,所述发光点设置在所述U型支架的U型底上。
进一步优选地,所述标定装置还包括底座、连接杆、三维升降台;
所述安装支架固定在所述三维升降台上;
所述三维升降台在所述连接杆上运动;
所述连接杆固定在所述底座上;
所述底座固定在所述盾构机上。
进一步优选地,所述底座为磁性底座,通过磁性固定在所述盾构机上。
进一步优选地,所述发光点包括第一发光点固定板、第二发光点固定板和 发光点安装座;
所述第一发光点固定板通过螺栓固定与第二发光点安装板;
所述第一发光点固定板与所述第二发光点安装板的间隙密封;
所述第一发光点安装板与所述发光点安装座的间隙密封。
进一步优选地,所述发光点发出的为不可见光。
本发明至少包括以下一项技术效果:
能够方便快捷并准确的标定出在现场盾构机空间内相机与全站仪之间的 关系,使得盾构机的位姿测量结果更加地精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简要介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例,对于本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提 下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明各个器件安装位置示意图;
图2是本发明标定装置的结构示意图;
图3是本发明的四个坐标系示意图;
图4是本发明的相机坐标系与世界坐标系转换示意图;
图5是本发明的相机、图像坐标系示意图;
图6是本发明的相机与图像坐标系转换示意图。
1盾构机、2标定装置、3相机、4盾构机、5全站仪、6后视棱镜;
11磁力底座、12连接杆、13安装支架、14、小棱镜、15LED发光点、16 三维升降台;
具体实施方式
以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术 之类的具体细节,以便透彻理解本申请实施例。然而,本领域的技术人员应当 清楚,在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中, 省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节 妨碍本申请的描述。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”指示 所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或 多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
为使图面简洁,各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分,它们并 不代表其作为产品的实际结构。另外,以使图面简洁便于理解,在有些图中具 有相同结构或功能的部件,仅示意性地绘出了其中的一个,或仅标出了其中的 一个。在本文中,“一个”不仅表示“仅此一个”,也可以表示“多于一个”的 情形。
还应当进一步理解,在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和 /或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且 包括这些组合。
另外,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而 不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对照附 图说明本发明的具体实施方式。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图,并获得其他的实施方式。
实施例1:
如图1-6所示,本实施例提供一种相机内外参联合标定系统,包括:标定 装置(2),所述标定装置(2)包括发光点(16),所述标定装置(2)安装于 盾构机(4)内部空间;
全站仪(5),所述全站仪(5)安装于所述外部盾构机(4)所处的隧道的 侧壁;所述全站仪(5)位于标定装置(2)和所述后视棱镜之间,用于获取发 光点(16)在全站仪(5)坐标系下的全站仪(5)坐标;
相机(3),所述相机(3)安装在所述盾构机(4)的支撑盾上,用于通过 获取发光源在相机(3)像素坐标系下的相机(3)像素坐标,并根据所述全站 仪(5)坐标和所述相机(3)像素坐标标定所述相机(3)的参数。
在本实施例中,所述标定装置(2)适于与全站仪(5)相配合,以标定出 相机(3)的内外参数,本发明所提供的标定装置(2)能够方便快捷并准确的 标定出在现场盾构机(4)空间内相机(3)与全站仪(5)之间的关系,使得 所述盾构机(4)的位姿测量结果更加地精确。
具体而言,在图像测量过程以及机器视觉应用中,为确定空间物体表面某 点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系,必须建立相机(3) 成像的几何模型,这些几何模型参数就是相机(3)参数。进行摄像机标定的 目的:求出相机(3)的内、外参数,以及畸变参数。定相机(3)后通常是想 做两件事:一个是由于每个镜头的畸变程度各不相同,通过相机(3)标定可 以校正这种镜头畸变矫正畸变,生成矫正后的图像;另一个是根据获得的图像 重构三维场景。
一般来说,标定的过程分为两个部分:第一步是从世界坐标系转换为相机 坐标系,这一步是三维点到三维点的转换,包括R,t(相机外参)等参数;第 二步是从相机坐标系转图像坐标系,这一步是三维点到二维点的转换,包括K (相机内参)等参数,图像处理中涉及到4个坐标系:
Ow-XwYwZw:世界坐标系,描述相机(3)位置,单位m;
Oc-XcYcZc:相机坐标系,光心为原点,单位m;
O-XY:图像坐标系,原点为成像平面中心,单位mm;
P:世界坐标系中的一点;
p:点P在图像中的成像点,在图像坐标系中的坐标为(x,y),在像素坐标 系中的坐标为(u,v);
uv:像素坐标系,原点为图像左上角,单位pixel,每一个像素的坐标(u,v) 分别是该像素在数组中的列数和行数;
f:相机(3)焦距等于o与Oc的距离,f=||o-Oc||
相机坐标系转换为世界坐标系,转换方程为:
其中R为3*3的旋转矩阵,t为3*1的平移矢量,为相机坐标系的齐次坐 标,为世界坐标系的齐次坐标。
像素坐标系:像素坐标系是一个二维直角坐标系,反映了相机(3) CCD/CMOS芯片中像素的排列情况,原点位于图像左上角,u轴、v轴分别与 像面的两边平行,像素坐标系中的坐标轴的单位是像素。
图像坐标系:像素坐标系不利于坐标转换,因此需要建立图像坐标系,坐 标轴单位mm,原点是相机(3)光轴与相面的交点,x轴和y轴分别和u轴、 v轴平行,故两个坐标系实际是平移关系。
其中,其中所述全站仪(5)坐标系的原点是所述全站仪(5)的中心,Xw 轴与全站仪(5)的码盘的零刻度同向,Zw轴垂直于所述码盘向上;其中所述 相机坐标系的原点是相机(3)镜头小孔的中心,z轴与光轴重合,Xc轴和 Yc轴平行投影面;所述图像坐标系的坐标原点位于光轴和投影面的交点,Xp 轴和Yp轴平行投影面;所述像素坐标系,从小孔向投影面方向看,投影面的 左上角为原点Opix,uv轴和投影面两边重合。
像素坐标系转换为图像坐标系公式:
针孔成像原理:空间任意一点与其图像点之间的关系,p与相机(3)光心 的连线为op,与像面的交点即为空间点在图像平面上的投影。该过程为透视投 影,Zc为比例因子(Zc不为0),为有效焦距(光心到图像平面的距离),是 空间点在相机坐标系中的齐次坐标,是像点在图像坐标系中的齐次坐标。
如图6所示,相机坐标系转换为图像坐标系:由于△ABOc~△oCOc、△ PBOc~△pCOc
世界坐标系转换为像素坐标系:
其中,其中f为摄像机的焦距,单位一般是mm;dx,dy为像元尺寸;u0,v0 为图像中心。分别称为x轴和y轴上的归一化焦距。
畸变参数:在几何光学和阴极射线管(CRT)显示中,畸变(distortion)是 对直线投影(rectilinearprojection)的一种偏移。简单来说直线投影是场景内 的一条直线投影到图片上也保持为一条直线。那畸变简单来说就是一条直线投 影到图片上不能保持为一条直线了,这是一种光学畸变(optical aberration)。可能由于摄像机镜头的原因,这里不讨论,有兴趣的可以查阅光学畸变的相关 的资料。畸变一般可以分为两大类,包括径向畸变和切向畸变。主要的一般径 向畸变有时也会有轻微的切向畸变。
径向畸变的效应有三种,一种是桶形畸变(barrel distortion),另一种是枕 形畸变(pincushion distortion),还有一种是两种的结合叫做胡子畸变(mustachedistortion),径向畸变可以用如下公式修正:
xcorr=xdis(1+k1r2+k2r4+k3r6)
ycorr=ydis(1+k1r2+k2r4+k3r6)
切向畸变是由于透镜与成像平面不严格的平行,其可以用如下公式修正:
xcorr=xdis+[2p1y+p2(r2+2x2)]
ycorr=ydis+[p1(r2+2y2)+2p2x]
其中:
xdis和ydis表示有畸变的坐标;
xcorr和ycorr表示修复后的坐标;
k1,k2,k3表示径向畸变参数;
p1,p2表示切向畸变参数;
所以最终得到5个畸变参数:
D=(k1,k2,p1,p2,k3)
通过本实施例,能够方便快捷并准确的标定出在现场盾构机(4)空间内 相机(3)与全站仪(5)之间的关系,使得盾构机(4)的位姿测量结果更加 地精确。
优选地,还包括:后视棱镜(6),所述后视棱镜(6)安装于所述隧道的 侧壁,用于辅助所述全站仪(5)进行工作。
后视棱镜(6)一方面起到定向作用,确定测站与后视点的已知坐标返算 方位角。以此方位角做为后续测量的起算方位。另一方面用来测距,检核坐标 返算边长与实测边长是否相符。
优选地,进一步优选地,所述发光点(16)发出的为不可见光。
由于在井下施工,使用不可见光,相对于可见光,一方面干扰比较少,另 一方面有利于相机(3)的图像采集。
实施例2:
如图1-6所示,本实施例基于实施例1,提供一种相机内外参联合标定系 统,包括:所述标定装置(2)具体还包括:小棱镜(14),用于辅助全站仪(5) 进行对准。
所述标定装置(2)具体还包括:安装支架(13),所述安装支架(13)为 U型支架;所述小棱镜(14)的数量为两个,分别安装在所述安装支架(13) 的开口一端的外侧上,并朝向U型开口的方向。
所述小棱镜(14)和所述发光点(16)处于同一轴线上。所述发光点(16) 设置在所述U型支架的U型底上。
所述标定装置(2)还包括底座(11)、连接杆(12)、三维升降台(16); 所述安装支架(13)固定在所述三维升降台(16)上;所述三维升降台(16) 在所述连接杆(12)上运动;所述连接杆(12)固定在所述底座(11)上;所 述底座(11)固定在所述盾构机(4)上。
其中,所述安装支架(13)用于安装三维移动平台、徕卡小棱镜(14)、LED发光点(16),固定徕卡小棱镜(14)与LED发光点(16)的位置关系。
所述三维移动平台;包括两个平面移动平台,和一个升降平台,三个平台 组合完成三个方向的自由移动。
在本实施例中,为了进一步标定数据的准确度,本标定装置(2)使用前 需要利用三维升降台(16)和全站仪(5)进行调节,先后利用全站仪(5)测 量两个徕卡小棱镜(14)的坐标求平均值,然后再测量LED发光点(16)的 坐标,再通过三维升降台(16)进行调节直至LED发光点(16)的坐标与两 个徕卡小棱镜(14)的坐标求得平均值相同,然后即可用于现场相机(3)内 外参数标定。
进一步优选地,所述底座(11)为磁性底座,通过磁性固定在所述盾构机 (4)上;所述磁力底座可以吸附在盾构机(4)上,上下左右进行移动标定, 便于安装使用。
实施例3:
如图1-6所示,本实施例基于实施例2,提供一种相机内外参联合标定系 统,所述发光点包括第一发光点固定板、第二发光点固定板和发光点安装座; 所述第一发光点固定板通过螺栓固定与第二发光点安装板;所述第一发光点固 定板与所述第二发光点安装板的间隙密封;所述第一发光点安装板与所述发光 点安装座的间隙密封。从而防止外界灰尘等杂物通过所述发光点安装板与发光 点安装座之间的间隙进入容纳空间。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要 求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,包括:
标定装置,所述标定装置包括发光点,所述标定装置安装于盾构机内部空间;所述标定装置具体还包括:小棱镜,用于辅助全站仪进行对准;所述小棱镜和所述发光点处于同一轴线上;所述标定装置具体还包括:安装支架,所述安装支架为U型支架;所述小棱镜的数量为两个,分别安装在所述安装支架的开口一端的外侧上,并朝向U型开口的方向;
全站仪,所述全站仪安装于外部盾构机所处的隧道的侧壁;所述全站仪位于标定装置和后视棱镜之间,用于获取发光点在全站仪坐标系下的全站仪坐标;
相机,所述相机安装在所述盾构机的支撑盾上,用于通过获取发光源在相机像素坐标系下的相机像素坐标,并根据所述全站仪坐标和所述相机像素坐标标定所述相机的参数;
使用所述全站仪测量两个小棱镜的坐标并获取坐标平均值,并测量LED发光点的发光点坐标,调节所述发光点坐标直至与所述坐标平均值相同。
2.根据权利要求1所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,还包括:后视棱镜,所述后视棱镜安装于所述隧道的侧壁,用于辅助所述全站仪进行工作。
3.根据权利要求1所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,所述发光点设置在所述U型支架的U型底上。
4.根据权利要求3所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,所述标定装置还包括底座、连接杆、三维升降台;
所述安装支架固定在所述三维升降台上;
所述三维升降台在所述连接杆上运动;
所述连接杆固定在所述底座上;
所述底座固定在所述盾构机上。
5.根据权利要求4所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,所述底座为磁性底座,通过磁性固定在所述盾构机上。
6.根据权利要求1所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,所述发光点包括第一发光点固定板、第二发光点固定板和发光点安装座;
所述第一发光点固定板通过螺栓固定在第二发光点固定板;
所述第一发光点固定板与所述第二发光点固定板的间隙密封;
所述第一发光点固定板与所述发光点安装座的间隙密封。
7.根据权利要求1所述的一种相机内外参联合标定系统,其特征在于,所述发光点发出的为不可见光。
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