单目摄像机2激光测距传感器位姿测量系统
单目摄像机2激光测距传感器位姿测量系统
作者:晁志超;伏思华;姜广文;于起峰
摄像测量具有精度高、非接触和成本低等优点 ,有着广阔的应用领域 ,根据测量过程中使用到的摄像机数目的不同一般可以分为单目测量方法和多目测量方法。单目测量由于结构简单、测量灵活 ,仅使用一台摄像机即可测量出合作目标相对于摄像机的三维姿态数据和三维位移数据 ,得到了广泛的研究和应用,尤其是在基于多像机接力传递的大型结构体位姿变形摄像测量中 ,利用单目摄像机和合作目标之间的成像关系即可实现待测目标与基准坐标系之间的位姿参数传递。然而 ,由于模型自身的限制 ,在单目测量中 ,沿摄像机光轴方向上的位移测量精度一般远远低于沿垂直于光轴方向上的位移测量精度。为了提高系统的整体性能 ,可以利用增加激光测距仪辅助测量的方法提高沿摄像机光轴方向上的位移测量精度。然而 ,在大型结构体位姿变形测量的多像机接力传递摄像测量系统中 ,主要利用单目摄像机和空间合作目标实现位姿参数传递 ,因此本文通过在摄像机附近加装一个与之固联的高精度激光测距传感器 (DS) ,设计了一种基于空间合作目标的单目摄像机2激光测距传感器 ( Mono Camera2DLS) 位姿测量系统 ,利用数据融合的方法将激光测距传感器的高精度测距数据与由像机测量得到的六维位姿数据进行融合 ,提高系统在沿摄像机光轴方向上的位移测量精度。
2 单目视觉位姿测量精度分析
在基于单摄像机的单目位姿测量算法中 ,正交迭代法是应用最广泛的方法之一。该方法计算速度快 ,精度高 ,稳健性好 ,尤其是其全局收敛性 ,使得在不能提供良好初值的情况下求解结果依然不错。目前 ,该方法作为性能最优的实时位姿估计算法得到了广泛的应用 ,并已经从基于点特征标志的位姿估计扩展到基于线特征标志或点线混合特征标志的位姿估计,从单像机位姿估计扩展到多像机位姿估计。
在单目视觉测量中 ,沿光轴方向上的离面位移测量精度一般远低于垂直于光轴方向上的面内位移测量精度对于合作标志物AB ,由于标志点图像坐标提取不精确使得其成像与A′B′相同,则面内位移测量误差为ΔD=ΔD1 +ΔD2 ,而由此引起的离面位移测量误差则为ΔH,离面位移测量误差一般比面内位移测量误差低 cot θ=ΔH/(ΔD)倍,其中θ是目标在摄像机视场中所占有效视场角的大小。一组典型的测量数据是 :若设测量距离为10m ,待测目标人工合作标志块的大小为0.5m 时,则单目视觉算法对沿摄像机光轴方向的位移测量精度要比垂直摄像机光轴方向上的位移测量精度要低20倍左右。
3 单目摄像机2激光测距传感器系统
3.1 单目摄像机2激光测距传感器系统的构成
将摄像机Cam与激光测距传感器 DLS固连在一起,并使激光测距传感器测距方向与摄像机光轴方向基本一致,即构成了一个单目摄像机2激光测距传感器位姿测量系统。图中M为人工合作标志块,D为激光测距传感器的出光点,S为激光测距传感器激光束打在标志块M表面上的光斑点,设出光点D在摄像机坐标系和物体坐标系下的坐标分别表示为(DCX,DY,DCZ)和(DX,DY,DZ),光斑点S在摄像机坐标系和物体坐标系下的坐标分别表示为(SCX,SY,SCZ) 和(SX,SY,SZ),上标的C和W分别表示摄像机坐标系和物体坐标系。可见 ,DLS为一维数据采集系统,如果要与由Cam测量得到的六维数据融合起来 ,需要对两者之间的空间关系进行标定 ,也就是标定出在摄像机坐标系下激光出光点D坐标(DCX,DY,DCZ)和激光光束l的方向(a,b,c) 。
标志块M所在的世界坐标系与摄像机坐标系之间的位姿关系可以通过单目视觉测量实时得到,设RW,C,TW,C为由物体坐标系变换到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量,RC,W,TC,W为由摄像机坐标系变换到物体坐标系的旋转矩阵和平移向量,则点D和点S在世界坐标系和摄像机坐标系中的坐标可以互相转换:
3.2单目摄像机2激光测距传感器系统的标定
3.2.1 激光光斑空间坐标的求取
由于激光测距传感器测量得到的距离是激光出光点D到激光光斑点S间的距离l,因此,要将此数据与像机测量得到的数据融合起来,需要实时计算光斑点S在标志块物体坐标系OW-XWYWZW中的空间坐标。激光光束照射在合作标志块的表面一般形成一个亮圆斑 ,可以利用重心法实时精确求得光斑点的图像坐标为了能从光斑点S的像得到其在标志块物体坐标系中的坐标(SX,SY,SZ),要求标志块M的每个可能接收到激光光斑的表面都至少有4已知空间坐标的人工合作标志点,简单起见,一般选择物体坐标系中的特殊表面来接收激光光斑 ,因此设计合作目标M的前后表面互相平行 ,以前表面为XY平面建立标志块物体坐标系,则当激光光束照在标志块M的前表面上时光斑点S在标志块物体坐标系中的Z坐标S恒等于0当激光光束照在标志块M的后表面时S恒等于某一常数值,因此仅须求出SX和SY即可。
设A=12,3,4)为上述平面上的4个已知空间坐标的人工合作标志点,它们在物体坐标系中的空间坐标分别为 ( Xi , Yi , 0) , i = 1 ,2 ,3 ,4 ,对应的像点坐标分别为(ui,vi),i =1,2,3,4;S为激光光斑点 ,其空间坐标(SX,SY,0)为待求量 ,对应的图像坐标为(uS,vS)。
3.2.2激光出光点在摄像机坐标系下空间位置的标定
在利用单目摄像机2激光测距传感器进行位姿测量前 ,需要对系统中的激光出光点D摄像机坐标系下的坐标(DCX,DY,DCZ) 进行标定。
首先 ,高精度的标定摄像机,然后,通过多次调整系统的姿态 ,先后使标志块M上的激光光斑点Si ( i = 1 ,2 ,3 , …, n) 分布在标志块的不同部位 (要求所有的 Si 不在同一条直线上) ,利用激光测距数据和像机测量数据 ,就可以标定出上述所需的系统参数。
理论上 ,进行 n 次测量即可得到 n 个式所示方程成立 ,而未知数的个数为 3 ,因此只要 n( n ≥3) 次测量就可以解出最小二乘意义下的 X , Y , Z 的值。但是 ,由于式是非线性方程 ,解析形式的求解较为困难 ,因此可采用迭代的算法求解。
如此反复迭代 ,直至精度满足一定的要求即可终止迭代 ,从而得到激光出光点 D 在摄像机坐标系下的三维空间坐标。 3. 2. 3 激光光束在摄像机坐标系下空间方向的标定
标定出激光出光点 D 在摄像机坐标系下的坐标 ( DCX , DY , DCZ ) 后 , 还需要对激光光束 DS 在摄像机坐标系下的单位方向向量 ( a , b, c) T 进行标定。如果能同时得到摄像机坐标系下的激光出光点 D 和激光光斑点 S 的空间坐标 , 那么很容易得到激光光束在摄像机坐标系下的单位方向向量 。
3. 3 单目摄像机2激光测距传感器系统的测量
式中 ( S X , S Y , S Z ) 为激光光斑点在标志坐标系中的空间坐标 , riWj ,C ( i , j = 1 ,2 ,3) 为由标志坐标系变换到摄像机坐标系的旋转矩阵 RW ,C 的第 i 行 j列元素 , tXW ,C , tYW ,C 分别为标志坐标系变换到摄像机坐标系的 X 方向、Y 方向平移向量 ,它们均可以由单目视觉测量算法实时得到; l 为激光测距传感器的测距数据; ( DCX , DY , DCZ ) 为激光出光点在摄像机坐标系中的空间坐标 , ( a , b, c) T 为激光光线在摄像机坐标系中的单位方向向量 , 均可在测量前事先标定得到 ,因此可以得到由激光测距传感器修正后的 tZW ,C。
4 单目摄像机2激光测距传感器系统的标定和测量实验
单目摄像机2激光测距传感器位姿测量系统的实验装置图 ,其中单目摄像机为 Point Grey 公司的 Grasshopper 数字摄像机 ,最大分辨率为 2448 pixel ×2048 pixel , 最 高 采 集 帧 频 为15 frame/ s ,由于实时跟踪提取合作目标上的所有特征点坐标和进行数据处理 ,实验中实际采集帧频约为 6. 0 f rame/ s ;镜头为 Nikon 的 80~200 mm 变焦镜头 ; 激光测距传感器为 Dimetix 公司的 DL S2 B15F 激光测距传感器 ,最大测距 200 m ,最小测距0. 2 m ,测距精度1. 5 mm ,最大测量频率 25 Hz ,实验中实际测量距离约为 28 m ,实际测量频率与摄像机同步。
首先 ,对 Cam2DLS 系统中摄像机坐标系下的激光出光点坐标和激光光束的方向向量进行标定 ,标定所用的合作目标及激光光斑在其上的成像如图 5所示 ,其中 0~11 号标志点为已知空间坐标的十字合作标志 ,12 号标志为激光光斑点 ,实验中均采用亚像素算法实时跟踪提取它们的图像坐标。标定过程中 ,均连续采集 100 frame 数据进行平均以提高精度 ,对图 4中装置的某次标定结果如下 :摄像机坐标系下激光出光点的空间坐标为 ( - 162. 3 mm , 2. 5 mm ,- 5. 6 mm) T ,激光束的单位方向向量为 (0. 005517 , 0. 000034 ,0. 999985) T 。
然后 ,利用本文所述算法对待测的合作目标进行位姿测量。图 6 所示为在走廊内对某静止目标采集的沿摄像机光轴方向的相对位移测量数据 ,横坐标为图像采集帧数 ,纵坐标为光轴方向的相对位移变化 ,单位为毫米 ,其中ΔTz Cam 为仅用单目摄像机测量得到的沿光轴方向的相对位移测量值 ,ΔTz CamDL S 为用激光测距传感器修正后的沿光轴方向的相对位移测量值。
与仅利用单目摄像机对合作目标进行位姿测量相比 ,采用高精度激光测距传感器能显著提高单目摄像机在沿摄像机光轴方向上的位移测量精度 ,前者测量的标准差约为1.4mm ,而后者测量的标准差约为0.3mm。
室外实验的测量数据 ,待测目标与摄像机的距离与室内实验大致相等,ΔTz Cam ,ΔTzCamDLS的含义相同 ,前者测量的标准差约为 13. 3 mm , 而后者测量的标准差约为0.4mm。可见 ,由于大气湍流的加大 ,仅利用单目视觉测量得到的沿摄像机光轴方向上的相对位移的测量精度大大降低 ,但利用高精度激光测距传感器辅助测量得到的沿光轴方向相对位移的测量精度基本保持不变。
5、结论
针对单目视觉测量中沿摄像机光轴方向上的位移测量精度较差的问题 ,设计了一种利用高精度激光测距传感器辅助测量的单目摄像机2激光测距传感器位姿测量系统 ,该系统基于单目摄像机和空间合作目标位姿测量算法 ,通过在摄像机端加装一个与之固联的高精度的激光测距传感器 ,不仅可以大大提高系统在沿摄像机光轴方向上的位移测量精度 ,也可增强系统的稳健性 ;然后 ,对摄像机坐标系下激光测距传感器出光点的空间坐标和激光光束方向等系统参数进行了分析和标定 ;最后 ,给出了利用激光测距数据实时修正单目摄像机在沿光轴方向上位移测量数据的数据融合方法 ,并分别进行了室内和室外实验验证。实验结果表明 ,利用高精度的激光测距传感器辅助测量能大大提高系统在沿光轴方向上的位移测量精度 ,从而解决单目视觉测量中在沿光轴方向上位移测量精度低的难题 ,进而提高多像机接力传递摄像测量系统、像机网络摄像系统等在大型结构体位姿变形测量中的位移测量精度。
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