视觉测量系统的摄像机标定及其应用研究

论文摘要

在计算机视觉测量中,摄像机与外界被测目标的相对位置变动造成摄像机内外参数经常发生变化,最终造成测量偏差。基于径向约束两步法、平面标定法等方法虽可以实现在线摄像机标定,但是由于冶金工业中噪声的存在以及空间限制等,上述方法使用精准的标定设备无法在工业现场应用。本文针对上述难题,提出了一种基于柱形测量棒标定环的摄像机标定方法,通过特征点坐标识别,建立可靠标定模型,实现了摄像机的参数标定及其与测量棒位置关系的在线更新,该方法可应用于中间包钢水液位测量中。本文的主要研究内容如下：1.基于三维测量棒靶标的摄像机标定研究本文对基于三维测量棒靶标的摄像机标定模型进行了数学推导和理论分析,实现了摄像机的内外参数标定功能,并分析了数据源的数量、准确性、算法本身、参数间约束等问题对标定结果的影响。同时,建立了测量棒上点的2D-3D的坐标转换关系,实现了图像坐标到实际坐标的转换。2.基于三维测量棒靶标的角点可靠性识别和标定点提取棋盘格标定靶标在制作过程中,角点交接区域容易出现分离和交接的现象,造成角点定位失败。针对这一问题,本文比较了常用的角点检测方法,并采用SV算子,保证角点可靠、唯一地被识别,实现标定数据集合的可靠提取,定位误差小于1.2个像素。3.摄像机标定方法在中间包钢水液位测量中的应用在中间包钢水液位测量中,采用基于三维测量棒靶标的摄像机标定方法,建立2D-3D的坐标转换关系,对测量棒上的点进行坐标投影,实现了液位测量。同时,针对测量棒在实际工作时的偏移和旋转,本文通过在线标定摄像机外参进行实时测量棒位姿校正,保证了测量的可靠性。综上,基于三维测量棒靶标的摄像机标定方法能够克服冶金工业中噪声以及空间限制等不足,标定过程简单可靠,对环境要求低,在冶金工业等恶劣环境领域的参数检测中具有良好的适用性和应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 摄像机标定技术的研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 摄像机标定技术
• 2.1 摄像机标定技术及优化方法
• 2.1.1 摄像机标定技术
• 2.1.2 优化目标函数
• 2.1.3 线性最小二乘法
• 2.2 摄像机成像模型
• 2.2.1 摄像机成像的三个相关坐标系
• 2.2.2 摄像机成像模型
• 2.3 基于3D靶标的摄像机标定
• 2.3.1 摄像机参数
• 2.3.2 线性模型摄像机标定
• 2.3.3 估计摄像机内外参数
• 2.3.4 标定结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于角点检测方法的标定数据提取
• 3.1 角点检测方法
• 3.2 黑白棋盘格角点识别及提取
• 3.2.1 SV算子角点检测及唯一性识别
• 3.2.2 测量棒上特征点数据集提取
• 3.3 检测结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 摄像机标定技术在液位测量中的应用
• 4.1 测量模型及标定系统设计
• 4.1.1 液位测量系统的几何模型
• 4.1.2 标定系统的建立和设计
• 4.2 摄像机标定技术应用
• 4.2.1 基于测量棒的液位测量
• 4.2.2 视觉系统软件设计
• 4.2.3 测量棒的位姿校正
• 4.3 测量结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢