本发明涉及相机标定技术领域，特别是涉及一种无重叠视场的多相机标定方法及装置。

背景技术：

机器视觉因具有精度高、使用灵活、非接触式测量等优点被广泛应用在工业自动化生产过程中，尤其是高精度的工业生产设备中。随着机器视觉以及工业的快速发展，高精度的生产设备提出了高精度和大视场的要求，目前单相机的视场和精度已经很难满足高精度和大视场的要求，没有重叠视场的多相机则可以满足这一要求，因此多相机之间的标定成为了一项关键技术之一。

基于大范围测量设备的多相机标定方法(参见xiar,hum,zhaoj,etal.globalcalibrationofnon-overlappingcameras:stateoftheart[j].optik-internationaljournalforlightandelectronoptics,2017:s0030402617317977.和lurs,liyf.aglobalcalibrationmethodforlarge-scalemulti-sensorvisualmeasurementsystems[j].sensorsandactuatorsa(physical),2004,116(3):384-393.)，比如经纬仪，适合大视场，高精度的视觉测量现场。然而，传统的经纬仪标定无重叠视场的相机方法中，把世界坐标系建立在经纬仪坐标系上，然后用经纬仪给出两个标定板上每个点在经纬仪坐标下的三维坐标，最后，通过每个相机的局部标定完成两个相机之间的位姿关系标定。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种无重叠视场的多相机标定方法及装置，用以解决现有技术中多相机标定操作繁琐且精度低的问题，提高了精度。

本发明技术解决方案：一种无重叠视场的多相机标定方法，包括步骤：

步骤1.制作高精度第一棋盘格标定板和第二棋盘格标定板，标定板所在的坐标系定义为标定板坐标系；

步骤2.将所述的标定板放置于每个相机的视野中，使所述相机能够拍摄到所述标定板；

步骤3.控制每个所述相机拍摄图片，利用张正友标定方法获得每个相机坐标系到标定板坐标系的位姿关系，其中，所述相机坐标系为相机所在的坐标系；在这之前还包括步骤：

调节相机光圈、曝光时间和焦距，使得相机成像质量高，接着完成相机内参标定工作；

步骤4.将两台经纬仪联合起来组成双经纬仪三维坐标测量系统，分别测量每个标定板上任意n(n>3)个点在经纬仪坐标下的三维坐标，其中，所述的经纬仪坐标系为第一经纬仪所在的坐标系；

步骤5.选定的n的点在标定板坐标系下的坐标可通过棋盘格的尺寸获得，然后利用3d-3d位姿估计迭代最近点(iterativeclosestpoint,icp)理论求解标定板坐标系和经纬仪坐标的位姿关系，进而得到第一标定板和第二标定板之间的位姿关系；

第一标定板上的n个点p1,……，pn在第一标定板坐标系下的三维坐标集合定义为p＝{p1,……，pn}，n个点p1,……，pn在经纬仪坐标系下的坐标记为p′＝{p′1,……，p′n}；

两组点的质心：

计算每个点的去质心坐标：

qi＝pi-p,q′i＝p′i-p′i＝(1,……,n)

根据以下优化问题可计算第一标定板坐标系相对于经纬仪坐标系的旋转矩阵r*：

根据上式，可计算第一标定板坐标系相对于经纬仪坐标系的平移矢量t*：

t*＝p-r·p′

重复前面的步骤5，得到第二标定板坐标系和经纬仪坐标系之间的位姿关系，包括旋转矩阵和平移矢量。最后计算得到第一标定板和第二标定板之间的位姿关系。

步骤6.利用相机测量的相机和标定板之间的位姿关系，以及经纬仪标定的两个标定板之间的位姿关系可计算第一相机和第二相机之间的位姿关系。扩展相机数量，可实现多相机标定工作。

本发明还公开一种无重叠视场的多相机标定装置，包括第一相机、第二相机、第一标定板、第二标定板、第一经纬仪、第二经纬仪、相机三脚架。第一相机和第二相机分别测量相对于第一标定板和第二标定板的位姿，第一标定板和第二标定板的位姿由双经纬仪三维坐标测量系统计算得出，最后完成第一相机和第二相机的标定工作，扩展相机数量，可完成多相机的标定工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用经纬仪标定无重叠视场的相机，在两个标定板上分别建立两个靶标坐标系，通过3d-3d位姿估计出经纬仪坐标系和每一个标定板坐标系的位姿关系，然后计算出两个标定板之间的位姿关系，最后通过相机的局部标定完成无重叠视场的相机标定。本发明，标定板上的点在标定板坐标系下的坐标是已知的，不需要经纬仪给出，所以减少了工作量，提高了精度，为高精度的生产设备提供可靠的方案。

附图说明

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1为本发明一个实施例的多相机标定流程图；

图2为本发明一个实施例的所用标定板的示意图；

图3为本发明无重叠视场的多相机标定系统组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2、图3所示，作为一种可实施方式，本发明的系统基本组成包括第一相机、第二相机、第一标定板、第二标定板、第一经纬仪、第二经纬仪、相机三脚架。第一相机和第二相机分别测量相对于第一标定板和第二标定板的位姿，第一标定板和第二标定板的位姿由双经纬仪三维坐标测量系统计算得出，最后完成第一相机和第二相机的标定工作，扩展相机，可完成多相机的标定工作。

下面列举本发明一种无重叠视场的多相机标定的一个实施例，如图1所示，具体实施步骤如下：

1.制作高精度第一标定板和第二标定板，标定板所在的坐标系定义为标定板坐标系。图1为本发明所用的标定板，棋盘格标定板，陶瓷材质，精度可达5um；

2.将所述的标定板放置于每个相机的视野中，使所述相机能够拍摄到所述标定板，且两个相机之间没有重叠视场；

3.控制每个所述相机拍摄图片，利用张正友标定方法获得每个相机坐标系到标定板坐标系的位姿关系，其中，所述相机坐标系为相机所在的坐标系；在这之前还包括步骤：

调节相机光圈、曝光时间和焦距，使得相机成像质量高，接着完成相机内参标定工作；

4.如图3所示，将两台经纬仪联合起来组成双经纬仪三维坐标测量系统，分别测量每个标定板上任意n(n>3)个点在经纬仪坐标下的三维坐标，其中，所述的经纬仪坐标系为其中任一台经纬仪所在的坐标系；

5.选定的n的点在标定板坐标系下的坐标可通过棋盘格的尺寸获得，然后利用3d-3d位姿估计迭代最近点(iterativeclosestpoint,icp)理论求解标定板坐标系和经纬仪坐标的位姿关系，进而得到第一棋盘格标定板和第二棋盘格标定之间的位姿关系；

第一标定板上的n个点p1,……，pn在第一标定板坐标系下的三维坐标集合定义为p＝{p1,……，pn}，n个点p1,……，pn在经纬仪坐标系下的坐标记为p′＝{p′1,……，p′n}；

两组点的质心：

其中p和p′分别代表p＝{p1,……，pn}和p′＝{p′1,……，p′n}的质心。

计算每个点的去质心坐标：

qi＝pi-p,q′i＝p′i-p′i＝(1,……,n)

其中qi和q′i分别代表每个点的去质心坐标。

根据以下优化问题可计算第一标定板坐标系相对于经纬仪坐标系的旋转矩阵r*：

根据上式，可计算第一标定板坐标系相对于经纬仪坐标系的平移矢量t*：

t*＝p-r*·p′

重复前面的步骤，得到第二标定板坐标系和经纬仪坐标系之间的位姿关系，包括旋转矩阵和平移矢量。最后计算得到第一标定板和第二标定板之间的位姿关系，该方法在两个标定板上分别建立两个靶标坐标系，通过3d-3d位姿估计出经纬仪坐标系和每一个标定板坐标系的位姿关系，然后计算出两个标定板之间的位姿关系，最后通过相机的局部标定完成无重叠视场的相机标定。本发明，标定板上的点在标定板坐标系下的坐标是已知的，不需要经纬仪给出，所以减少了工作量。

6.利用相机测量的相机和标定板之间的位姿关系，以及经纬仪标定的两个标定板之间的位姿关系可计算第一相机和第二相机之间的位姿关系。扩展相机数量，可实现多相机标定工作。