双目高速相机依靠两台相机同步采集图像,通过立体匹配还原目标的三维空间信息,在材料力学试验、动态形变捕捉、高速运动物体观测场景中使用较多。标定是整套测量工作里的前置环节,用来获取镜头自身光学属性,以及两台相机之间的空间位置关系。标定过程里的操作细节,会直接决定后续三维坐标、形变数据的可靠程度,很多测量偏差,根源都来自标定环节的处置不当。
平面靶标标定是现场使用比较普遍的方式,大多选用棋盘样式的标定板开展采集。操作时,将标定板放置在相机共同视场内,不断调整标定板的距离、倾斜角度,让靶标出现在画面不同区域,采集多组同步图像。图像采集完成后,识别靶标上的特征角点,通过计算解算镜头内参,修正镜头带来的畸变,同时确定两台相机之间的相对姿态。这种方式操作门槛低,适配大多数静态标定场景,也是高速双目设备初次调试的常用方案。除平面靶标之外,还有空间立体靶标标定方式,依靠带有固定间距标记点的三维构件,直接在空间不同位置采样,对大视场、远距离测量场景更适配,但靶标制作与摆放难度更高。
高速相机和普通双目相机标定存在区别。高速采集模式下快门时间短,进光量偏少,图像亮度偏低,特征点容易模糊,角点识别的稳定性下降。标定采集时,两台相机必须保持严格同步,图像触发时序错开,左右画面里标定板姿态不对应,采集的样本就失去使用价值。标定阶段使用的镜头光圈、对焦位置,要和后续正式测量保持一致,对焦改动之后,光学参数发生变化,之前的标定结果不再适用。
标定靶标的状态,是最先需要把控的环节。标定板基材要平整,不能存在弯曲、翘曲,表面涂层避免反光,强光照射下产生的光斑会掩盖角点轮廓,造成识别出错。打印类标定板长期存放受潮,板面变形,标记方格之间的距离发生改变,也会引入误差。采集图像时,靶标不要只固定在画面中心,要移动到视场边缘、近处、远处多个位置,让采样样本覆盖整个观测空间,才能更好修正全画面的畸变。单一侧、单一距离采集的图像样本,算出的参数只能适配局部区域,画面边缘位置的三维测量偏差会明显变大。
光照条件对标定效果影响明显。尽量选用柔和均匀的漫射光源,避免直射光在标定板表面形成明暗反差。左右两台相机的受光环境尽量接近,一侧偏亮一侧偏暗,会造成两边图像特征识别的门槛不一致。光源位置不要随意挪动,标定完成之后,正式试验也沿用这套照明方案,光照变化会改变镜头成像效果,间接带来匹配误差。
设备固定与环境扰动,是高速双目标定容易忽略的部分。相机支架、底座需要锁止牢固,标定采集过程中,轻微触碰支架、震动,都会改变两台相机之间的相对位置。高速试验现场常有冲击、振动,标定完成后,如果支架受到撞击、螺丝松动,外参就会发生偏移,需要重新标定。温度变化同样会带来影响,机身、支架、镜头随温度变化产生微量形变,相机之间的基线与角度随之改变,温差较大的环境,最好等待设备温度稳定之后再开始标定。
图像采集操作上也有不少需要留意的要点。采集时保证标定板上所有特征标记完整落在两幅画面内,不要出现靶标边缘被裁切的情况,缺失角点会降低样本的约束能力。采集数量需要充足,同时剔除模糊、过曝、角点识别失败的图像,不合格样本混入计算,会拉低整套标定结果的质量。采集完成之后,查看重投影误差,误差超出可接受范围时,不要直接使用,排查光照、靶板平整度、同步触发问题,重新采集样本。
标定完成不代表可以长期沿用这套参数。高速相机多用于动态冲击、爆裂、形变类试验,每次试验带来的震动,都有可能让机位发生微小偏移。视场更换、镜头拆卸清洁、相机重新拆装之后,都需要再次标定。部分操作人员只在设备到货时标定一次,后续长期使用,随着支架松动、镜头积灰,测量偏差慢慢累积,到最后数据失去参考意义。
还有一个容易出现的误区,就是标定环境和试验环境分开。在平稳安静的实验室完成标定,再把整套设备搬到震动大、光照不同的试验工位直接使用,两个场景的工况差异,会让标定模型和实际成像条件不匹配。条件允许时,标定工作直接在试验工位开展,标定时的机位、光源、光圈、对焦,和正式测试wan全统一。
总的来说,双目高速相机标定,不只是采集几张靶标图像运行计算,而是一套控制成像、同步、机位稳定的系统操作。靶标质量、光照均匀性、相机同步、支架稳定性、环境温度,都会作用于标定参数,进一步传递到三维测量结果中。规范标定流程,做好采集样本筛选,并且按照工况变化及时复标,能够减少立体匹配带来的误差,让动态三维测量、形变观测的数据稳定可靠。