一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法

1.本发明涉及一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，属于光学运动捕捉系统技术领域。


背景技术：

2.光学运动捕捉系统是一种由多个精密而复杂的光学摄像头组成的高精度的定位系统，通过从不同角度对目标特征点进行跟踪，以完成目标动作的实时捕捉。光学运动捕捉系统使用前，通过自标定建立系统自身的坐标系。目前，其坐标系的建立往往是通过在光学运动捕捉系统的共视区域内挥动标定杆完成，其标定精度往往能达到毫米级。但是，光学运动捕捉系统的自标定是相对标定精度，由于仪器的长期使用，场景的轻微振动等原因，其实际定位精度和出厂标称精度往往相差较大。
3.此外，在大场景下布设的光学运动捕捉系统，其边缘区域或者场景交界区域处能够共视的相机数量较少，边缘区域或场景交界区域的定位精度无法保证；且大场景下由于相机距离目标的距离较远，由尺度误差引起的系统定位精度误差更大。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，以解决大场景下光学运动捕捉系统的精度误差大的问题。
5.本发明为解决上述技术问题而提供一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，该标定方法包括以下步骤：
6.1)选取公共点并进行布设；
7.2)利用激光跟踪仪与光学运动捕捉系统分别测量公共点，利用公共点的测量数据确定光学运动捕捉系统与激光跟踪仪的位姿变换矩阵；
8.3)利用所述位姿变换矩阵将光学运动捕捉系统测量的公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下，并将转换后的坐标与激光跟踪仪的测量结果作差，根据做差结果标定光学运动捕捉系统的精度。
9.本发明通过在光学运动捕捉系统所在的空间布设公共点，利用高精度的激光跟踪仪测量公共点，光学运动捕捉系统和激光跟踪仪测量的公共点坐标确定光学运动捕捉系统与激光跟踪仪的位姿变换矩阵，通过位姿变换矩阵将光学运动捕捉系统测量的公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下，并根据转换后的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差标定光学运动捕捉系统的精度。通过上述过程，本发明能够准确、可靠地实现对光学运动捕捉系统的精度标定。
10.进一步地，所述步骤1)中若光学运动捕捉系统分布在空间多个区域，且各区域间能够共视的相机区域数量小于设定阈值，则在每个区域进行公共点布设。
11.进一步地，当每个区域都布设有相应的公共点时，先利用每个区域的公共点对光学运动捕捉系统进行区域精度标定，再利用整个区域的公共点对光学运动捕捉系统进行整
体精度标定。
12.本发明通过对各区域分开标定，确定各区域内光学捕捉系统的标定精度，再进行整个区域下光学运动捕捉系统的整体精度标定，进一步提高了大场景下光学捕捉系统的精度标定的准确性。
13.进一步地，在进行公共点布设时，将公共点均匀布设在相应的空间，且分布在光学运动捕捉系统所能观测到的整个区域范围。
14.本发明在进行公共点布设时，为了保证后续计算的精度，将公共点均匀布设到光学运动捕捉系统所能观测到的整个区域范围。
15.进一步地，所述步骤2)在利用激光跟踪仪与光学运动捕捉系统进行公共点测量时，分别选取同尺寸和同球心位置的跟踪仪靶球和反光标志靶球作为工具。
16.本发明选取同尺寸和同球心位置的反光标志靶球和跟踪仪靶球作为工具，解决了不同系统测量公共点困难的问题，提高了公共点测量的精度。
17.进一步地，在进行公共点测量时，将跟踪仪靶球放置在公共点位置处，利用激光跟踪仪测量公共点在跟踪仪坐标系下的坐标，之后基座位置不动，用反光标志靶球替代跟踪仪靶球，光学运动捕捉系统测量反光标志靶球的坐标。
18.进一步地，所述步骤2)中的位姿变换矩阵是采用基于罗德里格矩阵的抗差最小二乘迭代法求解得到。
19.本发明利用罗德里格矩阵的抗差最小二乘迭代法求解公共点转换矩阵，该方法待估参数少，计算精度高且通过抗差估计避免了粗差对结果的影响。
20.进一步地，所述的精度采用均方根误差来表征，计算公式为：
[0021][0022]
其中pe表示公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差，n表示公共点数量，e表示均方根误差，即为光学运动捕捉系统的精度。
[0023]
本发明利用公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差的均方根误差来表征光学运动捕捉系统的精度，能够准确、快速确定出光学运动捕捉系统的定位精度。
附图说明
[0024]
图1是本发明大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法的流程图；
[0025]
图2是激光跟踪仪的测量原理图；
[0026]
图3是大场景下光学运动捕捉系统相机分布及公共点布设示意图；
[0027]
图4是本发明中公共点布设方案示意图；
[0028]
图5是本发明公共点测量示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
[0030]
本发明通过在光学运动捕捉系统所在的空间布设公共点，利用高精度的激光跟踪
仪测量公共点，光学运动捕捉系统和激光跟踪仪测量的公共点坐标确定光学运动捕捉系统与激光跟踪仪的位姿变换矩阵，通过位姿变换矩阵将光学运动捕捉系统测量的公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下，并根据转换后的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差标定光学运动捕捉系统的精度。该方法的实现流程如图1所示，下面进行具体的说明。
[0031]
1.选取公共点并进行布设。
[0032]
在运动捕捉系统的视场范围内规划若干公共点，如图4所示。公共点的布设要空间分布均匀，且分布在光学运动捕捉系统所能观测到的整个区域范围，公共点应在空间x、y、z三个方向上都有一定的分布。对于大场景下布设的光学运动捕捉系统，如果光学运动捕捉系统分布在空间多个区域，且各区域间能够共视的相机区域数量较少，此时需要分区域进行精度标定。因此公共点在布设时也要分区域进行，如图3所示，本实施例中光学运动捕捉系统分布在三个区域，公共点也按照三个区域进行布设。
[0033]
2.利用激光跟踪仪与光学运动捕捉系统分别测量公共点。
[0034]
目前能达到亚毫米级的高精度测量仪器有激光跟踪仪、三坐标测量机、千分尺等。但是三坐标测量机、千分尺都采用接触测量的方式，测量范围小，不适合大场景下光学运动捕捉系统的精度标定。激光跟踪仪是一种高精度测量仪器，目前市场比较先进的激光跟踪仪，如leica at901激光跟踪仪测距精度为15um+6ppm，最大测量范围能达到80米，且带自动照准功能，能够测量运功捕捉系统的定位精度，激光跟踪仪的测量原理如图2所示。
[0035]
由于光学运动捕捉系统测量的为maker球球心，跟踪仪测量的是靶球球心，二者测量的点非共心，即非公共点。因此，如何选取合适的测量装置，实现两个系统的公共点统一是测量的难点。为解决测量点不一致的情况，利用leica系列的同尺寸半球形摄影测量反光工件替代光学运动捕捉系统的marker球。由于摄影测量反光工件和跟踪仪靶球半径相同，且摄影测量反光工件球心和跟踪仪靶球球心重合，因此跟踪仪测量的靶球球心和光学运动捕捉系统测量的摄影测量反光工件球心是相同测量点，达到了两套系统测量公共点的目的。
[0036]
测量时，如图5所示，跟踪仪靶球放置在公共点a位置处，跟踪仪记录a在跟踪仪坐标系下的位置，之后用摄影测量标志球替代跟踪仪靶球，基座位置不动，光学运动捕捉系统获取摄影测量标志球的坐标；再将靶座放置在b点，跟踪仪与光学运动捕捉系统依次获取b点的位置坐标，循环测量将布设的公共点位置坐标依次测量完毕。
[0037]
3.利用公共点的测量数据确定光学运动捕捉系统与激光跟踪仪的位姿变换矩阵。
[0038]
罗德里格矩阵由三个独立元素构成，具有计算简单、精度高等优点，且避免了旋转角象限判断的问题。因此，采用基于罗德里格矩阵的迭代法求解坐标系转换矩阵。罗德里格矩阵的定义如下：
[0039]
(1)引入矩阵其中a,b,c独立。
[0040]
(2)定义i为三阶单位阵，则r＝(i+s)(i-s)-1
为正交矩阵。将r展开后得到：
[0041][0042]
假设某一点在跟踪仪坐标系和光学运动捕捉系统坐标系下坐标分别为(xi,yi,zi)
t
和(ui,vi,wi)
t
，可以得到：
[0043][0044]
其中r为旋转矩阵，[t
x t
y tz]
t
为平移矩阵。
[0045]
两套坐标系下的公共点作差得到：
[0046][0047]
上式同时左乘(i-s)化简得到：
[0048][0049]
令k
ij
＝k
i-kj，上式化简为：
[0050][0051]
将i、s代入，经整理得到：
[0052][0053]
对于ax＝b的形式中，由于a为奇异阵，因此至少2个方程组才能解算出a,b,c。因此，当有n个公共点时，可以得到一个3(n-1)
×
3维的方程组如下：
[0054][0055]
通过最小二乘原理得到未知数的初值a0,b0,c0，根据公式(1)和公式(2)分别得到旋转矩阵的初始值r0和平移矩阵的初始值(t
x0
,t
y0
,t
z0
)
t
。
[0056]
由公式(1)和公式(2)得到：
[0057][0058]
线性化得到：
[0059][0060]
由此得到误差方程为：
[0061]
v＝mx-n
ꢀꢀꢀ
(10)
[0062]
其中
[0063][0064][0065][0066]
对于mx＝n形式的计算，通常用最小二乘迭代计算未知参数。但由于采集的公共点数量很多，难免可能存在粗差的情况。为避免粗差对参数估计的影响，这里引入基于igg3的抗差估计进行最小二乘估计。
[0067]
由公式(10)得到：
[0068][0069]
其中，为等价权。由于公共点的每次观测相互独立，因此为对角矩阵。中的每个对角元素满足：
[0070][0071]
pi为每次观测的权因子系数，取为1。根据igg3中的定义，wi的形式为：
[0072][0073]
其中，k0一般取1.0～1.5，k1一般取3.0～4.5，其中，v为残差量vi与标准化残差的比值标准化残差的计算方程为：
[0074][0075]
其中，为单位权中误差，为协方差矩阵对角线上的第i个元素。单位权方差的计算公式为：
[0076][0077]
其中，v表示误差项，p表示权重矩阵，m表示方程组的行数3(n-1)，t表示待估计的参数个数，取为6。
[0078]
综上所述，其计算过程为：首先，根据最小二乘原理求解得到未知数的初值a0,b0,c0；其次，计算得到旋转矩阵的初始值r0和平移矩阵的初始值(t
x0
,t
y0
,t
z0
)
t
；之后，结合初始值r0和(t
x0
,t
y0
,t
z0
)
t
线性化建立未知数a,b,c和t
x
,ty,tz的误差方程，通过抗差最小二乘迭代求取未知数a,b,c和t
x
,ty,tz，解算得到旋转矩阵r和平移矩阵t。
[0079]
4.利用得到的位姿变换矩阵进行精度标定。
[0080]
设公共点在光学运动捕捉系统与激光跟踪仪系下的坐标分别为pv和p
l
，求解的光学运动捕捉系统与激光跟踪仪位姿变换矩阵为和(为旋转矩阵，为平移矩阵)，利用得到的位姿变换矩阵将光学运动捕捉系统测量的公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下得到p
l
，再将转换后的公共点坐标与激光跟踪仪实际测量的坐标p
l
做差，具体采用的计算公式如下：
[0081][0082]
利用得到的pe确定光学运动捕捉系统的定位精度，本实施例通过计算光学运动捕捉系统的点位均方根误差，用得到的均方根误差来评价光学运动捕捉系统的定位精度，其中光学运动捕捉系统的点位均方根误差的计算公式为：
[0083][0084]
其中pe表示公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差，n表示公共点数量，e表示均方根误差，即为光学运动捕捉系统的精度。
[0085]
值得注意的是，对于大场景下布设的光学运动捕捉系统，如果光学捕捉系统分布在空间多个区域，且各区域间能够共视的相机区域数量较少，应分别进行各区域光学捕捉系统的精度标定，再进行整个区域光学运动捕捉系统的整体精度标定。如图3所示，假设本实施例中大场景下光学捕捉系统的相机分布在三个区域，每个区域内相机的共视条件良好，各区域间有少量相机存在共视关系。对于大空间下的光学运动捕捉系统精度标定，应首先求解跟踪仪坐标系与各区域光学运动捕捉系统坐标系的转换矩阵，分别评估光学运动捕捉系统各区域的定位精度；再将各区域的公共点放在进行一起进行整体评估光学运动捕捉系统的整体的整体定位精度。分区域标定的目的在于大场景下分区域和整体区域的系统精度往往相差很大，各分区域下由于相机共视数量多，相机与目标距离近，因此分区域下系统的精度往往较高；整体区域下由于区域间共视相机数量少，相机离目标距离远，整体区域下系统的精度可能大幅度降低。因此，大场景下通过进行整体区域标定和分区域标定，能更客观、全面地评估运动捕捉系统的定位精度，实现更加准确、客观的光学运动捕捉系统的精度标定。
[0086]
具体实现为：根据区域一的公共点，求取跟踪仪坐标系与区域一光学捕捉系统坐标系的坐标转换矩阵，利用坐标转换矩阵计算区域一的公共点转换误差得到区域一的光学运动捕捉系统的定位精度；同理，分别根据区域二和区域三的公共点，计算区域二和区域三的光学运动捕捉系统的定位精度；最后，将三个区域的公共点放在一起，计算跟踪仪坐标系与整体光学运动捕捉系统的坐标系转换矩阵，并将光学运动捕捉系统系下的所有公共点转换激光跟踪仪坐标系下与跟踪仪测量的公共点位置作差，计算整体光学运动捕捉系统的定位精度。
[0087]
本发明提出的标定方法适用于大场景复杂场景下的光学运动捕捉系统的精度标定，能够解决光学运动捕捉系统各区域间相机共视区域小、相机与目标距离远、共视相机数量少等导致标定困难的问题。通过对各区域分开标定，确定各区域内光学捕捉系统的标定精度，再进行整个区域下光学运动捕捉系统的整体精度标定，能够准确、可靠地实现大场景下光学捕捉系统的精度标定。

技术特征：
1.一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，该标定方法包括以下步骤：1)选取公共点并进行布设；2)利用激光跟踪仪与光学运动捕捉系统分别测量公共点，利用公共点的测量数据确定光学运动捕捉系统与激光跟踪仪的位姿变换矩阵；3)利用所述位姿变换矩阵将光学运动捕捉系统测量的公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下，并将转换后的坐标与激光跟踪仪的测量结果作差，根据做差结果标定光学运动捕捉系统的精度。2.根据权利要求1所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，所述步骤1)中若光学运动捕捉系统分布在空间多个区域，且各区域间能够共视的相机区域数量小于设定阈值，则在每个区域进行公共点布设。3.根据权利要求2所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，当每个区域都布设有相应的公共点时，先利用每个区域的公共点对光学运动捕捉系统进行区域精度标定，再利用整个区域的公共点对光学运动捕捉系统进行整体精度标定。4.根据权利要求1或2所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，在进行公共点布设时，将公共点均匀布设在相应的空间，且分布在光学运动捕捉系统所能观测到的整个区域范围。5.根据权利要求1所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，所述步骤2)在利用激光跟踪仪与光学运动捕捉系统进行公共点测量时，分别选取同尺寸和同球心位置的跟踪仪靶球和反光标志靶球作为工具。6.根据权利要求5所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，在进行公共点测量时，将跟踪仪靶球放置在公共点位置处，利用激光跟踪仪测量公共点在跟踪仪坐标系下的坐标，之后基座位置不动，用反光标志靶球替代跟踪仪靶球，光学运动捕捉系统测量反光标志靶球的坐标。7.根据权利要求1所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，所述步骤2)中的位姿变换矩阵是采用基于罗德里格矩阵的抗差最小二乘迭代法求解得到。8.根据权利要求1或7所述的大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，其特征在于，所述的精度采用均方根误差来表征，计算公式为：其中p
e
表示公共点坐标转换到激光跟踪仪坐标系下的坐标与激光跟踪仪的测量结果之差，n表示公共点数量，e表示均方根误差，即为光学运动捕捉系统的精度。

技术总结
本发明涉及一种大场景下光学运动捕捉系统的精度标定方法，属于光学运动捕捉系统技术领域。本发明提出的标定方法适用于大场景复杂场景下的光学运动捕捉系统的精度标定，能够解决光学运动捕捉系统各区域间相机共视区域小、相机与目标距离远、共视相机数量少等导致标定困难的问题。此外，本发明通过对各区域分开标定，确定各区域内光学捕捉系统的标定精度，再进行整个区域下光学运动捕捉系统的整体精度标定，能够准确、可靠地实现大场景下光学捕捉系统的精度标定。系统的精度标定。系统的精度标定。


技术研发人员：罗豪龙 李广云 李建胜 王力 项学泳 李枭凯 高扬骏 李凯林 李雪强 杨子迪 朱华阳
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/24