面向双目视觉测量的像元量化误差建模与分析

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在双目视觉测量系统中,像素量化是空间点坐标测量值的一个重要误差来源。像素量化导致左右像素匹配对不再是点对应关系,而是区域间的对应关系,因此,像素匹配对映射的空间点位置是一个空间区域,故采用三角测量原理计算的空间点坐标存在误差。现有对像素量化误差的分析大多数针对等焦距平行双目视觉测量系统,并且很少对空间点位置进行估算和误差分析。围绕上述问题,本文的主要研究内容如下:(1)针对双目视觉测量系统中像素量化引起空间点位置测量精度低的问题,分别对等焦距和非等焦距情况下的像素量化误差模型进行了分析。首先,基于透视投影原理,建立三维像素量化误差模型。然后,给出了像素量化误差模型的数学表达式,利用线-线相交法和公垂线中点法求解像素量化误差不确定区域的顶点坐标。最后,阐述了像素量化误差不确定区域体积度量空间点测量误差的方法。实验结果表明,所讨论的方法达到了像素量化误差建模效果,等焦距情况下,得到一个结论-与摄像机平行平面上的空间点的像素量化误差不确定区域体积没有改变,并且验证了空间点的物距越大,对应的像素量化误差不确定区域体积越大。(2)针对空间点的位置估算与误差问题,本文将像素量化误差不确定区域的中心点作为空间点估算值,并基于概率分布对空间点位置的概率进行分析。首先,通过手动采集标准量块的顶点像素坐标,分别以其为中心,扩展为3*3和5*5模板,将模板内的像素一一匹配得到大量样本,根据本文讨论的建模方法,并结合两点间距离公式计算这些样本对应的标准量块尺寸。然后,针对大量样本,采用曲线图和直方图对标准量块尺寸进行误差分析,实验结果表明,在合理范围内扩大模板提高了标准量块尺寸的测量精度。最后,基于空间点在像素量化误差不确定区域内分别服从三维正态分布和三维均匀分布,计算以估算值为中心的小空间区域的概率,实验结果表明,基于三维均匀分布比基于三维正态分布的概率更大。(3)进行了相关的实验验证与分析。首先,进行相机标定获取双目相机参数,并对标准量块进行立体匹配获取视差图,对其进行三维重建。然后,利用相机标定参数,对棋盘角点的像素量化误差不确定区域以及体积误差进行实验分析。最后,对标准量块尺寸的测量误差进行大样本分析,并基于三维正态分布和三维均匀分布情况,分别计算了以标准量块顶点坐标估算值为中心的一小空间区域的概率。
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