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如何通过黑白棋盘进行定位配准融合？(前后安装的两个相机)

news 2025/8/2 9:15:09

一.总结:

完整流程 ：硬件准备 → 数据采集 → 空间统一 → 相机标定（内参+畸变） → 外参求解 → 定位配准融合 → 校验 → 生成映射表 → 上线remap验证

我们场景流程 ：硬件准备 → 数据采集 → 空间统一 → 定位配准融合 → 校验 → 生成映射表 → 上线remap验证 （少了内参标定和外参求解，根据自己的项目来定，如果要求的精度可以不是很高，内参和外参不是必要项）

我们算法流程：两个相机成像空间统一 → 定位配准融合（黑白棋盘） → 生成映射表 → 上线remap验证。

二.拆解：

1. 硬件准备

黑白棋盘格的板子，安装前后两个相机，传送带。
（1）使用两台分辨率的线扫描相机，同时拍摄带有黑白棋盘格的移动载物平台，确保所有图像都含有棋盘格背景，便于后续定位和配准。

2.数据采集

两个相机前后安装，等传送带速度稳定后，放上黑白棋盘和目标物，采集数据。
在这里插入图片描述

3.空间统一

3.1两相机空间分辨率统一

调节传送带移动速度，目标物在传送带经过两个相机后，计算黑白棋盘方格长宽比 scale=H/W (H为棋盘格高度，W为棋盘格宽度)，直到 scale≈1（像素在扫描与列方向上等距），这样使两相机均达到统一的空间分辨率。

3.1.1 棋盘格角点作为空间基准
通过 Harris 角点检测识别棋盘格角点，排序后计算长宽比（scale=H/W≈1），排列角点序号和角点坐标，保存成json文件，方便后面 6. 定位配准融合加载分析。
在这里插入图片描述

下面是原始黑白棋盘图像和空间分辨率统一后的黑白棋盘图像。
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核心代码：

# 下面自己调整参数
# quality_level： goodFeaturesToTrack 会把角点响应值低于 maxResponse × qualityLevel 的点直接丢弃
# min_distance：非极大值抑制阶段会把相邻角点“合并”掉
max_corners = 200        # 500
quality_level = 0.0001     # 0.01
min_distance = 5          # 20
corners = cv2.goodFeaturesToTrack(gray,maxCorners=max_corners,qualityLevel=quality_level,minDistance=min_distance,useHarrisDetector=True,k=0.04
)# 3. 亚像素角点优化
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 40, 0.001)
if corners is not None:corners = cv2.cornerSubPix(gray, np.float32(corners), winSize=(5, 5), zeroZone=(-1, -1), criteria=criteria)

4. 相机标定(两个相机内参+畸变求解)（暂不用）

每个单目相机标定，确定内参。
主要的内参：焦距 fx、fy，主点 cx、cy；再配合内参矩阵 K1（相机1）、K2（相机2）和光学畸变系数D1（相机1）、D2（相机2）。

内参：从相机坐标系转换到像素坐标系中。
外参：从世界坐标系转换到相机坐标系中(用于有深度的重投影)。
里面的参数一般都是相机出厂就定下来的，可以通过相机标定的方式人为计算出来。

K1/K2：可见光/近红外相机的内参矩阵，决定成像几何映射。
D1/D2：可见光/近红外相机的畸变系数，描述光学形变。

（内参求解暂时没用到，等以后实验再分析）

5. 外参求解（暂不用）

暂时用不到外参：
我们使用的两个相机都不是深度相机，而且也没有高度传感器/双目/结构光等，不能获取深度和高度。（外参求解结合以后实验再分析）

6. 定位配准融合

图像配准与融合技术：透视变换和RANSAC迭代
基于棋盘格关键角点进行匹配配准，使用透视变换统一不同波段图像的视角差异，然后融合生成最终高光谱图像。该方法确保光谱和空间统一后的图像在几何上对齐，最后通过感兴趣区域（ROI）裁剪后叠加，得到融合图像。

核心代码：

# 黑白棋盘角点位置坐标（手动给或json里面加载）if args.pts_json:src_pts, dst_pts, names = load_points_from_json(args.pts_json)else:src_pts, dst_pts, names = default_points()# 估计单应（相机1（低分辨率） -> 相机2（高分辨率））H, inlier_mask = cv2.findHomography(src_pts, dst_pts, method=cv2.RANSAC, ransacReprojThreshold=3.0)if H is None:raise RuntimeError("单应性矩阵估计失败，请检查点位。")# 透视变换到可见光坐标系（用于可视化验证）hs_warp = cv2.warpPerspective(hs, H, (w_rgb, h_rgb), flags=cv2.INTER_LINEAR)# 重投影误差（errors保存到文件中，用于分析哪些点pix匹配差异大）proj = cv2.perspectiveTransform(src_pts, H)errors = np.linalg.norm(dst_pts.reshape(-1,2) - proj.reshape(-1,2), axis=1)

下面2副图是两个相机定位配准融合后的图，两个图像几乎匹配上。
在这里插入图片描述

7. 检验

（1）用cv2.addWeighted 把两路图实时叠加，观察匹配后的物体是否有飘移。
（2）分析 errors = np.linalg.norm(dst_pts.reshape(-1,2) - proj.reshape(-1,2), axis=1)得到的errors，查看平均误差，中位误差，最大误差，进而消除一些异常点，使匹配精度得到提升。

8. 生成查找表

把映射矩阵通过LUT 打包成lut.npy，实际生产的时候，随软件升级同步。
生成这几个打包文件： lut.npy（包含mapx.npy和mapy.npy）或者单个mapx.npy 和单独mapy.npy

def build_lut_from_H(H: np.ndarray, out_w: int, out_h: int):"""生成 remap 查找表 mapx/mapy：生成映射矩阵。remap 时：dst = remap(src=相机1（低分辨率）, mapx, mapy) -> 输出尺寸与( out_w, out_h )一致。"""Hinv = np.linalg.inv(H).astype(np.float64)xs = np.arange(out_w, dtype=np.float32)ys = np.arange(out_h, dtype=np.float32)xg, yg = np.meshgrid(xs, ys)   # (H,W)ones = np.ones_like(xg, dtype=np.float32)grid = np.stack([xg, yg, ones], axis=-1).reshape(-1,3).T  # (3, H*W)src_h = (Hinv @ grid)    # @是矩阵乘法，等同于np.dot()（在二维数组上）或np.matmul()src_h /= (src_h[2:3, :] + 1e-12)mapx = src_h[0, :].reshape(out_h, out_w).astype(np.float32)mapy = src_h[1, :].reshape(out_h, out_w).astype(np.float32)return mapx, mapy

最后remap映射矩阵文件即可：
加载lut.npy进行remap映射。

import cv2, numpy as np
import osroot_path = "xxxxxx"
hs   = cv2.imread(os.path.join(root_path, "5.bmp"))    # camera1图映射到camera2图# 加载映射矩阵文件
# mapx = np.load(os.path.join(root_path, "校准文件npy","mapx_20250731_142541.npy"))
# mapy = np.load(os.path.join(root_path, "校准文件npy","mapy_20250731_142541.npy"))with np.load(os.path.join(root_path, "校准文件npy","lut_20250731_142541.npz")) as d:mapx = d["mapx"]mapy = d["mapy"]hs_to_rgb = cv2.remap(hs, mapx, mapy, interpolation=cv2.INTER_LINEAR,borderMode=cv2.BORDER_CONSTANT, borderValue=0)
cv2.imwrite(os.path.join(root_path, "output","camera1_to_camera2_remap.png"), hs_to_rgb)

`还存在的问题`：

1. 图像畸变问题：
即使做了6. 定位配准融合，但由于没有做4. 相机标定(两个相机内参+畸变求解)，所以相机1和相机2的成像图的畸变问题依旧存在。接下来要做4. 相机标定(两个相机内参+畸变求解)，减少畸变对像素匹配的影响，提升像素匹配精度。
（生成 H 时只用背景平面点（例如 0–39 号），并先去畸变（单目标定一次即可），一般可把中位误差压到 ~2 px 以内。）

2. 实际产线目标物高度影响成像，影响像素匹配：
在实际产线上，由于相机1和相机2焦距不一样，视场角不一样，导致一些有高度的目标物在两个相机下成像不一样，最终导致两个相机的物体的像素不能完全匹配上，造成误差。这需要5. 外参求解求解出目标物高度或者深度。

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http://www.lryc.cn/news/607152.html