一种标定摄像机参数的方法及装置的制作方法

文档序号:6600663阅读:555来源:国知局
专利名称:一种标定摄像机参数的方法及装置的制作方法
技术领域
本发明涉及摄像机标定技术,特别涉及一种标定摄像机参数的方法及装置。

背景技术
随着计算机视觉技术的发展和应用,在摄影测量以及计算机视觉领域,通过摄像机对被测目标进行摄像,然后从摄像得到的图像中,利用计算机视觉技术重构出被测目标的空间位置结构,也就是建立被测目标的空间位置坐标与通过摄像机摄像得到的图像中对应被测目标的平面位置坐标之间的几何关系,通过平面图像的平面位置坐标信息恢复出被测目标的空间位置坐标信息,对于遥感测量、拍摄有着重要的意义。而建立上述几何对应关系,首先必须确定摄像机成像的数学模型,该数学模型的参数即为摄像机参数,大多数情况下这些参数必须通过实验与计算才能得到,通过实验与计算得到摄像机参数的过程就称之为摄像机标定。在摄影测量和计算机视觉领域,摄像机参数的标定是重要环节,其标定结果的精度和算法的稳定性直接影响最终测量或识别结果的准确性,即影响构建的被测目标的空间位置结构的精度。
摄像机参数包括摄像机内参数以及外参数,内参数是指恢复光线束形状的要素,主要包括像主点、摄像机的主距以及透镜畸变系数等,外参数是指确定光线束在给定物方空间坐标系中位置和朝向的要素,包括投影中心和摄像机光轴方位在物空间坐标系中的三个角度量等参数,由于摄像机外参数与本发明无关,因而,后续本发明中所述的摄像机参数为内参数。
现有标定摄像机参数的方法是利用一个标准参照物与通过摄像机摄像得到的多幅图像建立包含摄像机内外参数的对应约束关系(共线方程),来确定摄像机模型的各个内外参数之间的非线性方程,通过迭代运算得到一组摄像机内外参数最优解的集合。但该方法的限制条件较多,特别是需要多幅标定靶(标准参照物)图像参与标定工作,使摄像机参数的运算过程引入了更多的外参数,而且,建立的非线性方程或方程组中,内参数和外参数之间相互约束、相互影响,增加了标定结果的不稳定性,使得摄像机参数标定精度较低,从而影响构建的被测目标的空间位置结构的精度。


发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种标定摄像机参数的方法,使得摄像机参数分别独立标定,提高摄像机参数的标定精度。
本发明的另一目的在于提供一种标定摄像机参数的装置,使得摄像机参数分别独立标定,提高摄像机参数的标定精度。
为达到上述目的,本发明提供的标定摄像机参数的方法,该方法包括 获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像; 获取标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标; 根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点,获取基准直线上虚拟网格点的坐标; 根据像主点附近无畸变区域像素点信息获取消隐点坐标; 根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟无畸变网格点坐标; 根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数; 根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
所述根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点包括 在待构建的虚拟网格中获取像主点附近无畸变区域像素点; 分别拟合虚拟网格中行向和列向虚拟网格点直线方程; 分别获取拟合的行向和列向直线方程中曲率最小的直线方程; 根据获取的曲率最小的直线方程获取基准点。
根据最小二乘法分别拟合所述虚拟网格中行向和列向虚拟网格点直线方程。
通过计算虚拟网格中各相应网格点与对应的拟合直线间的距离的平方和获取该拟合曲线的曲率。
所述根据获取的曲率最小的直线方程获取基准点包括 选取曲率最小的行向直线方程对应的网格行与曲率最小的列向直线方程对应的网格列对应的虚拟网格点为基准点;或 选取曲率最小的行向直线方程与曲率最小的列向直线方程的交点为基准点。
将像主点附近无畸变区域像素点组成行向和列向直线束,分别求解行向和列向直线束组成的超定方程组,获取所述消隐点坐标。
所述根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点包括 连接获取的横向基准直线上扩展的虚拟网格点Ai(u′i,v′i)(i=0,1,-1,2,-2…)和纵向消隐点pr(u′r,v′r),得到相交直线束中第i条直线AiPr的直线方程 连接获取的纵向基准直线上扩展的虚拟网格点Bj(u′j,v′j)(j=1,-1,2,-2…)和横向消隐点Pc(u′c,v′c),得到另一相交直线束中第j条直线BjPc的直线方程 计算第(j,i)个虚拟网格点(u′j,i,v′j,i)的无畸变坐标,计算公式为 所述计算摄像机主距参数的公式为 (u0-um)2+(v0-vm)2+f2=R2 其中, (u0,v0)为像主点P的像面坐标,(u′r,v′r),(u′c,v′c)分别为纵向消隐点以及横向消隐点的坐标,f为主距。
所述计算摄像机畸变参数的公式为 其中,(u′,v′)表示构建的虚拟网格中无畸变虚拟网格点坐标; (u,v)表示虚拟网格点对应的标定靶图像中像素点的坐标; (μ0,v0)为像主点坐标; ρ是标定靶图像中像素点到像主点(μ0,v0)的距离
k1,k2,k3为径向畸变系数; p1,p2为切向畸变系数。
一种标定摄像机参数的装置,该装置包括标定靶图像获取模块、像素点坐标信息获取模块、虚拟网格基准点信息获取模块、消隐点信息获取模块、虚拟网格点构建模块、存储模块以及摄像机参数标定模块,其中, 标定靶图像获取模块,用于获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像; 像素点坐标信息获取模块,用于获取标定靶图像中各像素点的坐标信息,将标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标信息分别输出至虚拟网格基准点信息获取模块及消隐点信息获取模块; 虚拟网格基准点信息获取模块,根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点; 消隐点信息获取模块,用于根据像主点附近无畸变区域像素点信息组成直线束,求解直线束组成的超定方程组获取消隐点坐标; 虚拟网格点构建模块,用于将像主点附近无畸变区域像素点的坐标作为基准直线上的虚拟网格点,根据获取的基准点、消隐点以及存储模块存储的共线的等距线段成像的比例关系信息,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点; 存储模块,用于存储共线的等距线段成像的比例关系信息; 摄像机参数标定模块,用于根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数,根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
由上述的技术方案可见,本发明提供的一种标定摄像机参数的方法及装置,获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像;获取标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标;根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点,获取基准直线上虚拟网格点的坐标;根据像主点附近无畸变区域像素点信息获取消隐点坐标;根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点;根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数;根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。这样,相比于传统标定方法,将摄像机各参数进行独立标定,避免了非线性方程组解算的繁琐的迭代过程,提高了标定结果的稳定性,且灵活性比较强,可根据场景内的内容景象,分步完成摄像机的内参数标定,且该标定方法不受标定尺空间位置的影响。



图1为本发明实施例标定靶图像示意图。
图2为本发明实施例标定摄像机参数的方法流程示意图。
图3为本发明实施例的获取基准点的方法流程示意图。
图4为本发明实施例虚拟网格无畸变区域以及消隐点示意图。
图5为本发明实施例基准线上基准点编号示意图。
图6为本发明实施例计算共线的等距线段成像的比例关系示意图。
图7为本发明实施例对标定靶图像进行自动化检测得到的成像中心结构示意图。
图8为本发明实施例利用标定靶图像中间区域畸变为零的特性以及消隐点理论构建的虚拟网格与标定靶图像的比较示意图。
图9为本发明实施例标定摄像机参数的装置结构示意图。

具体实施例方式 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
根据透镜畸变原理,成像像面区域可以分为以像主点Q(u0,v0)附近的无畸变或小畸变成像区域和四周边缘的畸变成像区域两部分,摄像机在对被测目标进行摄像时,摄像机的像主点与成像像面的几何中心是重合的,以及像主点附近的透镜畸变为零。本发明实施例中,提出虚拟网格标定法,利用单幅标定靶图像,基于“像主点附近透镜畸变为零”和“摄像机的像主点坐标与成像像面的几何中心重合”的特性,在虚拟网格中建立基于基准点的基准直线,并基于消隐点理论构建虚拟网格中基准直线上虚拟网格点坐标,再通过预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点,根据建立的虚拟网格以及对应的标定靶图像对摄像机各参数进行独立标定,从而避免非线性方程组解算的繁琐的迭代过程,提高了标定结果的稳定性,且灵活性比较强,不受标定尺空间位置的影响,可根据场景内的内容景象,分步完成摄像机的内参数标定。
像主点Q(u0,v0)为成像像面中心区域,例如,对于分辨率为2048x1024像素的标定靶图像,其像主点Q(u0,v0)的坐标为u0=1024,v0=512。关于成像像面各像素点坐标的获取,具体可参见相关技术文献,在此不再赘述。
在透视投影模型中,向光轴倾斜的3D线在2D图像中消失于一个点,称这个点为消隐点(Vanishing Point),消隐点是某方向上无穷远点在成像像面上的投影,光心和消隐点的连线方向正好和该方向一致,所以同方向的一组直线对应着同一个消隐点。
本发明实施例中,摄像机参数主要包括摄像机主距参数以及摄像机畸变系数。
图1为本发明实施例标定靶图像示意图。参见图1,标定靶采用正方形网格平板,成像像面上的正方形的网格点用灰度均匀的圆点表示,网格的边长(相邻网格点间距)可根据实际需要设置,图中,正方形网格是由两组相互垂直的等距的平行线组成。
图2为本发明实施例标定摄像机参数的方法流程示意图。参见图2,该流程包括 步骤201,获取摄像机拍摄的标定靶图像; 本步骤中,标定靶采用正方形网格平板,网格平板上的网格点用灰度均匀的圆点表示,选取需要标定的摄像机,对该标定板进行拍摄,获取标定靶图像,并根据相关技术文献,生成成像像面各像素点的坐标。
步骤202,获取标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标; 本步骤中,基于“像主点附近透镜畸变为零”和“摄像机的像主点坐标与成像像面的几何中心重合”,可以认为,像主点附近区域的畸变率可以忽略不计,即认为没有畸变率,这在图像标定中是公知的假设。像主点附近无畸变区域的选择可以根据实际需要进行选择,例如,选取像主点附近的s×s(s=5)无畸变区域的像素点,将该像素点的坐标作为待构建的虚拟网格中的无畸变虚拟网格点。
步骤203,根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点; 本步骤中,基准点可以直接根据获取的像主点附近无畸变区域像素点确定,将像主点附近无畸变区域的中心像素点作为基准点;当然,为了进一步提高构建的基准点精确度,也可以采用本发明实施例的方法来获取基准点。
图3为本发明实施例的获取基准点的方法流程示意图。参见图3,该流程包括 步骤301,在待构建的虚拟网格中获取像主点附近无畸变区域像素点; 本步骤中,按照像主点附近无畸变区域像素点的坐标构建虚拟网格中像素点对应的虚拟网格点的坐标。
步骤302,分别拟合虚拟网格中行向和列向虚拟网格点直线方程; 本步骤中,虚拟网格中的行对应水平方向,即横向,列对应竖直方向,即纵向。
图4为本发明实施例虚拟网格无畸变区域以及消隐点示意图,参见图4,Pc(uc,vc)和Pr(ur,vr)为消隐点,无畸变虚拟网格的中心点称为基准点O,PcO为纵向基准线,PrO为横向基准线。
虚拟网格上的横向基准线和纵向基准线分别对应标定靶中相应的两条直线,对于无畸变虚拟网格而言,理论上,虚拟网格上的两基准线曲率为零,因而,实际应用中,可以将曲率最小的两条直线分别作为虚拟网格上的横向基准线以及纵向基准线。这样,可以通过计算虚拟网格中各列虚拟网格点拟合而成的直线曲率,从中选择曲率最小的一条直线作为纵向基准线,以及,计算虚拟网格中各行虚拟网格点拟合而成的直线曲率,从中选择曲率最小的一条直线作为横向基准线,纵向基准线和横向基准线的交点即为基准点。
假设初始构建的虚拟网格为m行n列(m和n可以相等,也可以不等),设标定靶图像的像素点坐标为(u,v),重构网格(无畸变虚拟网格)的虚拟网格点(基准点)坐标为(u′b,v′b),aj、bj分别表示拟合的第j条直线的斜率和截距。
实际应用中,可以采用最小二乘法进行拟合,例如,利用最小二乘法拟合虚拟网格中第j列的直线方程v=aju+bj(j=1,2,3,...,n),n为虚拟网格中直线的列数,以及,利用最小二乘法拟合虚拟网格中第i行的直线方程v=aiu+bi(i=1,2,3,...,n)。
步骤303,分别获取拟合的行向和列向直线方程中曲率最小的直线方程; 本步骤中,计算虚拟网格中各相应网格点与对应的拟合直线间的距离的平方和,将其作为该拟合曲线的曲率。具体来说, 对于直线方程v=aju+bj,计算列向直线的曲率的公式为 其中,δj为第j列拟合直线的曲率,(ui,j,vi,j)为虚拟网格中第i行第j列虚拟网格点的坐标,m为虚拟网格中虚拟网格点的行数。
对于直线方程v=aiu+bi,计算行向直线的曲率的公式为 其中,δi为第i行拟合直线的曲率,n为虚拟网格中虚拟网格点的列数,即虚拟网格中直线的列数。
根据计算获取的δj(j=1,2,...,n),从中选取最小的δj对应的网格列jmin或拟合直线;根据计算获取的δi(i=1,2,...,m),从中选取最小的δi对应的网格行imin或拟合直线。例如,对于m,n为单数的情形,可以从中选取最小的δj对应的网格列jmin以及最小的δi对应的网格行imin,对于m,n为双数的情形,从中选取最小的δj对应的拟合直线以及最小的δi对应的拟合直线。
步骤304,根据获取的曲率最小的直线方程获取基准点。
本步骤中,如果为网格列jmin和网格行imin,则虚拟网格中第imin行jmin列的虚拟网格点为基准点;如果为拟合直线,则两条拟合直线的交点为基准点。
步骤204,根据像主点附近无畸变区域像素点信息获取消隐点坐标; 本步骤中,根据消隐点的定义,同方向的一组直线对应着同一个消隐点,即,同方向的一组直线相交于消隐点,因而,本发明实施例中,利用像主点附近无畸变区域像素点组成直线束,求解直线束组成的超定方程组得到的解即为消隐点Pc(u′c,v′c)。
实际应用中,假设选取像主点附近无畸变区域s2个像素点,对应虚拟网格中以基准点为中心的s2个虚拟网格点,则列网格点与消隐点组成的纵向直线方程可表示为 v-v′c=ai(u-u′c)(i=1,2,...,s) 其中ai为纵向直线的斜率,(u,v)为虚拟网格点坐标,(u′c,v′c)为消隐点坐标,在本发明中,为未知数,上式可简化为 aiu+v′c-aiu′c=v 将中心区域的s2个虚拟网格点坐标代入,可得直线束方程矩阵 AM=B 其中,A为直线束的系数矩阵,s2×(2s+1),M为各直线的斜率矩阵,(2s+1)×1,B为各直线上虚拟网格点的纵坐标矩阵,s2×1。
M=[a1,a2,…as,v′c,a1u′c,…asu′c]T B=[v11,v12,…v1s,v21,…v2s,…vss]T 式中,uij表示第i行第j列虚拟网格点横坐标,vij表示第i行第j列虚拟网格点纵坐标,1≤i,j≤s。
利用最小二乘法解上述超定方程,可得 M=(AAT)-1ATB 可解得纵向消隐点Pc(u′c,v′c)的坐标为 式中,Mk为矢量M的第k个元素。
依据与获取纵向消隐点Pc(u′c,v′c)的坐标相同的求解过程,通过将无畸变区域网格点坐标组成的横向直线方程改写为A′M′=B′的形式,计算由横向方程组成的超定方程得到M′=(A′A′T)A′TB′,根据矢量M′可计算得到横向消隐点Pr(u′r,v′r)的坐标 式中,M′k为M′的第k个元素。
在获取纵向消隐点Pc(u′c,v′c)以及横向消隐点Pr(u′r,v′r)坐标信息后,纵向消隐点Pc(u′c,v′c)与基准点的连线PcO为纵向基准线,如果没有畸变,在虚拟网格中,存在一条纵向网格线与PcO重合,其斜率为

横向消隐点Pr(u′r,v′r)与基准线的连线PrO为横向基准线,如果没有畸变,在虚拟网格中,同样存在一条横向网格线与PrO重合,其斜率为

当然,实际应用中,也可以将通过基准点的横向直线作为横向基准线,以及,将通过基准点的纵向直线作为纵向基准线。
步骤205,根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点; 图5为本发明实施例基准线上基准点编号示意图。参见图5,不失一般性,假定基准线上基准点编号为0,并由此向直线两端展开,依次设置虚拟网格点编号为±1,±2,...,±n,则共线的等距线段成像的比例关系可表示为 式中, W0为基准线上基准点与相邻虚拟网格点,即虚拟网格点编号为±1的距离; W1为基准线上编号为1与编号为2的相邻虚拟网格点间的距离,或编号为-1与编号为-2的相邻虚拟网格点间的距离; Wi为基准线上编号为i与编号为i+1的相邻虚拟网格点间的距离; i为基准线上虚拟网格点编号。
关于共线的等距线段成像的比例关系的获取,后续再进行详细描述。
本步骤中,首先,对纵向基准线上包含的虚拟网格点(预先设置的中心区域虚拟网格点)进行扩展,构建纵向基准线上除上述包含的虚拟网格点之外的虚拟网格点,即构建该纵向基准线在中心区域之外的虚拟网格点,具体过程如下 根据上述共线的等距线段成像的比例关系,分别根据计算得到的中间无畸变区域线段的长度(长度的获取可以根据现有相关技术文献提供的方法计算得到)之比将纵向基准线PcO上中心区域线段包含的虚拟网格点扩展到周围畸变区域内包含的虚拟网格点,得到各线段Wi(i=0,-1,1,-2,2,...)的长度,因各虚拟网格点都分布在纵向基准线PcO上,可计算得到纵向基准线PcO上第i点虚拟网格点与基准点O(u′b,v′b)的距离为 TWi=W0+W1+…Wi-1(i=1,-1,2,-2…) 利用纵向基准线PcO的斜率计算得到该纵向基准线上包含的所有虚拟网格点Ai(u′i,v′i)坐标 其中,

为纵向基准线的斜率。
接着,对横向基准线上包含的虚拟网格点进行扩展,构建横向基准线上除上述包含的虚拟网格点之外的虚拟网格点,即构建该横向基准线在中心区域之外的虚拟网格点,具体过程如下 依据共线的等距线段成像的比例关系,可得到横向基准线PrO上第j(j=0,-1,1,-2,2,...)个虚拟网格点Bj(u′j,v′j)与基准点O(u′b,v′b)的距离为 TWj=W0+W1+…Wj-1(j=1,-1,2,-2…) 则该横向基准线上第j个虚拟网格点Bj(u′j,v′j)的无畸变虚拟网格点坐标为 式中,

为横向基准线的斜率。
然后,根据构建的横向基准线以及纵向基准线上包含的虚拟网格点构建虚拟网格中的其它虚拟网格点,即构建除该横向基准线以及纵向基准线上的虚拟网格点之外的虚拟网格点,具体过程如下 连接获取的纵向基准直线上扩展的虚拟网格点Ai(u′i,v′i)(i=0,1,-1,2,-2…)和消隐点Pr(u′r,v′r),得到相交直线束中第i条直线AiPr的直线方程 连接获取的横向基准直线上扩展的虚拟网格点Bj(u′j,v′j)(j=1,-1,2,-2…)和消隐点Pc(u′c,v′c),得到另一相交直线束中第j条直线BjPc的直线方程 设构建的虚拟网格是由M×M个虚拟网格点构成,则第(j,i)个虚拟网格点的无畸变坐标可通过上述两直线束中第j条直线BjPc和第i条直线AiPr的交点得到,第(j,i)个虚拟网格点(u′j,i,v′j,i)的无畸变坐标为 这样,利用上述公式可以得到虚拟网格中的各个虚拟网格点的无畸变像点坐标。
下面对共线的等距线段成像的比例关系进行说明。
图6为本发明实施例计算共线的等距线段成像的比例关系示意图。参见图6,不失一般性,选择标定板平面(物平面)内的过基准点的任一直线MN,分析其上等距线段(长度为D)与像面上对应成像线段(长度为W)之间关系,过光轴OP做垂直于标定板平面(物平面)的空间平面zO′x,其中点O′为光轴与标定板平面的交点,定义点O′到像面的距离为L0,由于平面zO′x与物平面垂直,定义物平面与该平面相交于直线O′n;同时在平面zO′x做直线O′x上OP,建立以点O′为原点,以O′x为横轴,以zO′为纵轴的辅助坐标系。
本领域技术人员可以证明,像平面与物平面的交线PWPI与直线O′n垂直。由于平面zO′x垂直于物平面,且平面zO′x垂直于像平面,根据直线O′n和直线O′x的定义,可证明直线O′x与直线O′n的夹角等于物像平面之间的夹角α。同样可证明直线O′x为物平面在平面zO′x内的投影,坐标系中直线O′n的方程可表示为 z=xtanα 令直线MN上,以基准点为端点的线段为第0线段,其与像面的距离为L0,则第i线段与第i+1线段与像面的距离可根据下述公式计算 Li=L0-i×D×sinα Li+1=L0-(i+1)×D×sinα 由于透镜焦距不变,线段长度相等,则像的长度与物距成反比,即 利用该递推公式

可得到 式中,i=0,-1,1,-2,2,...。
将公式

代入公式

中,可得到成像直线M′N′上第i条线段与第0条线段的长度关系式 该公式描述了共线的等距线段成像的比例关系。
步骤206,根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数; 本步骤中,由相关技术文献可知,两垂直直线的消隐点、像主点及摄像机主距之间满足如下关系 (u0-um)2+(v0-vm)2+f2=R2 其中, (u0,v0)为像主点P的像面坐标,即像面的几何中心,(u′r,v′r),(u′c,v′c)分别为纵向消隐点以及横向消隐点的坐标,f为主距。
这样,将由上述公式计算得到的纵向、横向消隐点坐标代入公式(u0-um)2+(v0-vm)2+f2=R2,可计算得到摄像机的主距f。
所应说明的是,步骤205和步骤206之间并没有先后顺序之分,步骤206也可以在步骤205前执行。
步骤207,根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
摄像机的透镜畸变主要由径向畸变和切向畸变造成,根据相关技术文献,其图像畸变模型的畸变公式可近似表示为 其中,(u′,v′)表示构建的虚拟网格中无畸变虚拟网格点坐标; (u,v)表示虚拟网格点对应的标定靶图像中像素点的坐标; (μ0,v0)为像主点坐标; ρ是标定靶图像中像素点到像主点(μ0,v0)的距离
k1,k2,k3为径向畸变系数; p1,p2为切向畸变系数。


表示标定靶图像中像素点的图像畸变值,即畸变值等于构建的虚拟网格中虚拟网格点的坐标值与标定靶图像中像素点坐标值的差。
将上述畸变公式改写为 这样,将虚拟网格中各虚拟网格点坐标和该虚拟网格点对应的标定靶图像中像素点的坐标代入该公式,利用最小二乘法计算各畸变参数,即可标定出摄像机畸变系数k1,k2,k3,p1,p2。
至此,本发明实施例的标定摄像机参数的方法流程结束。
下面举一具体实施例,对本发明标定摄像机参数进行说明。
选择大尺寸测量中数码相机Nikon D100,其镜头焦距为20.0mm,像面分辨率为3008×2000,像敏面面积23.7mm×15.6mm。数码相机Nikon D100拍摄得到的标定靶图像如图1所示,该标定靶图像点阵是由相距40mm的直径为16mm的实心圆点构成,共计19行29列,为了获得全面的校正信息,拍摄时尽量使图像充满整个像面,从而可以得到像面不同位置上的畸变情况,利用亚像素技术对数码相机Nikon D100拍摄后的标定靶图像进行标志点中心的自动化检测。
图7为本发明实施例对标定靶图像进行自动化检测得到的成像中心结构示意图。参见图7,成像中心共计19行29列。通过放大观察,可以看出,摄像机镜头存在着明显的畸变。
图8为本发明实施例利用标定靶图像中间区域畸变为零的特性以及消隐点理论构建的虚拟网格与标定靶图像的比较示意图。参见图8,图中,“*”表示标定靶图像成像位置,“+”代表校正后的标定靶图像像点位置,即构建的无畸变的虚拟网格。经过计算比较,构建的无畸变的虚拟网格中心点坐标参数与实际的标定靶物理网格中心点坐标参数相吻合。
根据图8所示的标定靶图像成像位置与校正后的标定靶图像像点位置,利用本发明实施例标定摄像机参数的方法计算得到的摄像机(数码相机Nikon D100)参数如表1所示。
表1 表1中,虚拟网格法上一栏为利用现有技术得到的摄像机参数,由于摄像机各参数通过相互关联的方程组求解,相比于本发明分别独立标定的摄像机参数,其摄像机参数的标定精度较低、畸变校正效果较差。
图9为本发明实施例标定摄像机参数的装置结构示意图。参见图9,该装置包括标定靶图像获取模块、像素点坐标信息获取模块、虚拟网格基准点信息获取模块、消隐点信息获取模块、虚拟网格点构建模块、存储模块以及摄像机参数标定模块,其中, 标定靶图像获取模块,用于获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像; 像素点坐标信息获取模块,用于获取标定靶图像中各像素点的坐标信息,将标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标信息分别输出至虚拟网格基准点信息获取模块及消隐点信息获取模块; 虚拟网格基准点信息获取模块,根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点; 消隐点信息获取模块,用于根据像主点附近无畸变区域像素点信息组成直线束,求解直线束组成的超定方程组获取消隐点坐标; 虚拟网格点构建模块,用于将像主点附近无畸变区域像素点的坐标作为基准直线上的虚拟网格点,根据获取的基准点、消隐点以及存储模块存储的共线的等距线段成像的比例关系信息,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点; 存储模块,用于存储共线的等距线段成像的比例关系信息; 摄像机参数标定模块,用于根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数,根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换以及改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种标定摄像机参数的方法,其特征在于,该方法包括
获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像;
获取标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标;
根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点,获取基准直线上虚拟网格点的坐标;
根据像主点附近无畸变区域像素点信息获取消隐点坐标;
根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟无畸变网格点坐标;
根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数;
根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点包括
在待构建的虚拟网格中获取像主点附近无畸变区域像素点;
分别拟合虚拟网格中行向和列向虚拟网格点直线方程;
分别获取拟合的行向和列向直线方程中曲率最小的直线方程;
根据获取的曲率最小的直线方程获取基准点。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,根据最小二乘法分别拟合所述虚拟网格中行向和列向虚拟网格点直线方程。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,通过计算虚拟网格中各相应网格点与对应的拟合直线间的距离的平方和获取该拟合曲线的曲率。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述根据获取的曲率最小的直线方程获取基准点包括
选取曲率最小的行向直线方程对应的网格行与曲率最小的列向直线方程对应的网格列对应的虚拟网格点为基准点;或
选取曲率最小的行向直线方程与曲率最小的列向直线方程的交点为基准点。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,将像主点附近无畸变区域像素点组成行向和列向直线束,分别求解行向和列向直线束组成的超定方程组,获取所述消隐点坐标。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法,其特征在于,所述根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点包括
连接获取的横向基准直线上扩展的虚拟网格点Ai(u′i,v′i)(i=0,1,-1,2,-2…)和纵向消隐点Pr(u′r,v′r),得到相交直线束中第i条直线AiPr的直线方程
连接获取的纵向基准直线上扩展的虚拟网格点Bj(u′j,u′j)(j=1,-1,2,-2…)和横向消隐点Pc(u′c,v′c),得到另一相交直线束中第j条直线BjPc的直线方程
计算第(j,i)个虚拟网格点(u′j,i,v′j,i)的无畸变坐标,计算公式为
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述计算摄像机主距参数的公式为
(u0-um)2+(v0-vm)2+f2=R2
其中,
(u0,v0)为像主点P的像面坐标,(u′r,v′r),(u′c,v′c)分别为纵向消隐点以及横向消隐点的坐标,f为主距。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述计算摄像机畸变参数的公式为
其中,(u′,v′)表示构建的虚拟网格中无畸变虚拟网格点坐标;
(u,v)表示虚拟网格点对应的标定靶图像中像素点的坐标;
(μ0,v0)为像主点坐标;
ρ是标定靶图像中像素点到像主点(μ0,v0)的距离
k1,k2,k3为径向畸变系数;
p1,p2为切向畸变系数。
10.一种标定摄像机参数的装置,其特征在于,该装置包括标定靶图像获取模块、像素点坐标信息获取模块、虚拟网格基准点信息获取模块、消隐点信息获取模块、虚拟网格点构建模块、存储模块以及摄像机参数标定模块,其中,
标定靶图像获取模块,用于获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像;
像素点坐标信息获取模块,用于获取标定靶图像中各像素点的坐标信息,将标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标信息分别输出至虚拟网格基准点信息获取模块及消隐点信息获取模块;
虚拟网格基准点信息获取模块,根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点;
消隐点信息获取模块,用于根据像主点附近无畸变区域像素点信息组成直线束,求解直线束组成的超定方程组获取消隐点坐标;
虚拟网格点构建模块,用于将像主点附近无畸变区域像素点的坐标作为基准直线上的虚拟网格点,根据获取的基准点、消隐点以及存储模块存储的共线的等距线段成像的比例关系信息,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点;
存储模块,用于存储共线的等距线段成像的比例关系信息;
摄像机参数标定模块,用于根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数,根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。
全文摘要
本发明公开了一种标定摄像机参数的方法及装置,获取需要标定的摄像机拍摄的标定靶图像;获取标定靶图像中像主点附近无畸变区域像素点的坐标;根据像主点附近无畸变区域像素点的坐标获取待构建虚拟网格的基准点,获取基准直线上虚拟网格点的坐标;根据像主点附近无畸变区域像素点信息获取消隐点坐标;根据获取的基准点、消隐点以及预先获取的共线的等距线段成像的比例关系,建立虚拟网格中除基准直线上虚拟网格点之外的其它虚拟网格点;根据获取的消隐点以及像主点信息计算摄像机主距参数;根据构建的虚拟网格以及标定靶图像计算摄像机畸变系数。应用本发明,可以分别独立标定摄像机参数,从而提高摄像机参数的标定精度。
文档编号G06T7/00GK101794449SQ20101014476
公开日2010年8月4日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者王永强, 杨智诚, 许小京, 黄威, 黎智辉 申请人:公安部物证鉴定中心
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