专利名称：利用两个同心圆线性求解摄像机内参数的制作方法
技术领域：
本发明属于计算机研究领域，涉及一种用于求解摄像机内参数的两个同心圆靶标。利用场景中任意两个同心圆，通过求解三幅图像上的圆环点的像的坐标或两个正交方向上消影点的坐标，从而线性确定摄像机的内参数。
背景技术：
计算机视觉的基本任务之一，就是从摄像机获得的二维图像信息出发恢复物体在三维空间中的几何信息,从而识别和重建三维空间中物体的几何形状。在此过程中必须确定空间物体点的三维几何位置与其图像中的对应点之间的相互关系，而这种关系又由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型的参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数都是通过实验得到的，这就是摄像机标定。它一般分为传统标定和自标定两种方法，无论哪种标定方法，标定物体都是采用一些特殊的几何模型，例如平面正方形、三角形，圆，空间立方体、圆柱等等。如何建立这些几何模型与摄像机参数之间的关系尤其是某种线性的关系，是目前摄像机标定所追求的目标，也是目前计算机视觉领域研究的热点之一。传统的摄像机标定方法虽然可以获得较高的精度，但是标定块制作困难，不便于操作。针对这一问题文献“A flexible new technique for camera calibration，，，(Zhengyou Zhang,IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，vol. 22，no. 11，pp. 1330-1334，2000.)提出了用平面模板代替传统标定块的方法，这种方法简单方便，成本低，并且能获得较高的精度，但需要精确定位模板上点阵的物理坐标。文献“Planar conic based camera calibration，，，(Changjiang Yang，Fengmei Sun, ZhanyiHu, In Proceedings of International Conference on Pattern Recognition，vol. 1，pp. 555-558,2000.)将这一方法作了推广，用图像和模板之间的二次曲线对应来标定摄像机，而不是利用点与点之间的对应。由于二次曲线是一种更简洁更全局化得基元，因而可以进一步提高方法的稳定性。于是用曲线解决标定问题被广泛研究。文献“A new easycamera calibration technique based on circular points，，，(Xiaoqiao Meng，ZhanyiHu, Pattern Recognition，vol. 36, no. 5, pp. 115-1164，2003.)提出 了用一个圆和通过圆心的若干条直线构成的标定模板，利用圆环点来求解摄像机内参数的方法，该方法首次将射影几何中的圆环点融入到摄像机标定中，于是圆环点成了摄像机自标定方法的理论基础(Hartley Richard，Zisserman AndrewZiMultiple view geometry in computer vision，，，Cambridge University Press, Cambridge,2000.)圆是平面上一条特殊的二次曲线，平面上所有的圆都通过圆环点。利用圆作为标定模板，结合圆环点的理论来进行摄像机标定的方法逐渐被推广。文献(Yihong Wu,Haijiang Zhu，Zhanyi Hu，Fuchao Wu，“Camera calibration from the quas1-affineinvariance of two parallel circles，，，In Proceedings of the ECCV, pp. 190-202，2004.)提出了用平行圆标定的方法，根据平行圆的交点是圆环点直接求解两个平行圆的像的交点来完成标定。文献(Yihong WuiXinju LiiFuchao Wu,Zhanyi HuZiCoplanar circle，quas1-affine invariance and calibration，，，Image and Vision Computing, vol. 24,no. 4, pp. 319-326, 2006.)讨论了平面上任意两个圆的位置关系,根据圆的位置关系计算图像中二次曲线的交点来求得圆环点的像。
发明内容
本发明提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的用于求解摄像机内参数的靶标。该靶标是由两个同心圆和在其中一个圆上不在同一条直线上的任意两个点组成。在求解摄像机内参数的过程中，只需摄像机从不同方位拍摄3幅图像就可以线性求解出5个摄像机内参数。本发明采用如下技术方案本发明是由两个不同大小的同心圆和在其中一个圆上不在同一条直径上的任意两点构成的用于摄像机自标定的靶标。具体的步骤包括提取图像上曲线方程，求解同心圆的圆心的像的坐标，在图像平面上求解两个已知点关于圆心的像在圆的投影曲线上的对应 点，计算两个正交方向上的消影点，通过求解圆环点的对偶二次曲线计算图像平面上的一条消影线，计算消影线与一个圆的投影曲线的交点得到两个圆环点的像的坐标，根据三幅图像上两个正交方向消影点或圆环点的像线性求解摄像机内参数。(I)拟合图像中曲线方程利用VC++6. O平台的OpenCV程序中的函数提取出图像特征点的坐标，并用最小二乘算法拟合图像中的各条曲线，获取图像上各条曲线方程。(2)求解同心圆圆心的像的坐标在图像平面上，圆Q的像为一条椭圆曲线，记为C，在单应变换H下，有AC =FtQF1, λ为非零尺度因子。设有两个同心圆Qj, j = 1,2,于是有λ jCj = FtQjF10假设在世界坐标系上，选取同心圆的圆心为坐标原点，圆的曲线方程可以表示为G =A呢(1，1,-r/)，
则0；1 = diagiXX-^)。考虑线性组合 , ,满足detA=0，其中β关0，曲线C1, C2 rjA = C1 -PC2，
的方程可从图像上获得，则此式是关于β的一个3次方程，故有3个解。可以解得·Α令A ，其中，β !是方程的二重根。把代入A = C1-1-/JC2-1,得到A1是一个秩为I的矩阵，SPA1 = C1'1 - JS1C;1 ~ HdiagiQ, O, I)Ht = οοτ。其中，ο = Η(0，0，1)τ。由于在世界坐标平面上，同心圆的圆心与世界坐标系的原点重合，故ο为同心圆的圆心在图像平面上的投影。当把β 2代入Δ = Cf1-PCJ1，得到A2是一个秩为2的矩阵，SPA2 = C1'1 — P2Clx ~ Hdiagd 10)ΗΓ。因为圆环点的对偶二次曲线-Aflg(UO)，它是由两个圆环点构成的退化二次曲线，所以A2是匸1在图像平面的投影曲线。(3)计算两个正交方向的消影点
当Λ秩为I时，可以计算出圆心的像的坐标O。在图像平面上，可以计算出已知像点a，b关于0在投影曲线上的对应点a'，b'，则四边形aba' b'是一个矩形或一个正方形的投影。所以两个正交方向上的消影点V1 = (aXb) X (a' Xb' ), V2 =(bXa' )X(aXb')。(4)计算两个圆环点的像的坐标当Λ秩为2时，它表示圆环点的对偶二次曲线的像。在世界坐标系上，无穷远直线L00是C:的零矢量，即
权利要求
1.一种用于求解摄像机内参数的同心圆靶标，其特征在于此靶标是由两个同心圆和其中在一个圆上不在一条直径上的两点构成。
全文摘要
本发明涉及一种利用平面上两个同心圆及在其中一个圆上不在同一条直径上的两个点求解两个正交方向的消影点或圆环点的像进行摄像机标定的方法。对靶标从不同方向拍摄三幅图像，提取每幅图像上的曲线及两个点的坐标。计算圆心的像和两个点关于圆心的像在该曲线上的对应点，由直线交点得到两个正交方向上的消影点；由圆环点的对偶二次曲线的理论可得图像上的一条消影线，消影线和圆的像的交点是圆环点的像，建立正交方向上的消影点或圆环点的像关于摄像机内参数的约束方程，线性求解摄像机5个内参数。利用本发明中的靶标可实现全自动标定，减少了标定过程中由测量引起的误差。二次曲线是一种更简洁更全局化的基元，在标定过程中提高了精度。
文档编号G06T7/00GK102999895SQ20111027405
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者赵越, 陈旭 申请人:云南大学