专利名称：利用正五棱台求解摄像机内参数的制作方法
利用正五棱台求解摄像机内参数技术领域
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一个底边是正五边形的正棱台靶标，利用平面上任意一个正五棱台作为标定模板，通过求解两幅图像上的正交隐消点的坐标，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、空间立方体及圆柱等等，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，由于隐消点是一种更简洁更全局化的基元，因而可以进一步提高方法的稳定性，于是用隐消点解决标定问题被广泛使用，文献” Criminisi A, Reid I. and A. Zisserman. Single View Metrology, International Journal of Computer Vision, 2000, 40 (2) , pp. 123- 148. ”利用隐消点的属性，从单一投影图像中计算摄像机的内参数，该方法首次将射影几何中的隐消点融入到摄像机标定中，于是隐消点成了摄像机自标定方法的理论基础。
隐消点是像平面上一个特殊的点，平面上某个方向上的所有平行直线都交于一个无穷远点，无穷远点在像平面上的投影称为隐消点。文献(王年，范益政，梁栋，韦穗，“一种基于等腰梯形的摄像机自标定方法”，东南大学学报(自然科学版)，vol. 35，no. 2, PP. 195-198，2005.)根据等腰梯形的性质和交比不变性计算图像中的隐消点，文献(胡培成，黎宁，赵亮亮，“一种新的基于消失点的摄像机标定方法”，第十三届全国图像图形学学术会议，PP. 1-5，2006.)利用隐消点标定摄像机的方法，根据两条平行线的交点是无穷远点，直接求解两个平行线的像的交点来完成标定。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。该靶标是一个底边的是正五边形的正棱台，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2幅图像就可以线性求解出摄像机的5个内参数。
本发明采用如下技术方案本发明是由底边是正五边形的正棱台构成的用于摄像机自标定的靶标。具体的步骤包括从图像上提取正五棱台的上底面和两个侧面上的特征点，根据两平行直线的交点是无穷远点，而无穷远点的像称为隐消点，以及共线四点交比的性质，得出图像平面上隐消点坐标，根据两幅图像上正交隐消点对绝对二次曲线的约束，线性求解摄像机的内参数。
1.提取图像中的特征点在Matlab软件中利用Harris角点检测提取出每个图像平面特征点的坐标。
2.求隐消点的坐标(I)计算正五棱台上底面的隐消点在世界坐标系的一个平面上，存在一个正五棱台(如
图1)，正五棱台的上、下底面是一个正五边形(如图2)，它上底面的角点为在5,下底面的部分角点为C1,D1,乓，c是五边形内切圆的圆心。i 是线段 t7D的中点，垂直于CD，I 方向上的无穷远点设为*iL ;OD方向上的无穷远点设为·则I与I正交。上底面的投影如图3所示，AU 乂 M分别是JACf5D,昃O 的像，Pi^ P-ι分别是’ I的像，根据共线四点交比的性质有(AF ,CO —CosiTd 5),(CD, FP2J = -1，根据射影变换中对应点的射影不变性，有(flS = -cosier/5),(Χ#2) = -1。从而可以求得P1J2的坐标。
(2)计算正五棱台侧面的隐消点在正五棱台的一幅图片中，我们至少可以看到它的两个侧面是两个全等的等腰梯形，如图4所示，CD平行于CiA , F，Fi分别是CD和CiDi的中点，并连接H G是 FF1的中点，设Cf/), C1D1上的无穷远点为I,坪方向上的无穷远点是P4lo ,如图5， C1^1,/,JU分别是GAC11A/,巧,σ的像，r是无穷远点/L的像点，g卩σ￡)， C1A方向上的隐消点，巧是无穷远点iL的像点，即i7巧方向上的隐消点。因为iL是 CD和C1D1的交点，所以4 : (CD) X(C1D1),根据射影变换中对应点的射影不变性,有 Pi = (cd) X (C1Oil),根据射影几何中调和共轭理论，得(FF1, GP4J = -1 ,根据射影变换中的交比不变性，得Qf1,职4) = -1 ,从而解得A的坐标。在另一个等腰梯形DAM中也存在着一组正交隐消点，记为P5，Pe，计算公式为Ps = (☆)><(却O ,柄,職)=-1。
3.求解摄像机内参数利用在两幅图像中所求的六组正交隐消点对绝对二次曲线的约束可以列出六个方程，线性求解出摄像机的5个内参数，即矩阵
权利要求
1.一种用于求解摄像机内参数的靶标，其特征在于此靶标是将空间中任意一个正五棱锥平行于底面切割得到；具体的步骤包括 (1)计算正五棱台上底面的隐消点 在世界坐标系的一个平面上，存在一个正五棱台，正五棱台的上、下底面是一个正五边形，它上底面的角点为在B, C, D, E，下底面的对应上底面GD, ￡角点为C1,D1, E1，0是五边形内切圆的圆心；F是线段CD的中点，AS1垂直于CD，JF方向上的无穷远点设为fL ; CD方向上的无穷远点设为匕·则圮与I正交；上底面的投影中，《Ac乂W分别是在反的像，Pi ’ P2分别是Uk的像，根据共线四点交比的性质有(狀OP1J = - cos( r/习,(CDtFP2J = -1，根据射影变换中对应点的射影不变性，有(flj，op)) = -Coz(JTiS),(cd, jp2) = -1 ;从而可以求得ft,P2的坐标； (2)计算正五棱台侧面的隐消点 在正五棱台的一幅图片中，我们至少可以看到它的两个侧面是两个全等的等腰梯M, C1D平行于GA, #，巧分别是CD和QA的中点，并连接H G是卵 的中点，设CD，QA上的无穷远点为I , 巧方向上的无穷远点是I , C,d,C1J1JJ17S分别是C,D1C1,D1^F,F1,G的像，H是无穷远点Pim的像点，即CD , C1D1方向上的隐消点，4是无穷远点K。的像点，即《!方向上的隐消点；因为I是CU和CA的交点，所以^1(0 - (CO) X (C1D1J ，根据射影变换中对应点的射影不变性，有P1- (pd、x Kc\^\),根据射影几何中调和共轭理论，得= -1 ,根据射影变换中的交比不变性，得(爲及4)=-1,从而解得八的坐标；在另一个等腰梯形中也存在着一组正交隐消点，记为巧,P6，计算公式为
全文摘要
本发明是由底边是正五边形的正棱台构成的用于摄像机自标定的靶标。具体的步骤包括从图像上提取正五棱台的上底面和两个侧面上的特征点，根据两平行直线的交点是无穷远点，而无穷远点的像称为隐消点，以及共线四点交比的性质，得出图像平面上隐消点坐标，根据正交隐消点对绝对二次曲线的约束,实现对摄像机内参数的线性求解。对靶标从不同方向拍摄两幅图像，提取每幅图像上的特征点坐标，计算正五棱台上底面和两个侧面上的正交隐消点，建立正交隐消点关于摄像机内参数的约束方程，线性求解摄像机内参数矩阵。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。隐消点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G06T7/00GK102982550SQ20121054200
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者赵越, 徐丽敏, 邵德坡 申请人:云南大学