专利名称：空间一条直线线性求解抛物折反射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，涉及一种用于求解抛物折反射摄像机内参数的直线标定物。利用空间中一条直线作为标定模板，利用二次曲线的性质得到它的圆环点的像，线性确定抛物折反射摄像机内参数。
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。抛物折反射摄像机由一个抛物镜面和一个正交摄像机组成，可视范围大且保持单视点约束，是现代视觉领域研究热点。文献“Plane-based calibration ofcentral catadioptric cameras，，，(S.Gasparini, P.Sturm, J.P.Barreto, IEEE 12thInternational Conference on Computer Vision, pp.1195-1202，2009.)要用到有控制点的二维模板，这些控制点可以是角点、画上去的点或者任何容易由图像上提取的点，但是这种方法需要用迭代的方法求解内参数和外参数。文献“Calibration of centralcatadioptric cameras using a DLT-1ike approach，，(L.Puig, Y.Bastanlar, P.Sturm,J.J.Guerrero, J.Barreto, International journal of Computer Vision, vol.93,PP.101-114，2011.)提出基于三维点的标定，这种方法需要知道单幅图像上三维点的位置。文献“Generic self-calibration of central cameras，，(S.Ramalingam, P.Sturm,
S.K.Lodha, Computer Vision and Image Understanding, vol.114, pp.210—219，2010.)提出一种自标定方法，无需知道点的空间位置及摄像机位置，但要利用多幅图像上点的对应关系。直线是场景中最常见的几何元素，且直线的抛物折反射成像一般是二次曲线，二次曲线在摄像机标定过程中有很多良好的性质，因而利用直线对抛物折反射摄像机进行标定是一种简便常用的方法。文献“Geometric properties of central catadioptricline images and there application in calibration，，(1.P.Barreto, H.Araujo,IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.27, pp.1327-1333，2005.)研究了中心折反射模型下直线图像的几何性质，并提出了适用于任何类型的中心折反射系统的标定方法。文献“Catadioptric camera calibration usinggeometric invariants，，(X.Ying, Z.Hu, IEEE Transactions on Pattern Analysis andMachine Intelligence, vol.26, N0.10, pp.1260-1271，2004.)分析了折反射摄像机内参数与球的成像轮廓之间的关系，他们利用直线和球的投影进行标定，直线提供了三个不变量，球提供了两个不变量。文献“Easy calibration for para-catadioptric-likecamera，，(Y.wu, Y.Li, A.Hu, IEEE/RSJ International Conference on IntelligentRobots and Systems, pp.5719-5724，2006)建立了关于内参数的线性约束,将中心折反射模型转换为针孔模型，无需进行曲线拟合就可以标定类似折反射摄相机。
发明内容
本发明提供了一种适用广泛，稳定性好的用于求解抛物折反射摄像机内参数的标定物，该标定物由空间中一条直线构成，直线的抛物折反射图像是二次曲线。在求解抛物折反射摄像机内参数的过程中，只需使用抛物折反射摄像机从不同的方向拍摄空间一条直线的3幅图像就可以线性求解出抛物折反射摄像机的5个内参数。本发明采用如下技术方案:
本发明是由空间中一条直线用于抛物折反射摄像机自标定的标定物。具体的步骤包括:从图像上提取图像边界点坐标以及空间直线在不同方向的三幅图像的像点坐标，拟合边界椭圆方程和空间直线在不同方向的三幅图像的像点的所形成的曲线方程，根据配极原贝U，得出三幅图像平 面上圆环点的像，利用圆环点的像对绝对二次曲线的像的约束线性求解抛物折反射摄像机内参数。1.拟合图像边界曲线方程
利用Matlab程序中的Edge函数提取出图像边界的像素坐标，并用最小二乘算法拟合出图像边界曲线方程。2.计算图像中心的初始值
摄像机的镜面边缘在球模型中对应着一个与虚拟针孔相机光轴垂直的圆(如
图1)，其中Otr-1d为摄像机坐标系，为世界坐标系，其中O为球心，Oc为抛物折反
射摄像机中心，4和方向为OiO的方向，Zf和Xv平行，Yc和I；平行，其投影是一个椭
圆(称为边界椭圆)，投影平面垂直于QO ,投影椭圆中心e即为图像中心，其坐标为(
)。一般来说，不同于一条空间直线的像，边界椭圆是一条较完整的二次曲线，因而能够较好地拟合出它的代数方程，同时其中心与(1、)重合。假设边界椭圆的二次曲线方程表示为a;r2 + 2&^ + ey+2Λ + 2吵2+/ = 0 ,其中β, ,ε, d,e, /为系数，为曲线上的坐标,从
而 Y守到
权利要求
1.一种利用空间中一条直线线性求解抛物折反射摄像机内参数的方法，其特征在于只利用直线元素，此标定物是由空间中一条直线构成；直线的抛物折反射图像是二次曲线，首先从图像上提取边界像点坐标，拟合边界曲线方程并求出边界曲线的中心，边界曲线的中心即为图像中心的初始值，然后从不同方向上得到空间一条直线的三幅图像，从三幅图像中分别提取直线的像点坐标，利用最小二乘算法分别拟合出图像中的曲线方程，根据配极原则，分别求出图像平面上圆环点的像，利用圆环点的像对绝对二次曲线的像的约束线性求解抛物折反射摄像机内参数；具体步骤包括:拟合图像中的边界曲线方程，求解图像中心的初始值，分别拟合图像中的曲线方程，求解图像中心关于各曲线的极线及圆环点的像，求解抛物折反射摄像机内参数矩阵中的a,X1S1M01V0 5 个参数； (1)计算图像中心的初始值 摄像机的镜面边缘在球模型中对应着一个与虚拟针孔相机光轴垂直的圆，其投影是一个椭圆，椭圆中心即为图像中心； (2)得到空间中一条直线不同方向的三幅图像 移动空间一条直线的位置，利用抛物折反射摄像机拍摄三幅图像； (3)拟合曲线 利用Matlab程序中的Edge函数分别提取出三幅图像中的空间直线像点坐标，并用最小二乘算法拟合出曲线方程； (4)分别计算图像中心关于各曲线的极线及圆环点的像 在成像模型中，O是大曰f的圆心，则O关于C的极线分别是大圆所在平面的无穷远直线4 ,无穷远直线与对应圆的交点为圆环点1、J ;在像平面π，ο关于大圆C的像i 的极线为/，极线与对应二次曲线的交点为圆环点的像:; (5)求解抛物折反射摄像机内参数 使用抛物折反射摄像机拍摄3幅图像，由圆环点的像对绝对二次曲线的像的约束，线 性求解出抛物折反射摄像机的5个内参数，即矩阵
全文摘要
本发明涉及一种利用空间中一条直线线性求解抛物折反射摄像机内参数的方法，该方法利用的是由空间中一条直线构成的用于抛物折反射摄像机自标定的标定物。使用抛物折反射摄像机对标定物从不同的方向拍摄3幅图像，直线的抛物折反射图像是二次曲线，从图像上提取边界像素点坐标以及3幅标定物图像的像点坐标，分别拟合曲线方程，根据配极原则，得出图像平面上圆环点的像，利用圆环点的像对绝对二次曲线的像的约束线性求解摄像机内参数。利用本发明中的标定物可以实现全自动标定，减少了标定过程中由测量引起的误差。由于直线是一种更简洁更全局化的基元，在摄像机标定过程中提高了标定精度。
文档编号G06T7/00GK103106662SQ20131004409
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者赵越, 周炳, 雷建冲 申请人:云南大学