专利名称：一种基于分段模型的摄像机标定方法
技术领域：
本发明属于摄像机标定方法领域，具体涉及一种基于分段模型的摄像机标定方法。
背景技术：
摄像机标定是由已知特征点的像素坐标和世界坐标去求解标定模型参数的过程，从而建立图像像素位置与三维场景点坐标之间的对应投影关系。闻精度摄像机标定是数字图像测量和二维重构技术的基础，摄像机两步标定法是目前传统标定方法中应用最为广泛的方法，具有较高的标定精度。当应用场合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变化时，传统标定方法中的两步标定法通常会作为首选方法。两步标定法的第一步是先利用直接线性变换方法求解摄像机参数，第二步考虑畸变因素，将第一步中求得的参数作为初始值，利用优化算法重新对标定模型中的参数进行非线性求解，从而获得更准确的标定模型。目如，两步标定法中有代表性的是Tsai, Heikkila和张正友的标定方法,这二种方法都米用了统一形式的畸变函数来描述整个镜头的畸变，其中Tsai和张正友的模型中考虑了径向畸变的影响，而Heikkila在此基础上又增加了切向畸变。但是，由于镜头制造误差存在随机性，各种畸变误差在图像中的分布规律并不完全一致，因此，在实际应用中很难找到能够精准体现图像扭曲程度的畸变模型。如果想更准确和更详尽的描述镜头畸变，模型中的参数就会增加，复杂的模型反而会引起数值计算的不稳定性。基于上述因素，现有的标定方法只能选择一些具体的畸变形式。也就是说，图像中会存在一些畸变类型，并未被选定的畸变模型所体现，最终会影响摄像机标定的精度。而且，现有的标定方法中待求解的维数往往较大，导致在优化过程中容易出现结果不收敛或计算时间过长的情况。此外，现有方法中的畸变模型都试图利用一个统一的函数来描述整幅图像中的畸变，最终，标定模型中的参数是利用图像中所有特征点计算获得的。然而，位于距离图像中心较远的区域中的点通常带有不确定型畸变，这些点通常位于距离图像中心较远的区域中，在优化求解过程中会将大量误差带入模型中，最终降低和损害整幅图像的标定精度。Tsai R Y在《A versatile camera calibration technique for high-accuracy3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses》[J].IEEEJournal of Robotics and Automation，1987，3 (4): 323-344 中提出了一种摄像机标定法使用的转换坐标系，即:建立世界坐标系、摄像机坐标系、图像物理坐标系和图像像素平面坐标系。张正友在Zhang Z.(2000).A flexible new technique forcamera calibration.1EEE Trans, on Pattern Analysis and MachineIntelligence, 22 (11): 1330-1334.提出了一种相机标定方法，其中包括一种具体的线性模型求解和标定方法。
发明内容
为了解决现有摄像机两步标定法标定模型中的参数都是利用图像中所有特征点计算获得并都是采用一个统一的函数来描述整幅图像中的畸变，图像中会存在一些畸变类型并未被选定的畸变模型所体现，以及现有的标定方法虽然大都能获得较好的优化初值，但是由于待求解的维数较大，在优化过程中的大量非线性计算容易出现计算结果不收敛或计算时间过长的情况的技术问题，本发明提供一种基于分段模型的摄像机标定方法。本发明解决技术 问题所采取的技术方案如下:一种基于分段模型的摄像机标定方法，包括如下步骤:步骤一:固定摄像机并将棋盘格标定板的中心置于摄像机光轴附近，使棋盘格标定板在一个相对固定的成像位置围绕摄像机镜头变换不同的倾角和姿态，用摄像机对标定板的每一种姿态拍摄一幅照片图像，最终取得多幅照片图像；步骤二:按照Tsai R Y的坐标转换方法确立转换坐标系，即:建立世界坐标系、摄像机坐标系、图像物理坐标系和图像像素平面坐标系，世界坐标系内的三维坐标点坐标(Xw, Yw, Zw)被依次转换为摄像机点坐标(X。，Y。, Z。)、理想图像点坐标(xu, yu)、真实图像点坐标( yd)和像素点坐标(xp，yp);另外，参照张正友的摄像机标定方法将世界坐标系的Zdi坐标设为O,即Zw=O ;此时,世界坐标系内任意点的坐标表示为(xw, Yw, O),或仅表示为世界坐标系XY轴平面的二维点坐标(Xw, Yw)；步骤三:利用亚像素角点检测方法分别对步骤一所取得的各幅照片图像提取对应的角点像素坐标；步骤四:将步骤二所述的图像像素坐标平面划分成三个相邻的区域:圆形区域、圆环形区域和第三区域；步骤五:将步骤三所取得的各幅照片图像的角点像素坐标按照其在步骤四所属的三个不同区域分类，分别得到属于圆形区域内的图像角点像素检测坐标、属于圆环形区域内的图像角点像素检测坐标和属于第三区域内的图像角点像素检测坐标；步骤六:按照步骤二所建立的转换坐标系在步骤四所取得的圆形区域建立线性标定模型，将棋盘格标定板上方格角点在世界坐标系对应的三维点坐标(Xw，Yw，0)转换为属于圆形区域内的图像像素坐标(Xp，yp)，忽略畸变的影响，所建立的圆形区域内对应平面的标定线性模型如下:
权利要求
1.一种基于分段模型的摄像机标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤一:固定摄像机并将棋盘格标定板的中心置于摄像机光轴附近，使棋盘格标定板在一个相对固定的成像位置围绕摄像机镜头变换不同的倾角和姿态，用摄像机对标定板的每一种姿态拍摄一幅照片图像，最终取得多幅照片图像； 步骤二:按照Tsai R Y的坐标转换方法确立转换坐标系，即:建立世界坐标系、摄像机坐标系、图像物理坐标系和图像像素平面坐标系，世界坐标系内的三维坐标点坐标(Xw, Yw, Zw)被依次转换为摄像机点坐标(X。，Y。, Z。)、理想图像点坐标(xu, yu)、真实图像点坐标( yd)和像素点坐标(xp，yp);另外，参照张正友的摄像机标定方法将世界坐标系的Zdi坐标设为O,即Zw=O ;此时,世界坐标系内任意点的坐标表示为(xw, Yw, O),或仅表示为世界坐标系XY轴平面的二维点坐标(Xw, Yw)； 步骤三:利用亚像素角点检测方法分别对步骤一所取得的各幅照片图像提取对应的角点像素坐标； 步骤四:将步骤二所述的图像像素坐标平面划分成三个相邻的区域:圆形区域(I)、圆环形区域(2)和第三区域(3); 步骤五:将步骤三所取得的各幅照片图像的角点像素坐标按照其在步骤四所属的三个不同区域分类，分别得到属于圆形区域(I)内的图像角点像素检测坐标、属于圆环形区域(2)内的图像角点像素检测坐标和属于第三区域(3)内的图像角点像素检测坐标； 步骤六:按照步骤二所建立的转换坐标系在步骤四所取得的圆形区域(I)建立线性标定模型，将棋盘格标定板上方格角点在世界坐标系对应的三维点坐标(Xw，Yw，0)转换为属于圆形区域(I)内的图像像素坐标(xp，yp)，忽略畸变的影响，所建立的圆形区域(I)内对应平面的标定线性模型如下:
2.根据权利要求1所述的一种基于分段模型的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤四还包括如下步骤: 4-1)、确定圆形区域:设摄像机拍摄分辨率为M列XN行，将图像像素平面分辨率的中心点设定为圆心，并在像素平面上定义一个R1为半径的圆形区域(I)； 4-2)、确定圆环形区域:以R1为内径，R2为外径，在图像像素平面上定义一个圆环形区域(2)，其圆心与圆形区域(1)同心； 4-3)、确定第三区域:在图像像素平面上，将圆环形区域(2)以外的图像区域定义为第三区域(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于分段模型的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤九还包括如下步骤: 9-1)、通过使步骤四中的圆环形区域(2)内角点像素坐标反投影的世界坐标值与其对应在真实世界坐标值的差值的平方和最小，建立四个畸变系数p2的目标函数:
全文摘要
一种基于分段模型的摄像机标定方法属于摄像机标定方法领域，该标定方法计算标定模型参数的图像特征点分别在像素平面中划分的三个区域内，标定模型是分段函数；其用畸变较少的圆形区域内的特征点计算线性模型，求解并在后续标定模型中延用这些准确性高的内部参数矩阵A和外部参数R、t；仅需对圆环区域模型中的畸变系数求解，并对畸变系数的优化初始值进行求解，降低了待求解的维数，避免了计算结果的不收敛情况并大幅缩短了计算时间；其将第三区域所建立的畸变模型转化为连续的样条平滑函数以修正第三区域内的全部像素点畸变，使整幅图像中距图像中线较远位置的特殊畸变都能够被精确修正，大幅度地提高了标定精度。
文档编号G06T7/00GK103150724SQ20131004665
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者孙秋成, 周晓东, 李纯净 申请人:长春工业大学