基于投影高斯网格图案的摄像机标定方法
【专利摘要】本发明基于投影高斯网格图案的摄像机标定方法属于图像处理和计算机视觉检测领域，特别涉及大型锻件尺寸测量系统中摄像机内、外参数的现场标定方法。摄像机标定方法利用高斯网格图案中横、纵光条在宽度方向上的灰度呈高斯分布的特性，通过拟合高斯曲线可以高精度地获取光条中心线上的点的图像坐标，进而拟合出横、纵光条的中心线方程，横、纵光条中心线的交点即为标定特征点，依据拍摄得到的高斯网格图案的图像中提供的标定特征点的图像坐标，分步获取摄像机的内、外参数。本发明具有高的实时性、鲁棒性及较高的标定精度，分步标定可以获取高精度的摄像机参数，避免将所有摄像机参数同时求解时的耦合性问题，适用于锻造现场对摄像机进行在线标定。
【专利说明】基于投影高斯网格图案的摄像机标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像处理和计算机视觉检测领域，特别涉及大型锻件尺寸测量系统中摄像机内、外参数的现场标定方法。
【背景技术】
[0002]计算机视觉处理的基本任务之一是根据二维图像信息恢复物体的三维几何信息。要实现利用图像点求取相应的空间物体表面点的任务，需要确定摄像机成像几何模型，该几何模型的参数称为摄像机参数。摄像机参数分为内、外参数，内参数为摄像机自身的与几何和光学特性有关的参数，外参数为摄像机相对于某一世界坐标系的三维位置和方向。确定摄像机内、外参数的过程称为摄像机标定，标定方法的精度直接影响到计算机视觉测量的精度。因此，对摄像机进行快速、简捷、精准标定的研究无疑具有重大的意义。
[0003]传统的摄像机标定方法按照标定参照物的不同可以分为基于3D立体靶标标定方法，基于2D平面靶标标定方法(以张正友提出的棋盘格靶标标定方法为代表)和基于ID靶标的标定方法。这些传统的标定方法均需要标定参照物，而对于大视场摄像机的标定，标定参照物的特征点能否均匀布满于整个视场，直接影响着标定的精度。一方面，制作高精度的大尺寸标定靶标造价昂贵、维护困难。另一方面，对于不适用于在线与不可能使用标定参照物的场合也不适用。在锻件锻造车间高温环境下，标定块、标定板与粘贴靶点的方法均不能应用。因此，传统摄像机标定方法不能满足大型锻件在线尺寸参数测量的要求。另外，自标定方法虽然不利用任何标定物，仅利用摄像机内参数自身存在的约束，根据图像间图像点的对应关系就能估计出摄像机内参数。该类方法操作上较为灵活，但是精度不太高，鲁棒性不足。
[0004]通过采用投影仪投射靶标可以解决上述问题，投影的特征图案理论上边缘应为阶跃变化，但是实际上由于扩散效应，图案边缘呈渐变趋势，边缘会向黑色背景一侧偏移。以投影仪投射圆形特征光斑阵列为例，圆形光斑的中心即为用于标定的特征点，由于每个光斑会向周围产生不同程度的扩散，因此很难根据二值化后的图像采用形心法获取圆斑的精确中心，利用相关算法进行圆形特征边界提取并进行圆形(或椭圆形)拟合获得高精度的圆斑中心也并非易事。同理，利用投影仪投影一般的光条组合图案，提取光条的中心作为特征线，精度也难以保证。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，针对在锻造现场，传统的标定方法存在精度低、非实时，甚至不能应用以及自标定方法存在精度不太高，鲁棒性不足等问题，发明一种基于投影高斯网格图案的大视场摄像机标定方法，利用高斯网格图案中横、纵光条在宽度方向上的灰度呈高斯分布的特性，通过拟合高斯曲线可以高精度地获取光条中心线上的点的图像坐标，进而拟合出横、纵光条的中心线方程，横、纵光条中心线的交点即为标定特征点，依据拍摄得到的高斯网格图案的图像中提供的标定特征点的图像坐标，分步获取摄像机的内、外参数。
[0006]本发明采取的技术方案是一种基于投影高斯网格图案的摄像机标定方法，其特征在于，利用高斯网格图案中横、纵光条在宽度方向上的灰度呈高斯分布的特性，通过拟合高斯曲线可以高精度地获取光条中心线上的点的图像坐标，进而拟合出横、纵光条的中心线方程，横、纵光条中心线的交点即为标定特征点，依据拍摄得到的高斯网格图案的图像中提供的标定特征点的图像坐标，分步获取摄像机的内、外参数；具体步骤如下:
[0007]步骤1:搭建摄像机标定系统。将左侧四维电控平台2a、右侧四维电控平台2b及投影仪3安装在平台I的台面上，将左侧摄像机4a固定在左侧四维电控平台2a上，将右侧摄像机4b固定在右侧四维电控平台2b上。
[0008]步骤2: 投影高斯网格图案、拍摄并获取交点坐标。通过投影仪3向厂房内光整的平板或墙面5上投影由多条平行的横光条与多条平行的纵光条组成高斯网格图案6，各光条在宽度方向上的灰度均呈高斯分布，其中横、纵光条交点为标定特征点，i为横光条的编号，按照从上至下的次序，j为纵光条的编号，按照从左至右的次序。由于横、纵光条交点处光强叠加，对左侧摄像机4a与右侧摄像机4b拍摄得到的图像进行二值化处理后，获得的图像中只剩下网格交点处的亮斑，即一个个孤立的联通区域。利用形心法可以获取联通区域的质心坐标(UO^vOu)，作为特征点Aiij的粗略位置。将以该粗略位置为圆心，以Λ个像素为半径的圆形区域作为搜索范围，然后在[u0u_A，u0u+A]范围内每隔Λ/η沿宽度方向搜索一次横光条，按照高斯分布特性进行拟合，将高斯分布峰值点作为横光条中心线上的点，因此可以得到2η+1个中心线上的点Pus，下标s为1，2，3，…，2n+l，进而拟合出直线同样地，在范围内每隔Λ/n沿宽度方向搜索一次纵光条，按照高斯分布特性进行拟合，将高斯分布峰值点作为纵光条中心线上的点，可以得到2n+l个中心线上的点91」，^下标七为1,2，3，…，2n+l，进而拟合出直线1ν^_。最终，通过求取同一搜索范围内两条相交直线的交点作为标定特征点A。，其坐标为(Uu，ν,ρ。
[0009]步骤3:获取主点的粗略坐标。利用左侧摄像机4a或右侧摄像机4b在两种不同焦距下拍摄同一个投影的高斯网格图案6，特征点A。的图像坐标分别为(ul^vlu)和(u2i；J, v2i；J)，主点坐标为(uQ，v0)，则有:
【权利要求】
1.一种基于投影高斯网格图案的摄像机标定方法，其特征在于，摄像机标定方法利用高斯网格图案中横、纵光条在宽度方向上的灰度呈高斯分布的特性，通过拟合高斯曲线可以高精度地获取光条中心线上的点的图像坐标，进而拟合出横、纵光条的中心线方程，横、纵光条中心线的交点即为标定特征点，依据拍摄得到的高斯网格图案的图像中提供的标定特征点的图像坐标，分步获取摄像机的内、外参数；具体步骤如下: 步骤1:搭建摄像机标定系统；将左侧四维电控平台(2a)、右侧四维电控平台(2b)及投影仪(3)安装在平台(I)的台面上，将左侧摄像机(4a)固定在左侧四维电控平台(2a)上，将右侧摄像机(4b)固定在右侧四维电控平台(2b)上； 步骤2:投影高斯网格图案、拍摄并获取交点坐标；通过投影仪(3)向厂房内光整的平板或墙面(5)上投影由多条平行的横光条与多条平行的纵光条组成高斯网格图案(6)，各光条在宽度方向上的灰度均呈高斯分布，其中横、纵光条交点A。为标定特征点，i为横光条的编号，按照从上至下的次序，j为纵光条的编号，按照从左至右的次序；由于横、纵光条交点处光强叠加，对左侧摄像机(4a)与右侧摄像机(4b)拍摄得到的图像进行二值化处理后，获得的图像中只剩下网格交点处的亮斑，即一个个孤立的联通区域；利用形心法可以获取联通区域的质心坐标(uOu，VO。)，作为特征点Aiij的粗略位置；将以该粗略位置为圆心，以Δ个像素为半径的圆形区域作为搜索范围,然后在[ιιΟυ.-Δ,ιιΟυ.+ Δ]范围内每隔Δ/η沿宽度方向搜索一次横光条，按照高斯分布特性进行拟合，将高斯分布峰值点作为横光条中心线上的点，因此可以得到2η+1个中心线上的点Pus，下标s为1，2，3，…，2n+l，进而拟合出直线Iuj ;同样地，在范围内每隔Λ/η沿宽度方向搜索一次纵光条，按照高斯分布特性进行拟合，将高斯分布峰值点作为纵光条中心线上的点，可以得到2η+1个中心线上的点Qut，下标t为1，2，3，…，2n+l，进而拟合出直线；最终，通过求取同一搜索范围内两条相交直线的交点作为标定特征点A。，其坐标为； 步骤3:犾取王点的粗略坐标；利用左侧摄像机(4a)或右侧摄像机(4b)在两种不同焦距下拍摄同一个投影的高斯网格图案(6)，特征点A。的图像坐标分别为和(u2i；J, v2i；J)，主点坐标为(uQ，v0)，则有:
【文档编号】G06T7/00GK103530880SQ201310482789
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】贾振元, 刘巍, 李明星, 刘阳, 杨景豪, 张驰 申请人:大连理工大学