一种采用平面标定图案与圆柱面相结合的摄像机线性标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及摄像机线性标定方法，具体涉及一种采用平面标定图案与圆柱面相结 合的摄像机线性标定方法，适用于机器视觉系统和技术。
【背景技术】
[0002] 摄像机标定是从二维图像获取三维场景信息的关键环节，对于视觉测量和机器人 视觉导航等精度要求较高的视觉系统，采用已知结构的标定物进行摄像机标定是目前常用 的方法。
[0003] 根据采用的标定物不同，可分为采用三维立方体的方法和采用平面标定物的方 法。采用三维立方体的标定方法（马颂德，张正友，计算机视觉，科学出版社，1998，pp52_ 59)，拍摄一幅图像即可进行摄像机标定，但由于三维立方体的三组平行平面需要相互垂 直，这需要精密的加工设备来保证，所以其应用受到限制。近些年来，取而代之的是采用平 面标定物的方法（Z.Zhang,A Flexible New Technique for Camera Calibration，IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11): 1330-1334)，但这种 方法，对于四参数的摄像机模型，至少需要拍摄2幅不同的图像。实际上，为了得到较好的标 定结果，一般拍摄更多图像，需要人工参与选择不同的姿态，不便于视觉系统的自动标定和 在线标定。
[0004] 因此，本领域希望有更简捷实用的摄像机标定方法。
【发明内容】
[0005] 本发明针对立方体标定物在制作时存在的三组平面间相互垂直关系不易保证的 问题，以及采用平面标定物时需要拍摄多幅不同图像的问题，提供一种采用平面标定图案 与圆柱面相结合的摄像机线性标定方法。该方法中的标定物不需要精密的加工设备，标定 时仅需拍摄一幅图像，便于摄像机的自动标定和在线标定。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种采用平面标定图案与圆柱面相结合的摄像机线性标定方法，该方法的步骤如 下：
[0008] (1)根据视觉系统的工作范围，打印一张适当尺寸的平面标定图案，使得拍摄的图 像中至少包含所述标定图案的6个特征点，优选包含18个以上特征点，并在平面标定图案上 建立坐标系；
[0009] (2)选择一个适当尺寸的圆柱表面，将平面标定图案贴于其上，使得平面标定图案 上所建坐标系的一个坐标轴与圆柱表面的母线平行，构成一个结构尺寸已知的标定物；
[0010] (3)在所述标定物上建立三维坐标系，根据平面图案和圆柱表面的尺寸计算标定 图案上特征点的三维坐标；
[0011] (4)拍摄一幅所述标定物的图像，并提取其中标定图案上所述特征点的图像坐标；
[0012] (5)根据标定物上特征点的三维坐标和提取的二维图像坐标，采用直接线性变换 方法，计算摄像机的内参数和外参数，完成摄像机的线性标定。
[0013] 在本发明的优选实施例中，步骤（1)所述平面标定图案为不同颜色相间的彩色平 面方格，或黑白相间的平面方格。
[0014] 由于金属或塑料管材易于获得，其外表面具有足够的圆柱度，可满足精度要求，所 以标定物的制作无须精密的加工。另外，圆柱表面是三维形状，可提供其上特征点的三维坐 标，这样拍摄一幅图像即可进行摄像机标定，避免了采用平面标定物时需要拍摄多幅图像 的限制，因此可应用于摄像机的自动标定和在线标定。
【附图说明】
[0015] 以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0016] 图1为平面标定图案的示意图。
[0017]图2为圆柱表面的不意图。
[0018] 图3为平面标定图案贴于圆柱表面构成的标定物示意图。
[0019] 图4为一个具体实施例中拍摄的标定图像示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。
[0021] 本发明针对立方体标定物在制作时存在的三组平面间相互垂直关系不易保证的 问题，以及采用平面标定物时需要拍摄多幅不同图像的问题，提供一种采用平面标定图案 与圆柱面相结合的摄像机标定方法。该方法的步骤如下：
[0022] (1)根据视觉系统的工作范围，打印一张适当尺寸的平面标定图案，使得拍摄的图 像中至少包含所述标定图案的6个特征点，优选包含18个以上特征点，并在平面标定图案上 建立坐标系；
[0023] (2)选择一个适当尺寸的圆柱表面，将平面标定图案贴于其上，使得平面标定图案 上所建坐标系的一个坐标轴与圆柱表面的母线平行，构成一个结构尺寸已知的标定物；
[0024] (3)在所述标定物上建立三维坐标系，根据平面图案和圆柱表面的尺寸计算标定 图案上特征点的三维坐标；
[0025] (4)拍摄一幅所述标定物的图像，并提取其中标定图案上所述特征点的图像坐标；
[0026] (5)根据标定物上特征点的三维坐标和提取的二维图像坐标，采用直接线性变换 方法，计算摄像机的内参数和外参数，完成摄像机的线性标定。
[0027]基于上述原理，本发明的具体实施过程如下：
[0028] (1)根据视觉系统的工作范围，打印一张适当尺寸的平面标定图案，并在平面标定 图案上建立坐标系。图1为平面标定图案的示意图。如图1所示，平面标定图案100中具有相 间的黑色方格101和白色方格102。黑色方格101和白色方格10 2的数量和边长根据视觉系统 的工作范围确定，使得拍摄的图像中至少包含6个特征点，优选包含18个以上特征点（10个 以上方格）。对于平面方格图案，可按图1所示建立坐标系，根据方格的边长可确定方格角点 的二维坐标。假设方格的边长为a，则方格角点的二维坐标(X，y)可表示为：
[0029] x = a · i
[0030] y = a · j
[0031] 式中i，j为整数，分别表示角点在x和y方向距原点的方格数。
[0032] (2)选择一个适当尺寸的圆柱表面，将平面标定图案贴于其上，使得平面标定图案 上所建坐标系的一个坐标轴与圆柱表面的母线平行，构成一个结构尺寸已知的标定物。如 图2所示的圆柱表面200,可选适合的金属或塑料管材的外表面，圆柱表面的直径优选为方 格边长的2至5倍，这样便于拍摄到足够的方格。将图1中的平面标定图案100贴于图2中的圆 柱表面200上，使图1中平面标定图案100的坐标系y轴平行于图2中的圆柱表面200的母线， 构成图3中所示的标定物300。
[0033] (3)在所述标定物上建立三维坐标系，根据平面图案和圆柱表面的尺寸计算标定 图案上特征点的三维坐标。如图3所示，在所得标定物300上建立三维坐标系，假设圆柱表面 的半径为r，则方格角点的三维坐标可表示为：
[0034] Xw=rsin(x/r)
[0035] Yw=y
[0036] Zw=r (cos (x/r )-1)
[0037] 这些已知三维坐标的角点可作为标定的特征点。在图4所示具体实施例中，方格边 长a为50mm，圆柱表面直径为110mm，根据上式可计算出18个角点的三维坐标，如表1所示。 [0038]表1.在一个具体实施例中计算的标定物300上特征点的三维坐标
[0039]
[004??~(4)拍摄一幅所述标定物的图像，并提取其中标定图案上所述特征点的图像坐标1 图4为一个具体实施例中拍摄的一幅标定图像400的示意图，其中410为标定物在图像中的 区域。对于该图像可采用现有角点提取方法（例如Harris C, Stephens M.，Acombined corner and edge detector,Proc.4thAlvey Vision Conference,Manchester,England, 1988,147-151.)提取标定图像400中标定物所在区域410内的特征点411的图像坐标(u，v)， 表2为一次标定中提取的特征点411的图像坐标。
[0042]表2.在一个具体实施例中从图像提取的标定物上特征点的图像坐标 「00431
_[0(H5] _ (5)根据标定物上特征点的三维坐标和提取的图像坐标，_采用直接线性变换方法 (马颂德，张正友，计算机视觉，科学出版社，1998，pp52-59)，计算摄像机的内参数和外参 数，完成摄像机的线性标定。在图4所示的具体实施例中，完成线性标定后，得出的摄像机内 外参数如下：
[0046 ]摄像机内参数：
[0047]
[0048] 外参数：
[0049] 旋转矩阵
平移向量
[0050] 上述标定结果，与采用平面标定物的方法(Z.Zhang,A Flexible New Technique for Camera Calibration，IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000,22(11) :1330-1334)得出的结果相符。
[0051] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种采用平面标定图案与圆柱面相结合的摄像机线性标定方法，其特征在于，所述 标定方法包括如下步骤： (1) 根据视觉系统的工作范围，打印一张适当尺寸的平面标定图案，使得拍摄的图像中 至少包含所述标定图案的6个特征点，优选包含18个以上特征点，并在平面标定图案上建立 坐标系； (2) 选择一个适当尺寸的圆柱表面，将平面标定图案贴于其上，使得平面标定图案上所 建坐标系的一个坐标轴与圆柱表面的母线平行，构成一个结构尺寸已知的标定物； (3) 在所述标定物上建立三维坐标系，根据平面图案和圆柱表面的尺寸计算标定图案 上特征点的三维坐标； (4) 拍摄一幅所述标定物的图像，并提取其中标定图案上所述特征点的图像坐标； (5) 根据标定物上特征点的三维坐标和提取的二维图像坐标，采用直接线性变换方法， 计算摄像机的内参数和外参数，完成摄像机的线性标定。
【专利摘要】本发明涉及一种采用平面标定图案与圆柱面相结合的摄像机线性标定方法。首先打印一张适当尺寸的平面标定图案，并在平面标定图案上建立坐标系；其次，选择一个圆柱表面，将平面标定图案贴于其上，构成一个结构尺寸已知的标定物；然后建立三维坐标系，根据平面图案和圆柱表面的尺寸计算标定图案上特征点的三维坐标；接着，拍摄一幅该标定物的图像，并提取其中特征点的图像坐标；最后，根据标定物上特征点的三维坐标和提取的二维图像坐标，计算摄像机的内参数和外参数，完成摄像机的线性标定。本发明克服了在制作立方体标定物时存在的三个平面间相互垂直关系不易保证的困难；而且仅需拍摄一幅图像即可完成标定，便于摄像机的自动标定和在线标定。
【IPC分类】G06T7/00
【公开号】CN105513065
【申请号】CN201510882261
【发明人】王建华, 李振义, 任福鑫, 刘昭, 沈爱弟, 陈伟炯
【申请人】上海海事大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月3日