一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法

一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，包括以下步骤：绘制黑白棋盘格图，使用棋盘格作为平面控制条件；建立平面控制点领域特性及编号，平面控制点称为X角点；提取X角点的子像素。本发明的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法基于其角点的对称性、尺度不变性和领域特性，提出一种有效的角点提取算法。同时针对格网边缘的特性，提出双边缘的匹配算法提取高精度的角点。本发明提出的相机检校的黑白棋盘格角点提取方法具有很强的鲁棒性的黑白棋盘格角点提取算法，并可以高精度的定位角点。
【专利说明】
一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法
技术领域
[0001] 本发明属于相机检校技术领域，具体涉及一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提 取方法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机的出现，通过计算机图像处理和射影几何获取被摄物体几何以及纹理 信息已经成为了数字摄影测量与计算机视觉界的研究热点，无论是最早的胶片相机还是现 在的数码相机，它们获取的影像都存在或大或小的畸变，并且由于相机结构和成像机理的 差异导致了畸变的差异。因此，要想利用这些影像来进行高精度的测量，就必须进行必要的 相机畸变差测定和补偿，同时也需要精确测定出相机的主距和像主点坐标值等，摄影测量 界中称这个过程为相机检校，而计算机视觉界中称之为相机标定，目前对数码相机检校理 论的研究已经相当成熟，国内外许多摄影测量和计算机视觉专家也提出了各种行之有效的 检校方法。
[0003] 使用平面控制条件，如平面格网板、聚脂薄膜格网、打印纸张格网、LCD绘制圆等作 为相机检校参考对象已被广泛使用，黑白棋盘格更是广泛使用。众多厂商已使用陶瓷、玻璃 等材料制作了高精度的棋盘格式标定片。现有技术中已经实现了黑白棋盘格角点的自动提 取并实现了基于二维平面模板的标定算法，使用棋盘格作为平面控制条件，首先是格网点 的提取，一般使用内角点作为平面控制点。多数学者采用算子提取特征点，对提取特征点进 行处理后获得有效格网角点。黑白棋盘格角点作为人造的特征，有其自身的特性(对称性和 尺度不变特性），另外提取的X角点与其邻域点有重要几何特性(邻域特性），利用该特性对X 角点进行错误检测及编号。提取X角点后，接下来是使用相机的成像特性选取检校方法，从 学科的角度可分为计算机视觉方法、摄影测量方法。但现有技术中没有提出一种有效的边 缘匹配算法来对相机进行检校。

【发明内容】

[0004] 为克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于相机检校的黑白棋 盘格角点提取方法，采用自适应边缘模板和双边缘特性提取高精度的X角点，提高相机检校 的精度。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现:一种用于相机检校的黑白棋盘 格角点提取方法，包括以下步骤：
[0006] -、绘制黑白棋盘格图，使用棋盘格作为平面控制条件；
[0007] 二、建立平面控制点领域特性及编号，平面控制点称为X角点；
[0008] 三、提取X角点的子像素。
[0009] 作为上述方案的改进，在本发明的一实施例中，所述绘制黑白棋盘格图，具体包 括：
[0010] 截取黑白棋盘格图中两类X角点的局部图像，并对两类局部图像黑白取反；
[0011]提取X角点的对称特性；
[0012]提取X角点的尺度特性。
[0013] 优选地，所述建立平面控制点领域特性及编号，具体包括：
[0014] 提取的X角点可分为四个外角点（C)、边界角点(E)、内角点(H)，以I类X角内角点Η 为例描述其邻域特性，离内角点Η距离最近点的8领域点用Ν1~Ν8表达，其中Ν1~Ν4为II类 点、Ν5~Ν8为I类点；内角点(Η)与Ν1~Ν4点局部影像相关系数小于0,与Ν5~Ν8点局部影像 相关系数大于〇,选择与内角点(Η)关系数小于0的领域点Ν1~Ν4,满足以下条件：
[0015] (3)Ν1、Ν2、Ν3、Ν4组成的多变形为凸多边形；
[0016] (4)直线长度比值
[0017] (3)以Η为原点，以Η与Ni(i = l，2,3,4)和Nj(j = 2,3,4，l)中点连线为Υ轴，建立的直 角坐标系，则价、吧、吧、财分布在这个坐标系的四个象限中；
[0018] 对于边界点E，一定在近边界内角点Η的四领域点N1~N4中；
[0019]设Η与Ν1~Μ点的距离最大值为Dif'对于角点C，与其最近的内点Η的距离为1^， 设
，.则Cs小于某一阈值。
[0020] 作为上述方案的改进，在本发明的一实施例中，所述建立平面控制点领域特性及 编号，还包括：
[0021] 对内角点Hi，选择四领域点Nf、Nf、Nf、Nf构成四边形，以对角点连线建立直 线，分别为L y _、L__ _:
[0022] 以L1##为例，在该直线上的内角点圯满足以下条件：以内角点圯构建的直线 与夹角大的直线，构成该直线点的两个邻域点，分布在两侧，依 据该条件搜索所有在L1##的内角点比，则内角点比及出对角领域点与L1##夹角小的两个 点也在上；
[0023] 设所有在L1##的角点Hj构成点直线方程为Lx，所有在角点Hj构成点直线方 程为ΙΛ对构建后直线方程进行排序，依据排序后直线方程对X角点进行编号。
[0024] 进一步的，所述提取X角点的子像素，具体包括：
[0025] 提取格网点边缘特征，将拍摄的黑白棋盘格影像灰度值作为高度值进行配色显示 和二维显不；
[0026]边缘匹配，采用函数描述棋盘格网影像黑白过度区域边缘特征，缘灰度值与理论 模板曲线的关系可表达为：
[0028]其中Ηο、^用于描述影像灰度值与理论边缘点辐射变化、K用于调节边缘陡峭程度。
[0029]本发明的有益效果在于:本发明的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法基于 其角点的对称性、尺度不变性和领域特性，提出一种有效的角点提取算法。同时针对格网边 缘的特性，提出双边缘的匹配算法提取高精度的角点。本发明提出的相机检校的黑白棋盘 格角点提取方法具有很强的鲁棒性的黑白棋盘格角点提取算法，并可以高精度的定位角 点。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法的流程图。
[0031] 图2是本发明的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法中的X角点的邻域特性 图。
【具体实施方式】
[0032] 本发明使用棋盘格作为平面控制条件，首先是格网点的提取，使用内角点，本发明 称为X角点，作为平面控制点。黑白棋盘格角点作为人造的特征，有其自身的特性，称为对称 性和尺度不变特性，另外提取的X角点与其邻域点有重要几何特性，称为邻域特性，利用该 特性对X角点进行错误检测及编号。提取X角点后，接下来是使用相机的成像特性选取检校 方法，从学科的角度可分为计算机视觉方法、摄影测量方法。本发明采用摄影测量的光束法 平差(Bundle adjustment)，该方法可以同时确定目标三维坐标和相机内参数，即自检校 (Self-calibration)光束法平差。本发明使用IXD绘制棋盘格，IXD本身也存在误差，包括平 面误差及高程误差(LCD的平整度），光束法平差将这些误差作为未知数同时解算。
[0033] 采用光束法平差进行相机检校，取决观测值的精度，即X角点的提取精度，棋盘格 网作为人造特征，格网黑白变换处形成阶跃边缘，边缘匹配可以高精定位边缘，使用提取的 边缘直线相交计算子X角点子像素坐标。本发明针对黑白棋盘格网提出采用自适应边缘模 板和双边缘特性提取高精度的X角点。
[0034] 具体地，如图1所示，本发明的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法包括以下 步骤：
[0035] S1、绘制黑白棋盘格图，使用棋盘格作为平面控制条件，具体包括：
[0036] 截取黑白棋盘格图中两类X角点的局部图像，并对两类局部图像黑白取反，每类X 角点其原始局部影像与另一类点的反向图像相似。对于X角点，同类X角点局部影像相关系 数约等于1，不同类X角点局部影像相关系数约等于-1。
[0037] 提取X角点的对称特性，设图像的灰度值为F，设黑白棋盘格X角点图像白色部分的 灰度值为W、黑色部分影像灰度值为B，图像灰度的均值为F，像素灰度值对于不同对称方式 的关系如表1。
[0038] 表1X角点对称特性像素值关系
[0039]
[0040] 使用对称轴对X角点图像进行变换，变换后的图像表达式及特性见表2;
[0041 ]表2影像变换及特性
[0043]提取X角点的尺度特性，使用影像金字塔的方式表达尺度空间。
[0045] 依式1-1计算不同尺度影像的相关系数应约等于1。
[0046] S2、建立平面控制点领域特性及编号，平面控制点称为X角点，具体包括：
[0047] 如图2所示，提取的X角点可分为四个外角点(C)、边界角点(E)、内角点(H)，以I类X 角内角点Η为例描述其邻域特性，离内角点Η距离最近点的8领域点用N1~N8表达，其中N1~ Ν4为II类点、Ν5~Ν8为I类点；内角点(Η)与Ν1~Ν4点局部影像相关系数小于0,与Ν5~Ν8点 局部影像相关系数大于〇,选择与内角点(Η)关系数小于0的领域点Ν1~Ν4,满足以下条件：
[0048] (1)Ν1、Ν2、Ν3、Ν4组成的多变形为凸多边形；
[0049] (2)直线长度比值
[0050] (3)以Η为原点，以Η与Ni(i = l，2,3,4)和Nj(j = 2,3,4，l)中点连线为Υ轴，建立的直 角坐标系，则价、吧、吧、财分布在这个坐标系的四个象限中；
[0051 ] 对于边界点E，一定在近边界内角点Η的四领域点N1~N4中；
[0052] 设Η与Ν1~Ν4点的距离最大值为〇|px ,对于角点C，与其最近的内点Η的距离为D§， 设
，则CS小于某一阈值D
[0053] 对内角点出，选择四领域点％1、Nf、N?、Nf构成四边形，以对角点连线建立直 线，分别为:
[0054] 以L1##为例，在该直线上的内角点Hj满足以下条件：以内角点Hj构建的直线 Llfh4与UiMf夹角大的直线，构成该直线点的两个邻域点，分布在两侧，依 据该条件搜索所有在的内角点Hj，则内角点Hj及Hj对角领域点与夹角小的两个 点也在L^ij^上。
[0055] 设所有在的角点Hj构成点直线方程为ΙΛ所有在I4i2_角点Hj构成点直线方 程为ΙΛ对构建后直线方程进行排序，依据排序后直线方程对X角点进行编号。
[0056] S3、提取X角点的子像素，具体包括：
[0057] 提取格网点边缘特征，将拍摄的黑白棋盘格影像灰度值作为高度值进行配色显示 和三维显示。
[0058]边缘匹配，采用函数描述棋盘格网影像黑白过度区域边缘特征，缘灰度值与理论 模板曲线的关系可表达为：
[0060] 其中出、出用于描述影像灰度值与理论边缘点辐射变化、K用于调节边缘陡峭程度。
[0061] 本发明采用通过不同型号数码相机、不同型号的绘制设备来绘制黑白棋盘格网， 基于X角点自身特性(对称性、尺度不变性、领域特性）的角点提取算法具有很强的鲁棒性， 提供一种有效的X角点提取算。通过光束法平差验证表明双边缘的边缘匹配算法可以提取 高精度X角点，也表明本发明提出边缘匹配算法一种有效的边缘定位算法。
[0062] 上述实施例揭示的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法基于其角点的对称 性、尺度不变性和领域特性，提出一种有效的角点提取算法。同时针对格网边缘的特性，提 出双边缘的匹配算法提取高精度的角点。本发明提出的相机检校的黑白棋盘格角点提取方 法具有很强的鲁棒性的黑白棋盘格角点提取算法，并可以高精度的定位角点。
[0063] 以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利 范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【主权项】
1. 一种用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，其特征在于:包括W下步骤： 一、 绘制黑白棋盘格图，使用棋盘格作为平面控制条件； 二、 建立平面控制点领域特性及编号，平面控制点称为X角点； Ξ、提取X角点的子像素。2. 如权利要求1所述的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，其特征在于:所述绘 制黑白棋盘格图，具体包括： 截取黑白棋盘格图中两类X角点的局部图像，并对两类局部图像黑白取反； 提取X角点的对称特性； 提取X角点的尺度特性。3. 如权利要求1所述的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，其特征在于:所述建 立平面控制点领域特性及编号，具体包括： 提取的X角点可分为四个外角点（C)、边界角点化）、内角点化），WI类X角内角点Η为例 描述其邻域特性，离内角点Η距离最近点的8领域点用Ν1~Ν8表达，其中Ν1~Ν4为II类点、Ν5 ~Ν8为I类点；内角点化)与Ν1~Ν4点局部影像相关系数小于0,与Ν5~Ν8点局部影像相关系 数大于0,选择与内角点化)关系数小于0的领域点Ν1~Μ，满足W下条件： (1) Ν1、Ν2、Ν3、Μ组成的多变形为凸多边形； (2) 直线长度比值(3) WH为原点，WH与Ni(i = l，2,3,4)和Nj(j = 2,3,4，l)中点连线为Y轴，建立的直角坐 标系，则N1、N2、N3、M分布在运个坐标系的四个象限中； 对于边界点Ε，一定在近边界内角点Η的四领域点Ν1~Μ中； 设Η与Ν1~Ν4点的距离最大值为Dffax，对于角点C，与其最近的内点Η的距离为:D|，设，则Cs小于某一阔值。4. 如权利要求3所述的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，其特征在于:所述建 立平面控制点领域特性及编号，还包括： 对内角点出，选择四领域点Njl、N,2、Nf、N,4构成四边形，W对角点连线建立直线， 分别支为例，在该直线上的内角点Hj满足W下条件：W内角点Hj构建的直线契角大的直线，构成该直线点的两个邻域点，分布在两侧，依 据该条件捜索所有在的内角点町，则内角点&及&对角领域点与夹角小的两个 点也在Ll^Nf上； 设所有在诚3的角点&构成点直线方程为片所有在神点&构成点直线方程为 1Λ对构建后直线方程进行排序，依据排序后直线方程对X角点进行编号。5.如权利要求1所述的用于相机检校的黑白棋盘格角点提取方法，其特征在于:所述提 取X角点的子像素，具体包括： 提取格网点边缘特征，将拍摄的黑白棋盘格影像灰度值作为高度值进行配色显示和Ξ 维显示； 边缘匹配，采用函数描述棋盘格网影像黑白过度区域边缘特征，缘灰度值与理论模板 曲线的关系可表达为：其中化、Hi用于描述影像灰度值与理论边缘点福射变化、K用于调节边缘睹峭程度。
【文档编号】G06T7/00GK106097319SQ201610392800
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月4日 公开号201610392800.1, CN 106097319 A, CN 106097319A, CN 201610392800, CN-A-106097319, CN106097319 A, CN106097319A, CN201610392800, CN201610392800.1
【发明人】王海涛, 邱儒琼, 李强, 洪亮, 张露林, 余晓敏, 陈晓茜
【申请人】湖北省基础地理信息中心（湖北省北斗卫星导航应用技术研究院）