一种近场标定相机实施远场测量的方法和装置与流程

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种近场标定相机实施远场测量的方法和装置。

背景技术：

在光学系统中，镜头对于一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置通常满足五项共轭关系，称为焦距；偏离了这个位置，造成图像质量下降，成像模糊，这种现象称为离焦现象。光学系统的相对孔径越大，离焦模糊表现的效果越明显。

景物与相机的相对运动会引起离焦，在成像系统的焦深较小(弥散圆也较小)的情况下，成像区域内不同深度的对象会引起不同程度的离焦；另外由于在成像区域中存在不同深度的对象会使自动调焦系统引起混淆而导致拍摄的相片离焦等。离焦会直接影响后续的信息提取和处理工作。

一方面，目前大部分相机系统为了减少离焦效果，将会自动调整像距，获得较为清晰成像。这将导致相机在实际成像时的像距与实验室条件标定得到的焦距是有差别的。另一方面，由于实际条件限制，在测量距离上进行远场标定也不可行。因此，近场标定的像距与实际测量的焦距的差别将导致明显的测量误差，尤其是双目测量的深度值，此即为通常所说的近场标定远场测量的问题。如何解决该问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种近场标定相机实施远场测量的方法及装置，能够根据相机近场标定结果实施远场测量，标定精度高，从而提高远场测量精度，同时操作简单方便。

为解决上述技术问题，本发明提供一种近场标定相机实施远场测量的方法，所述方法包括：

步骤S10、利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距；

步骤S11、将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得所述远景待测量物体的深度；

步骤S12、将所述深度作为高斯成像模型的物距，并根据所述相机的近场标定焦距，计算所述高斯成像模型的估计像距，并判断所述估计像距是否满足预定条件；若满足所述预定条件，则将所述估计像距、相机的近场标定焦距以及所述深度作为远场标定结果；

步骤S13、利用所述远场标定结果进行远场测量。

可选的，利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距，包括：

利用相机拍摄设置在不同物距的参考标志，得到不同物距的参考标志图像；

根据所述参考标志图像以及对应的物距，利用高斯成像模型，计算得到预定个数的近场标定焦距，以及不同物距中最远物距对应的像距；

对预定个数的所述近场标定焦距取平均值，得到相机的近场标定焦距。

可选的，当所述相机为双目相机时，将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得所述远景待测量物体的深度，包括：

将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，通过前向交汇法获得所述远景待测量物体的深度。

可选的，通过前向交汇法获得所述远景待测量物体的深度，包括：

建立所述双目相机中两个相机与交汇点的共线方程；

求解所述共线方程得到交汇点的坐标值(X，Y，Z)，其中，Z为交汇点的深度；

利用公式Z_obj＝mean(Z)计算所述远景待测量物体的深度Z_obj；

其中，所述共线方程为：

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为世界坐标中交汇点P(X，Y，Z)在左、右相机的投影点，r_i，i＝1，2，...，8为相机畸变系数，f_x，f_y为相机主距，(C_x，C_y)为相机光心坐标；且f_x＝f_y＝v_N。

可选的，当所述相机为多目相机时，将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得所述远景待测量物体的深度，包括：

将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，通过束平差法获得所述远景待测量物体的深度。

可选的，通过束平差法获得所述远景待测量物体的深度，包括：

建立所述多目相机中每两个相机与交汇点的共线方程；

求解所述共线方程得到前向交汇点P_j的坐标值(X_j，Y_j，Z_j)，其中，Z_j为前向交汇点P_j的深度；

根据前向交汇点P_j的坐标值(X_j，Y_j，Z_j)确定所述多目相机的交汇点的坐标(X，Y，Z)；其中，Z为交汇点的深度；

利用公式Z_obj＝mean(Z)计算所述远景待测量物体的深度Z_obj；

其中，所述共线方程为：

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为世界坐标中前向交汇点P_j(X_j，Y_j，Z_j)在左、右相机的投影点，j＝1，2，...，K，C为多目相机中摄像头个数；r_i，i＝1，2，...，8为相机畸变系数，f_x，f_y为相机主距，(C_x，C_y)为相机光心坐标；且f_x＝f_y＝v_N。

可选的，判断所述估计像距是否满足预定条件，包括：

利用公式E_a＝|v_N+1-v_N|计算绝对误差E_a，并判断所述绝对误差E_a是否小于阈值ε；其中，v_N+1为估计像距，v_N最远物距对应的像距。

可选的，当不满足所述预定条件时，将所述估计像距作为所述相机的像距，执行所述步骤S11和步骤S12。

本发明还提供一种近场标定相机实施远场测量的装置，包括：

近场标定模块，用于利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距；

深度计算模块，用于将最远物距对应的像距作为所述相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得所述远景待测量物体的深度；

远场标定模块，用于将所述深度作为高斯成像模型的物距，并根据所述相机的近场标定焦距，计算所述高斯成像模型的估计像距，并判断所述估计像距是否满足预定条件；若满足所述预定条件，则将所述估计像距、相机的近场标定焦距以及所述深度作为远场标定结果；

远场测量模块，用于利用所述远场标定结果进行远场测量。

可选的，本方案还包括：

输出模块，用于通过电子设备终端输出所述远场测量结果。

本发明所提供的近场标定相机实施远场测量的方法，方法包括：步骤S10、利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距；步骤S11、将最远物距对应的像距作为相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得远景待测量物体的深度；步骤S12、将深度作为高斯成像模型的物距，并根据相机的近场标定焦距，计算高斯成像模型的估计像距，并判断估计像距是否满足预定条件；若满足预定条件，则将估计像距、相机的近场标定焦距以及深度作为远场标定结果；步骤S13、利用远场标定结果进行远场测量；

可见，该方法能够解决远场测量操作繁琐、工作量大、标定精度低、测量精度低等问题，能够根据相机近场标定结果实施远场测量，标定精度高，从而提高远场测量精度，同时操作简单方便；本发明还提供了近场标定相机实施远场测量的装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的近场标定相机实施远场测量的方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的近场安放一组可移动的标定参照标志的示意图；

图3为本发明实施例所提供的近场标定相机实施远场测量的装置的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种近场标定相机实施远场测量的方法及装置，能够根据相机近场标定结果实施远场测量，标定精度高，从而提高远场测量精度，同时操作简单方便。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的近场标定相机实施远场测量的方法的流程图；方法可以包括：

步骤S10、利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距。

其中，本实施例中所说的相机为广义上的相机，即任何能够拍摄照片的设备，可以包括照相机，摄像机等。本实施例并不对相机进行限定。

具体的，该步骤主要实现近场标定过程。即近场标定描述为在较近距离内对相机参数进行标定。进一步描述为：将参考标志分次摆在距相机距离不同的位置上(即相当于物距不同)，拍摄参考标志多幅图像，标定得到近场标定焦距。这里的参考标志可以是人工依次放到每个预定位置即不同物距上，也可以是自动移动到每个预定位置即不同物距上。也可以是参考标志固定不动，相机依次移动等。本实施例对此并不进行限定，只要可以实现相机拍摄多个不同物距的物体即可。

优选的，该过程可以包括：

利用相机拍摄设置在不同物距的参考标志，得到不同物距的参考标志图像。

根据参考标志图像以及对应的物距，利用高斯成像模型，计算得到预定个数的近场标定焦距，以及不同物距中最远物距对应的像距。

对预定个数的近场标定焦距取平均值，得到相机的近场标定焦距。

其中，由于单个标定焦距可能不准确，因此，为了提高近场标定结果，对多个近场标定焦距取平均，得到最佳近场标定焦距作为相机的近场标定焦距。

具体的，请参考图2，近场安放一组可移动的标定参照标志即参考标志，多次移动并拍摄参照标志，得到多组不同距离(不同物距)的参照标志图像，利用物距u、像距v与焦距f符合的高斯成像模型，得到多个近场标定焦距以及像距。物距、像距和焦距满足高斯成像模型：

其中，N为不同距离个数，即移动参照标志的次数，也可以理解为每个位置。

通过对多个近场标定焦距取平均，确定相机的近场标定焦距

其中，具体的计算公式为

本实施例中并不限定具体的由多个近场标定焦距获得相机的近场标定焦距的计算过程。可以选用计算简单准确度符合预期的平均值计算法，当然也可以利用其它算法，例如根据每个不同位置的权重进行计算等。

且安放一组可移动的参照标志，一方面是为了降低参照标志成本，同时，使得每次拍摄的标定参照物为同一个，降低了由于不同标定参照物的色彩、亮度不同而引起的标定误差，另一方面，标定参照标志可移动，能够拍摄得到多组不同距离的图像。

步骤S11、将最远物距对应的像距作为相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得远景待测量物体的深度；

具体的，该步骤主要实现利用近场标定结果实施远场测量过程。由于要进行远场测量，因此本实施例可以利用最远物距对应的像距作为相机的像距，实现对远景待测量物体的对焦。本实施例并不限定具体的远景待测量物体的深度计算方法。可以根据用户选用相机的实际情况进行算法的选择。例如当相机为双目相机时，通过前向交汇法获得远景待测量物体的深度。当相机为多目相机时，通过束平差(bundle adjustment)法获得远景待测量物体的深度。

可选的，通过前向交汇法获得远景待测量物体的深度可以包括：

建立双目相机中两个相机与交汇点的共线方程；

求解共线方程得到交汇点的坐标值(X，Y，Z)，其中，Z为交汇点的深度；

利用公式Z_obj＝mean(Z)计算远景待测量物体的深度Z_obj；即计算待测物体的所有部分的深度平均值Z_obj＝mean(Z)。

其中，共线方程为：

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为世界坐标中交汇点P(X，Y，Z)在左、右相机的投影点，r_i，i＝1，2，...，8为相机畸变系数，f_x，f_y为相机主距，(C_x，C_y)为相机光心坐标；且f_x＝f_y＝v_N。

其中，前向交汇法描述为：通过建立前向交汇点与交汇点在两个相机投影点之间的共线方程，通过求解这个共线方程即求得前向交汇点的坐标。本实施例为了得到适用于现实场景的深度，通过利用待测物体的所有部分的深度平均值作为待测量物体的深度。虽然这样得到的深度并不是很精确，但是能够满足对远场较小物体的测量，对于需要十分精确测量的目标，需要进一步优化整体深度值。对于深度的其他优化方法，需要根据具体应用场景进行设计，本实施例并不限定具体的优化方法。

通过束平差法获得远景待测量物体的深度，包括：

建立多目相机中每两个相机与交汇点的共线方程；

求解共线方程得到前向交汇点P_j的坐标值(X_j，Y_j，Z_j)，其中，Z_j为前向交汇点P_j的深度；

根据前向交汇点P_j的坐标值(X_j，Y_j，Z_j)确定多目相机的交汇点的坐标(X，Y，Z)；其中，Z为交汇点的深度；

具体的，这里可以利用平均值算法确定多目相机的交汇点的坐标(X，Y，Z)；即公式如下：其中，K为交汇点的个数。

利用公式Z_obj＝mean(Z)计算远景待测量物体的深度Z_obj；即计算待测物体的所有部分的深度平均值Z_obj＝mean(Z)。

其中，共线方程为：

其中，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为世界坐标中前向交汇点P_j(X_j，Y_j，Z_j)在左、右相机的投影点，j＝1，2，...，K，C为多目相机中摄像头个数；r_i，i＝1，2，...，8为相机畸变系数，f_x，f_y为相机主距，(C_x，C_y)为相机光心坐标；且f_x＝f_y＝v_N。

其中，束平差法描述为：利用双目共线方程求得多个相机前向交汇点，通过求这些点的平均坐标确定最终相机交汇点。

步骤S12、将深度作为高斯成像模型的物距，并根据相机的近场标定焦距，计算高斯成像模型的估计像距，并判断估计像距是否满足预定条件；若满足预定条件，则将估计像距、相机的近场标定焦距以及深度作为远场标定结果；

其中，传统的人们进行远场测量，需要在一定远景景深范围内搬运测量仪器进行标定、测量，较为盲目地寻找最优标定、测量位置，操作极其繁琐，工作量大，效率低，最后得到的结果也不一定能够满足现实需求。为了解决这一问题，本实施例通过迭代估计远场测量的像距误差，确定远场测量相机参数，即利用近场标定结果实施远场测量的结果进行远场标定。

具体的，该步骤主要实现利用近场标定结果实施远场测量的结果进行远场标定的过程。

具体的计算估计像距的过程可以是：将标定参照物深度Z₀＝Z_obj作为物理测量高斯成像模型的物距u_N+1，计算此时高斯成像模型的估计像距v_N+1：

其中，u_N+1＝Z₀

具体的，本实施例中的预定条件即设定远场标定像距迭代估计的停止条件。本实施例并不对该预定条件进行限定。例如可以使用远场测量估计像距与近场标定像距(主距)之间的最大绝对误差是否小于阈值作为标定像距停止阈值，又例如远场测量估计像距与近场标定像距(主距)之间的相对误差等也是可以作为远场标定像距迭代估计的停止阈值。设置远场标定迭代估计的停止条件因子的目的在于，一方面防止迭代无止境，另一方面能够使得最后计算结果最优或满足实际应用。

优选的，考虑到精度以及计算速度和计算的便捷程度，本实施例使用远场测量像距(即估计像距)与近场标定像距(主距)之间的最大绝对误差与阈值ε进行比较，设定估计像距计算停止条件，即这里可以利用v_N+1与v_N之间的绝对误差与对应阈值进行比较，作为预定条件进行判定。即优选的，判断估计像距是否满足预定条件可以包括：

利用公式E_a＝|v_N+1-v_N|计算绝对误差E_a，并判断绝对误差E_a是否小于阈值ε；其中，v_N+1为估计像距，v_N最远物距对应的像距。

具体的，如果E_a≤ε，则结束标定，输出标定结果u_N+1、v_N+1、

优选的，当不满足预定条件时，将估计像距作为相机的像距，执行步骤S11和步骤S12。即修改近场标定获得的相机主距，继续执行利用近场标定结果实施远场测量过程，利用近场标定结果实施远场测量的结果进行远场标定的过程。实现自动迭代求取最优的估计像距，作为远场测量时相机的像距。

具体的，令近场标定像距v_N＝v_N+1，重新利用近场标定结果进行远场测量以及重新迭代估计远场测量像距绝对误差。

步骤S13、利用远场标定结果进行远场测量。

具体的，该步骤主要实现利用远场标定结果进行远场测量的过程。即将得到的估计像距作为远场测量时的相机像距，并根据该远场测量时的相机像距获得待测物体更精确的景深值即实现远程测量。这里当相机为双目相机时，通过前向交汇法获得远景待测量物体的深度。当相机为多目相机时，通过束平差(bundle adjustment)法获得远景待测量物体的深度。具体计算过程可以参考步骤S11。

基于上述技术方案，本发明实施例提的近场标定相机实施远场测量的方法，先进行近场标定，然后利用标定结果进行远场测量，一方面操作简单方便，另一方面提高了远场标定精度，从而使得远景测量精度提高。进一步利用不同位置的参考标志取得多组近场标定结果，最后求取焦距平均作为近场标定初始值即近场标定相机的近场标定焦距，减小了标定误差。通过迭代，动态获取物距变化量，使得计算出来的像距能够以最快速度接近最优像距。

下面对本发明实施例提供的近场标定相机实施远场测量的装置进行介绍，下文描述的近场标定相机实施远场测量的装置与上文描述的近场标定相机实施远场测量的方法可相互对应参照。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的近场标定相机实施远场测量的装置的结构框图；该装置可以包括：

近场标定模块100，用于利用设置在不同物距的参考标志，标定得到相机的近场标定焦距及不同物距中最远物距对应的像距；

深度计算模块200，用于将最远物距对应的像距作为相机的像距，对远景待测量物体进行对焦，获得远景待测量物体的深度；

远场标定模块300，用于将深度作为高斯成像模型的物距，并根据相机的近场标定焦距，计算高斯成像模型的估计像距，并判断估计像距是否满足预定条件；若满足预定条件，则将估计像距，相机的近场标定焦距深度作为远场标定结果；

远场测量模块400，用于利用远场标定结果进行远场测量。

可选的，所述远场测量模块400可以包括双目相机测量单元，用于利用双目相机对远场待测量物体进行测量和多目相机测量单元，用于利用多目相机对远场待测量物体进行测量。

基于上述实施例，该装置还可以包括：

输出模块，用于通过电子设备终端输出远场测量结果。

其中，这里输出模块还可以用于输出近场标定结果和/或远程标定结果。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种近场标定相机实施远场测量的方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。