确定相机焦距与旋转角度的方法、相机标定方法及系统的制作方法

确定相机焦距与旋转角度的方法、相机标定方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种确定相机焦距和旋转角度的方法、相机标定方法及系统，其中所述确定相机焦距和旋转角度的方法包括以下步骤：将相机坐标系与世界坐标系重合放置；获得垂直消隐点的坐标和水平消隐点的坐标根据所述垂直消隐点的坐标和水平消隐点的坐标确定相机焦距f、第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转角度roll，所述第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt、第三旋转角度roll分别为相机坐标系沿Y轴、X轴、Z轴旋转的角度。由此解决了现有技术的相机标定方法求解结果不稳定，难以实施的技术问题。
【专利说明】确定相机焦距与旋转角度的方法、相机标定方法及系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及相机标定【技术领域】，具体涉及一种确定相机焦距和旋转角度的方法、 相机标定方法及系统。

【背景技术】
[0002] 近年来，基于相机等视觉传感器和计算机视觉理论为基础的视频监控技术得到飞 速的发展。通过分析相机录制的视频序列，对车辆、行人等目标物进行检测、分割、识别和跟 踪，从而判断目标物的行为，实现对图像内容的理解。相机标定是一个必要的处理步骤，它 可以确定二维图像坐标和三维世界坐标之间的映射关系，是速度、大小等于空间尺寸相关 的"[目息有效提取的如提和保证。
[0003] 常用的相机模型的投影关系可用以下表达式表示：
[0004] [u，V，1]T =入?A?R?[I|TC] ? [xw，yw，zw，1]T
[0005]xw，yw，zw是世界坐标系中的坐标点，u，v是图像中的二维坐标点。R，T。为相机外 部参数，R为相机的旋转矩阵，决定相机拍摄角度；I为单位矩阵，T。决定相机的空间位置， 入是一个常数系数。A为相机内部参数，主要包括焦距（fx，fy)，主点（U(I，V(I)，倾斜因子s。
[0006] 相机标定是确定相机内参数和外参数的过程。目前，大致有两类方法：传统标定方 法和自标定方法。
[0007] 传统方法，如张正友提出的基于平面标定板进行定标的方法，需要在不同方位拍 摄特征的棋盘格平面模板的多幅图像，利用平面模板的空间点和图像点间的对应关系建 立约束方程实现相机的标定。该类方法需要几何结构信息已知的目标物作为标定参照物， 标定过程繁琐，不满足大场景监控要求。
[0008]自标定方法通常直接分析获得的多帧图像信息，提取图像中的目标物，通过图像 间的对应点建立参数的约束关系，从而定标相机参数。此类方法充分利用监控场景图像信 息，避免了传统标定方法需要特制标定物等问题，如文献"FengjunLv,TaoZhao,Nevatia R.CameraCalibrationfromVideoofawalkingman[J].IEEETransactions on，Sept. 2006, 1513 - 1518"中提出的基于场景中行人的相机自标定方法，该方法自动检测 视频中行人的头和脚位置，根据行人头脚连线标定相机参数。该标定方法需要精确定位行 人头和脚的位置，但是由于光照、遮挡等的影响，自动检测方法不能精确的定位行人的头和 脚的位置，因此该方法求解结果不稳定。另外，该方法需要一个辅助的参照物，用以确定世 界坐标系XZ平面中相互垂直的两个方向。由于这个要求，该标定方法不易于实施。


【发明内容】

[0009] 为此，本发明要解决的技术问题在于现有技术的相机标定方法求解结果不稳定， 难以实施的问题。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0011] 一种确定相机焦距和旋转角度的方法，包括以下步骤：将相机坐标系与世界坐 标系重合放置；获得垂直消隐点的坐标(气.，\.)和水平消隐点的坐标《气.k);根据所述 垂直消隐点的坐标(气.t)和水平消隐点的坐标(\,化），确定相机焦距f、第一旋转角度 pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转角度roll,所述第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt、第三旋转角度roll分别为相机坐标系沿Y轴、X轴、Z轴旋转的角度。
[0012] 优选地，所述相机焦距f、第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转角 度roll通过以下表达式获得：

【权利要求】
1. 一种确定相机焦距和旋转角度的方法，其特征在于，包括以下步骤： 将相机坐标系与世界坐标系重合放置； 获得垂直消隐点的坐标)和水平消隐点的坐标(气，％ ; 根据所述垂直消隐点的坐标和水平消隐点的坐标确定相机焦距f、 第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转角度roll,所述第一旋转角度pan、第 二旋转角度tilt、第三旋转角度roll分别为相机坐标系沿Y轴、X轴、Z轴旋转的角度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相机焦距f、第一旋转角度pan、第二 旋转角度tilt以及第三旋转角度roll通过以下表达式获得 ：
其中，（U(l，Vci)相机主点的坐标。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获得垂直消隐点的坐标(气，D 和水平消隐点的坐标(气)的步骤包括以下步骤： 选择相机拍摄场景中具有相同高度的杆状物为标定物； 在图像坐标系中分别将每个所述标定物的顶端与底端连线，以所述顶端与底端连线的 交点为垂直消隐点； 在图像坐标系中将任意两个所述标定物的顶端与顶端连线，底端与底端连线，以所述 顶端与顶端连线与所述底端与底端连线的交点为水平消隐点； 计算所述垂直消隐点的坐标(气和水平消隐点的坐标?
4. 一种相机标定方法，其特征在于，包括以下步骤： 根据权利要求1-3中任一项所述的方法确定相机焦距和旋转角度； 根据所述相机焦距和所述旋转角度获得投影矩阵P :
其中，相机倾斜因子s为零，相机主点（Utl, Vtl)为相机拍摄图像的中心点，平移向量T。 =[0, -H。，0], H。为相机高度，a为相机焦距调整因子，I为单位矩阵，Rx、Ry、Rz分别为相机 坐标系沿Y轴旋转所述第一旋转角度pan、沿X轴旋转所述第二旋转角度titl、沿Z轴旋转 所述第二旋转角度roll得到的旋转矩阵。
5. 根据权利要求4所述的相机标定方法，其特征在于，所述相机高度H。根据以下表达 式求解获得：
其中，B、C分别为任意一个所述标定物的底端和顶端，所述垂直消隐点、C的连线与水 平消隐线的交点为D1，所述垂直消隐点、B的连线与所述水平消隐线的交点为D2，D为由D1、 D2确定的线段的中点，d(C，D)为C、D的距离，d(B，D)为B、D的距离，d(B，Vy)为B、垂直消 隐点的距离，d(C，V y)为C、垂直消隐点的距离，H为所述标定物的高度，所述水平消隐线为 由所有水平消隐点确定的直线。
6. 根据权利要求4或5所述的相机标定方法，其特征在于，所述根据所述相机焦距和所 述旋转角度获得投影矩阵P步骤之后还包括以下步骤： 调整投影矩阵P使均方误差最小化。
7. 根据权利要求6所述的相机标定方法，其特征在于，所述调整投影矩阵P使均方误差 最小化的步骤包括以下步骤： 选择相机拍摄场景中具有相同高度的杆状物为标定物； 获得第i个所述标定物在世界坐标系中的顶端坐标Vhi，根据投影矩阵P获得顶端坐标 Vhi在图像坐标系中的投影点)根据以下表达式调整投影矩阵P使均方误差最小化：
其中，N为所述标定物的数量。
8. 根据权利要求4或5所述的相机标定方法，其特征在于，所述根据所述相机焦距和所 述旋转角度获得投影矩阵P的步骤之后还包括以下步骤： 调整相机焦距调整因子a，使相机焦距与相邻像素点宽度方向距离的比值fx = f，相机 焦距与相邻像素点宽度方向距离的比值fy = f/a。
9. 一种相机标定系统，其特征在于，包括： 重合放置模块，用于将相机坐标系与世界坐标系重合放置； 获得消隐点坐标模块，用于获得垂直消隐点的坐标^r,)和水平消隐点的坐标 (Uyx ,Vk )： 确定相机焦距和旋转角度模块，用于根据所述垂直消隐点的坐标和水平消隐 点的坐标h确定相机焦距f、第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转 角度roll,所述第一旋转角度pan、第二旋转角度tilt、第三旋转角度roll分别为相机坐标 系沿Y轴、X轴、Z轴旋转的角度； 获得投影矩阵模块，用于根据所述相机焦距和所述旋转角度获得投影矩阵P :
其中，相机倾斜因子s为零，相机主点（Utl, Vtl)为相机拍摄图像的中心点，平移向量T。 =[0, -H。，0], H。为相机高度，a为相机焦距调整因子，I为单位矩阵，Rx、Ry、Rz分别为相机 坐标系沿Y轴旋转所述第一旋转角度pan、沿X轴旋转所述第二旋转角度titl、沿Z轴旋转 所述第二旋转角度roll得到的旋转矩阵。
10. 根据权利要求9所述的相机标定系统，其特征在于，所述相机焦距f、第一旋转角度 pan、第二旋转角度tilt以及第三旋转角度roll通过以下表达式获得：
其中，（U(l，Vci)相机主点的坐标。
11. 根据权利要求9或10所述的相机标定系统，其特征在于，所述获得消隐点坐标模块 包括： 选择标定物模块，用于选择相机拍摄场景中具有相同高度的杆状物为标定物； 确定垂直消隐点模块，用于在图像坐标系中分别将每个所述标定物的顶端与底端连 线，以所述顶端与底端连线的交点为垂直消隐点； 确定水平消隐点模块，用于在图像坐标系中将任意两个所述标定物的顶端与顶端连 线，底端与底端连线，以所述顶端与顶端连线与所述底端与底端连线的交点为水平消隐 占. 计算模块，用于计算所述垂直消隐点的坐标(气，K.)和水平消隐点的坐标(气K
12. 根据权利要求11所述的相机标定系统，其特征在于，所述相机高度H。根据以下表 达式求解获得：
其中，B、C分别为任意一个所述标定物的底端和顶端，所述垂直消隐点、C的连线与水 平消隐线的交点为D1，所述垂直消隐点、B的连线与所述水平消隐线的交点为D2，D为由D1、 D2确定的线段的中点，d(C，D)为C、D的距离，d(B，D)为B、D的距离，d(B，Vy)为B、垂直消 隐点的距离，d(C，V y)为C、垂直消隐点的距离，H为所述标定物的高度，所述水平消隐线为 由所有水平消隐点确定的直线。
【文档编号】G06T7/00GK104392450SQ201410708555
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】段成伟, 丁美玉, 晋兆龙, 陈卫东 申请人:苏州科达科技股份有限公司