基于方向性标定靶标的摄像机内外参数自动标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机视觉中摄像机标定方法领域，具体为基于方向性标定靶标的摄 像机内外参数自动标定方法。
【背景技术】
[0002] 计算机视觉技术在工业控制、测量学等领域有着广泛的应用，计算机视觉技术主 要是利用摄像机的成像，通过图像信息获取空间中被测物体的三维信息，由此重建和识别 物体。计算机视觉技术的根本问题是摄像机标定，通过摄像机标定技术可以获得空间三维 坐标与图像二维坐标之间的映射关系，摄像机标定技术是计算机视觉测量技术的研宄重 点，摄像机标定的任务就是求解摄像机的内外参数，摄像机标定技术得到越来越多的关注 和发展。
[0003] 1986年RogerTsai提出了基于径向约束的摄像机标定算法，该标定算法需要3D 立体靶标，使得标定过程不灵活；1999年前后，微软研宄院的张正友（Z.YZhang)提出了基 于平面靶标的摄像机标定算法，该标定算法使用了无方向信息的平面靶标，标定过程中无 法判断出无方向信息的平面靶标的旋转方向，并且张正友（Z.YZhang)提出的基于平面靶 标的摄像机标定算法要求摄像机拍摄到完整的平面靶标，但实际应用中往往需要判断平面 靶标的旋转方向，并且实际标定过程中摄像机常常会拍摄到局部的平面靶标，例如，进行双 目摄像机标定时，双目摄像机系统需要同时拍摄空间中同一个平面靶标，此时需要判断出 平面靶标的旋转方向，由此建立相对于平面靶标的位置固定不变的靶标坐标系，双目摄像 机系统中的左、右摄像机拥有共同的靶标坐标系，以靶标坐标系作为变换中介，便可计算出 左、右摄像机之间的空间位置关系，左、右摄像机的公共视场较小时，左、右摄像机均会拍摄 到局部的平面靶标。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于方向性标定靶标的摄 像机内外参数自动标定方法，以期能实现摄像机内外参数的自动标定，从而提高摄像机内 外参数标定的灵活性和实用性。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 本发明基于方向性标定靶标的摄像机内外参数自动标定方法的特点是：所述方向 性标定靶标包括由黑方格和白方格互相交替组成的棋盘格以及在所述棋盘格中央位置附 近处设置的方向性标志图案；以任意两个对角相连的黑方格的交点或任意两个对角相连的 白方格的交点作为所述方向性标定靶标的特征角点；
[0007] 所述棋盘格包含M行XN列个所述特征角点；M和N均为正整数；所述黑方格和白 方格的边长均为W;W> 0 ;
[0008] 所述方向性标志图案是由3个小标志图组成；记所述3个小标志图分别为第一标 志图、第二标志图和第三标志图，且所述第一标志图为黑色图案、所述第二标志图为黑色图 案、所述第三标志图为白色图案；所述第一标志图位于所述白方格的内部、所述第二标志图 位于所述白方格的内部、所述第三标志图位于所述黑方格的内部；
[0009] 所述第一标志图的中心记为第一中心点〇1、所述第二标志图的中心记为第二中心 点〇 2、所述第三标志图的中心记为第三中心点〇3;所述第一中心点〇i位于所述白方格的中 心位置处，所述第二中心点〇2位于所述白方格的中心位置处，所述第三中心点〇 3位于所述 黑方格的中心位置处；在所述棋盘格中以所述第一中心点〇1作为直角顶点并由所述第一中 心点、第二中心点〇 2和第三中心点〇 3构成直角三角形A〇 2〇1〇3;所述第一中心点0i和第 二中心点〇2位于由所述黑方格或白方格所组成的行中，且所述第一中心点〇i和第三中心点 〇3位于由所述黑方格或白方格所组成的列中，或者，所述第一中心点 〇1和第二中心点〇2位 于由所述黑方格或白方格所组成的列中，且所述第一中心点〇1和第三中心点〇 3位于由所述 黑方格或白方格所组成的行中；由所述第一中心点和第二中心点〇2构成的直角边以 及由第一中心点％和第三中心点〇3构成的直角边满足#6^0；。
[0010] 所述自动标定方法是按如下步骤进行：
[0011] 步骤1、定义标定图像总数G;定义旋转阈值Ki和平移阈值K2;定义变量a、变 量0，并初始化a= 1 ; |3 = 1 ;
[0012] 步骤2、利用位置固定的摄像机实时拍摄空间中移动的方向性标定靶标，获得靶标 图像；
[0013] 步骤3、以所述靶标图像的左上角为特征角点像素坐标系的原点〇,自左向右为所 述特征角点像素坐标系的x轴方向，自上向下为所述特征角点像素坐标系的y轴方向；从而 建立所述特征角点像素坐标系〇-xy;
[0014] 步骤4、以所述摄像机的光心作为摄像机坐标系的原点0。;以所述特征角点像素坐 标系的x轴方向作为所述摄像机坐标系的X。轴方向；以所述特征角点像素坐标系的y轴方 向作为所述摄像机坐标系的Y。轴方向；所述摄像机坐标系的X。轴、Y。轴和Z。轴满足右手定 贝1J，从而建立所述摄像机坐标系〇。-^;
[0015] 步骤5、假设所述靶标图像为第a个移动位置上的方向性标定靶标经过所述摄像 机进行成像时所对应的第a幅靶标图像；
[0016] 步骤6、将所述第a个移动位置上的方向性标定靶标内的第一中心点、第二中心 点和第三中心点分别记为第a个第一中心点o^、第a个第二中心点of:和第a个第三 中心点
[0017] 选取与所述第a个第一中心点〇广的空间距离、与第a个第二中心点of的空间 距离以及与第a个第三中心点0^的空间距离之和最小的特征角点作为第a个靶标坐标 系的原点以所述第a个第一中心点〇1W和第a个第三中心点〇广所构成的第a个 空间向量0广0^的方向作为所述第a个靶标坐标系的轴方向；以所述第a个第一中 心点〇1W和第a个第二中心点of所构成的第a个空间向量^^的方向作为所述第a 个靶标坐标系的if}轴方向，所述第a个靶标坐标系的轴、if1轴和Z|al轴满足右手 定则，从而建立所述第a个靶标坐标系
[0018] 步骤7、利用改进的Harris角点检测算法提取所述第a幅靶标图像中方向性标 定靶标上各个特征角点在所述特征角点像素坐标系〇-xy下的亚像素级坐标，从而获得所 述第a幅靶标图像中所有特征角点在所述特征角点像素坐标系〇-Xy下的亚像素级坐标集 合；
[0019] 步骤8、根据所述方向性标志图案，确定并获得所述第a幅靶标图像中所有特征 角点在所述特征角点像素坐标系〇-xy下的亚像素级坐标和与所述第a幅靶标图像中所有 特征角点在所述第a个靶标坐标系cf> 下一一对应的靶标坐标的匹配关系， 将获得的所述匹配关系保存为第a幅靶标图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标 的匹配组；
[0020] 步骤9、根据所述第a幅靶标图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹 配组，利用平面靶标空间姿态估算算法计算出从所述第a个靶标坐标系 变换到所述摄像机坐标系OfWZ。的第a个靶标旋转矩阵1^和第a个靶标平移矩阵Ta， 从而实现所述方向性标定靶标的旋转方向判断；
[0021] 步骤10、判断a是否等于1，若a等于1，则将所述第a幅靶标图像作为第0幅 标定图像；并将所述第a幅靶标图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组 保存为第0幅标定图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组；同时将所述 第a个靶标旋转矩阵1和所述第a个靶标平移矩阵!"a分别赋值给第0个标定旋转矩 阵R/和第0个标定平移矩阵T/后，执行步骤11;否则执行步骤12;
[0022] 步骤11、将a+1赋值给a，并返回步骤5顺序执行；
[0023] 步骤12、利用式（1)和式（2)获得从所述第a个靶标坐标系)zfa);变 换到所述第0个靶标坐标系的旋转矩阵Raj和平移矩阵Taj:
[0026]步骤13、判断旋转矩阵Raj的范数是否大于所述旋转阈值Ki，且所述平移矩阵 的范数是否大于平移阈值k2，若都大于，则将0+1赋值给0，并将所述第a幅靶标 图像作为第0幅标定图像；并将所述第a幅靶标图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶 标坐标的匹配组保存为第0幅标定图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配 组；同时将所述第a个靶标旋转矩阵1和所述第a个靶标平移矩阵1\分别赋值给第0 个标定旋转矩阵R/和第0个标定平移矩阵T/后，执行步骤14;否则执行步骤14;
[0027] 步骤14、判断0与标定图像总数G是否相等，若相等，则获得G幅标定图像以及G 个标定图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配组，并执行步骤15 ;否则返回 步骤11执行；
[0028] 步骤15、根据所述G个标定图像中所有特征角点亚像素级坐标与靶标坐标的匹配 组，利用张正友摄像机标定算法计算出所述摄像机的内外参数。
[0029] 本发明所述的基于方向性标定革巴标的摄像机内外参数自动标定方法的特点也在 于，所述步骤7是按如下过程进行：
[0030] 步骤7. 1、假设所述第a幅靶标图像中方向性标定靶标上有凡行X&列个特征角 点；0 <M。彡M，0 <NQ<N;MQ和N。均为整数；设置迭代终止阈值力；定义迭代次数| ;
[0031] 步骤7. 2、利用Harris角点检测算法提取所述第a幅靶标图像中方向性标定靶 标上各个特征角点在所述特征角点像素坐标系〇-xy下的像素级坐标，从而获得所述第a 幅靶标图像中方向性标定靶标上所有凡行XN。列个特征角点在所述特征角点像素坐标系 〇-xy下的像素级坐标集合；
[0032] 步骤7. 3、假设所述第a幅靶标图像中方向性标定靶标上的任意一个特征角点为 第a幅靶标图像中方向性标定靶标上的第t个特征角点；1 <t<MX%) ;t为整数； 初始化T= 1 ;
[0033] 步骤7. 4、初始化| = 0;
[0034] 步骤7. 5、将所述第a幅靶标图像中方向性标定靶标上的第t个特征角点在所述 特征角点像素坐标系〇-xy下的像素级坐标记为第a幅靶标图像中第T个特征角点第I 次迭代时的坐标:
[0035] 步骤7.6、获取以所述第a幅靶标图像中第t个特征角点第|次迭代时的坐标 为中心的yXy邻域，所述以第a幅靶标图像中第t个特征角点第|次迭代时的 坐标为中心的UXy邻域不与所述方向性标志图案相交；在所述以第a幅靶标图像 中第t个特征角点第|次迭代时的坐标中心的yXy邻域内除所述第a幅靶 标图像中第t个特征角点第|次迭代时的坐标^，以外的任意一个像素点的坐标记为 ; 1 彡U彡（yxy_1) ;y为奇数；
[0036] 步骤7. 7