基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置制造方法及图纸

基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，包括：模型建立模块，建立摄像机畸变模型；选取、提取及标号模块，标定图案选取、标定特征提取及特征点自动编号；标定模块，摄像机标定。本发明专利技术全面考虑了各种畸变，并基于提出的准则对伪特征点进行滤除，而后基于提出的圆心自动编号方法实现标志点的自动定位。

【技术实现步骤摘要】
基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置
本专利技术属于信号处理领域，涉及标定
的高精度锡膏测量系统摄像机标定装置。
技术介绍
结构光三维测量系统是通过采集物体的二维图像信息，在二维信息的基础之上建立相应物体的三维形貌，三维形貌的准确性是以规范的和精确的二维图像信息为基础的。因此，规范计算机视觉系统参数对于结构光投影三维测量前期的二维图像采集及后期的三维形貌的重构都十分重要。在大多数情况下，这些参数必须通过实验和计算才能得到，这个过程称为摄像机标定。摄像机标定作为机器视觉的主要内容之一，是机器视觉实现的前提和关键步骤。随着机器视觉技术的不断普及，对摄像机标定技术进行深入研究有着重要的意义，并受到了国内外学者的高度重视和广泛关注。在过去二十多年的发展中，摄像机的标定技术得到了很大的发展，许多学者根据实际应用具体需要提出了一些不同的摄像机模型和标定方法，基于不同的出发点和思路取得了一系列的成果。目前摄像机标定领域的学术研究思想非常的活跃，新技术新方法也不断涌现。对于摄像机的标定的研究有很多，主要分为传统摄像机标定法、自标定法以及基于主动视觉的摄像机标定法三类。利用最为广泛的摄像机标定方法为Tsai法和张正友法。Tsai的方法依赖于对确定好参考坐标系的外部3-D校准物的精确3-D测量。所有位置和方位的测量都是相对于这个参考坐标系的。该方法己被广泛地用于在多摄像头系统。张的方法采用的是平面的校准物。该方法的优点是，与3-D的校准物相比平面校准物更容易构造，而且相机的外在(相机与世界或相机与相机构成的几何形状)和固有参数(内部参数)可以在同一系统中进行标定。Sturm和Maybank也提出类似的方法，对标定结果的奇异性进行了讨论。Brown提出了用以补偿镜头畸变的8参数模型，后来研究学者有发展了10参数模型和多参数模型。张正友以及Tsai使用的模型都是较为简单的参数模型。2001、2002年Luhmann和Hastedt等提出了一种基于有限元的混合畸变差模型。2004年冯文颜教授等提出基于二维直接线性变换的数字畸变差模型。摄像机标定技术不仅受到国外学者的研究，国内的研究者们也极度关注和广泛重视摄像机标定技术。近年来，中国科学院自动化所的马颂德等人对摄像机标定技术有着标志性的见解，代表了我们国内的摄像机标定技术的研究水平。虽然在国际应用领域还没有一定的影响力，但表示国内已经具备了开展摄像机标定领域研究的人才和技术条件，并且为推动摄像机标定技术的研究和应用起到了模范的作用。此外，国内很多重点实验室也对摄像机标定做了广泛的研究，比如清华大学的智能技术与系统国家重点实验室、中国科学院的模式识别国家重点实验室和天津大学的精密测试技术与仪器国家重点实验室等。如何提高系统标定的精度和效率一直都是众多学者所研究的热点和难点。尽管不少研究学者提出了不同的摄像机标定方法。但是大多数现有的摄像机标定方法所采用的畸变模型都是比较简单的畸变模型，还有些学者直接采用的线性模型根本都不考虑畸变，很少有人使用比较复杂的畸变模型对摄像机进行标定。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决贴近物理现实条件的高精度锡膏测量系统摄像机标定问题，提出了一种基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，技术方案如下：包括：模型建立模块，建立摄像机畸变模型；选取、提取及标号模块，标定图案选取、标定特征提取及特征点自动编号；标定模块，摄像机标定。所述模型建立模块用于建立摄像机畸变模型，该模型包括1)小孔成像模型：在该模型中建立四个基本坐标系，包括：世界坐标系OwXwYwZw，相机坐标系OcXcYcZc，图像坐标系xy，像素坐标系uv，摄像机坐标系(Xc,Yc,Zc)以摄像机镜头光心Oc为坐标原点，Xc,Yc轴平行于图像平面，Zc轴垂直于图像平面，于图像平面的交点在图像坐标系上的坐标为(u0,v0)，其摄像机的主点，摄像机镜头光心与主点之间的距离就是焦距f；基于上述坐标系，可得，空间一点P(Xw,Yw,Zw)的位置在摄像机坐标系下可表示为：其中为3×3正交旋转矩阵，为3×1平移矩阵；基于小孔成像模型，得摄像机坐标(Xc,Yc,Zc,1)T在像素坐标系下可表示为：其中，(u,v,1)T为图像像素坐标，ρx,ρy分别为像平面中x,y方向上单位距离的像素数，(u0,v0)为摄像机主点坐标，其是像平面中心的像素坐标，α为描述像素坐标轴垂直误差的偏斜因子；由以上两式，得图像坐标与世界坐标的关系式：其中，为摄像机内参数矩阵，E＝[RT]为外参数矩阵；2)构建摄像机畸变模型：采用基于矩形有限元方法的混合畸变模型，此模型描述如下：其中，dx,dy分别为像点x坐标和y坐标的偏差；其中，xi,yi分别为符合小孔成像的理想无畸变像平面坐标，Kc1,Kc2,Kc3为三阶径向畸变系数；其中，Pc1,Pc2为二阶切向畸变系数；其中，Sc1,Sc2为二阶薄棱镜畸变系数；其中，δx,δy分别为像点在矩形网格x,y方向上的长度比。所述选取、提取及标号模块中标定图案选取，其采用的标定板是铝制标定板，使用其对摄像机进行参数标定，标定板上有9×11个圆形标定点，其中小圆直径为4mm，大圆直径为8mm，五个大圆用于在标定过程中标识标定板方向。所述选取、提取及标号模块中标定特征提取包括以下步骤：图像采集、图像灰度化、图像滤波、图像二值化、轮廓提取、伪点滤除、椭圆拟合、圆心提取；利用OpenCV函数库里的函数直接将彩色图像读入变为灰色图像，紧接着对获取的灰色图像进行滤波，使用函数cvSmooth实现图像滤波，图像二值化中，阈值经试验可设为100，轮廓提取采用基于迭代的改进Harris角点检测法，此方法描述如下：考虑角点q邻域里的任一点p，▽I(p)表示p点处的图像梯度矢量，则由梯度性质可得：▽I(p)(q-p)＝0考虑角点q邻域里所有p点，则构成一个超定方程组，从而利用最小均方误差(MMSE)准则进行求解；提取轮廓后，利用如下规则消除伪特征点：面积准则：提取特征对象的面积根据系统配置进行范围确定：Smin＜S＜Smax圆度准则：用下式衡量形状与圆的接近程度：其中T为圆周长，误差准则：将边缘轮廊点到拟合椭圆的代数距离作为误差，同时采用以下准则进一步滤除误差较大的圆形特征点：其中表示轮廓点的平均误差，εmax表示最大允许误差，εmean表示允许平均误差；伪特征点消除后，采用加权最小二乘法进行轮廓椭圆拟合提取亚像素级精度的圆心坐标。所述选取、提取及标号模块中特征点自动编号：利用标定板上的5个实心圆，每个实心圆都对应一个确定不变的编号，进行如下步骤：(1)先用鼠标选取空间某矩形区域在图像上对应的四个角点，获取四个角点的图像坐标并经亚像素处理；(2)对选定区域的圆进行自动记数，并根据计数结果生成网格图。所述标定模块标定的方法如下：1)单应性矩阵求解假设模板位于世界坐标系Z＝0的位置，由针孔模型，得sm＝HM其中，s为尺度系数，m,M分别为图像平面以及对应的模板上的点，H＝Kc[RT]；基于平面模板各角点空间坐标，通过求解如下的MMSE估计，得到H的估计值，其中，为H矩阵的第i个行向量；采用改进的Leverberg-Marquardt法求解，用非线性优化方法求解需要有一个用来迭代的合适初始值，通过求解下面方程获得：给定n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，其特征在于：包括模型建立模块，建立摄像机畸变模型；选取、提取及标号模块，标定图案选取、标定特征提取及特征点自动编号；标定模块，摄像机标定。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，其特征在于：包括模型建立模块，建立摄像机畸变模型；选取、提取及标号模块，标定图案选取、标定特征提取及特征点自动编号；标定模块，摄像机标定。2.如权利要求1所述的基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，所述模型建立模块用于建立摄像机畸变模型，该模型包括1)小孔成像模型：在该模型中建立四个基本坐标系，包括：世界坐标系OwXwYwZw，相机坐标系OcXcYcZc，图像坐标系xy，像素坐标系uv，摄像机坐标系(Xc,Yc,Zc)以摄像机镜头光心Oc为坐标原点，Xc,Yc轴平行于图像平面，Zc轴垂直于图像平面，于图像平面的交点在图像坐标系上的坐标为(u0,v0)，其摄像机的主点，摄像机镜头光心与主点之间的距离就是焦距f；基于上述坐标系，可得，空间一点P(Xw,Yw,Zw)的位置在摄像机坐标系下可表示为：其中为3×3正交旋转矩阵，为3×1平移矩阵；基于小孔成像模型，得摄像机坐标(Xc,Yc,Zc,1)T在像素坐标系下可表示为：其中，(u,v,1)T为图像像素坐标，ρx,ρy分别为像平面中x,y方向上单位距离的像素数，(u0,v0)为摄像机主点坐标，其是像平面中心的像素坐标，α为描述像素坐标轴垂直误差的偏斜因子；由以上两式，得图像坐标与世界坐标的关系式：其中，为摄像机内参数矩阵，E＝[RT]为外参数矩阵；2)构建摄像机畸变模型：采用基于矩形有限元方法的混合畸变模型，此模型描述如下：其中，dx,dy分别为像点x坐标和y坐标的偏差；其中，xi,yi分别为符合小孔成像的理想无畸变像平面坐标，Kc1,Kc2,Kc3为三阶径向畸变系数；其中，Pc1,Pc2为二阶切向畸变系数；其中，Sc1,Sc2为二阶薄棱镜畸变系数；其中，δx,δy分别为像点在矩形网格x,y方向上的长度比。3.如权利要求1所述的基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，其特征在于，所述选取、提取及标号模块中标定图案选取，其采用的标定板是铝制标定板，使用其对摄像机进行参数标定，标定板上有9×11个圆形标定点，其中小圆直径为4mm，大圆直径为8mm，五...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇昌，
申请(专利权)人：大连日佳电子有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21