利用一条直线的成像标定抛物折反射摄像机的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用一条直线的成像标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于利用单位视球成像模型中直线在单位视球上的投影和镜面轮廓在单位视球上的位置之间的几何联系。所述方法的具体步骤包括：首先，从该幅图像上提取线像和镜面轮廓的像上像点的像素坐标。其次，根据镜面轮廓的像上像点的像素坐标拟合镜面轮廓的像，并求解抛物折反射摄像机内参数的初始值。然后，求得线像和镜面轮廓的像上像点对应的对拓像点，即单位视球一条直径上的两个端点的像。最后利用线像和镜面轮廓的像上对拓像点之间的性质求解正交方向上的影消点，进而求解抛物折反射摄像机内参数。

Calibration of parabolic catadioptric camera using a straight line imaging

The present invention relates to a method of using a straight line imaging to calibrate a parabolic reflector camera, which is characterized by the geometric connection between the projection of a straight line in a unit view ball imaging model and the position of the mirror profile on the ball in the unit. The specific steps of the method include: first, extract pixel coordinates of image points on line and mirror profile from the image. Secondly, according to the pixel coordinates of the image points on the mirror contour, the image of the specular profile is fitted, and the initial value of the intrinsic parameters of the parabolic catadioptric camera is solved. Then, the pair of image points corresponding to the image points of the line and the mirror contour is obtained, that is, the image of the two endpoints on a diameter of the unit ball. Finally, the parameters of the parabolic reflector camera are solved by using the properties of the image points between the line image and the image contour.

【技术实现步骤摘要】
利用一条直线的成像标定抛物折反射摄像机的方法
本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用直线与其在单位视球上投影的几何性质求抛物折反射摄像机内参数的方法。
技术介绍
计算机视觉是近些年新兴起来的学科，它利用计算机模拟人类视觉，具体来说是利用摄像机模拟人类的眼睛实现图像的获取，利用计算机模拟人类的大脑实现对图像的处理和分析。计算机视觉的主要目的是为计算机开发具有与人类水平相当的视觉能力，实现计算机能像人类这样通过视觉观察和理解世界，进而可以自主适应周围环境。随着计算机视觉领域的发展，由于传统摄像机成像视野小，提出了将传统摄像机与反射镜面相结合而实现的折反射摄像机。组成折反射摄像机的反射镜面可以有多种类型，如平面、锥面、球面、旋转二次曲面等。折反射摄像机不但具有大的成像视野，还易于将它获得的图像转化为透视图像，因此折反射摄像机在计算机视觉领域有这广泛的应用。Baker和Nayer根据折反射摄像机是否有固定的单视点将折反射摄像机分为中心和非中心两类。其中中心折反射摄像机的反射镜面有四种类型：抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜和平面镜，其镜面类型由镜面参数确定：镜面参数的取值范围为0-1，当镜面参数为0时，镜面类型为平面镜；当镜面参数在0-1之间时，镜面类型为双曲面镜或椭球面镜；当镜面参数为1时，镜面类型为抛物面镜。非中心折反射摄像机的反射镜面类型有：锥镜面等。抛物折反射摄像机是由一个抛物镜面和一个传统摄像机组成，它成像视角灵活、镜面参数已知，是全景视觉领域研究的热点。文献“Catadioptricprojectiveprojectivegeometry”(C.Geyer,K.Daniilidis,InternationalTournalComputerVision,45(3):223-243,2001)证明了抛物折反射摄像机成像过程等价于单视位球两步成像模型，统一了不同类型的中心折反射摄像机的成像模型，推动了抛物折反射摄像机的发展。文献“Catadioptriccameracalibrationusinggeometricinvarants”(X.Ying,Z.Hu,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,26(10):1260-1271,2004)利用抛物折反射摄像机的镜面轮廓在像平面上的投影为一条二次曲线，且这条二次曲线可以被完全提取，获得了关于摄像机内参数的四个不变量，并用这些不变量对摄像机的内参数的初始值进行了估计。文献“Paracatadioptriccameracalibration”(C.Geyer,K.Daniilidis,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,24(5):687-695,2002)提出了利用三条直线标定抛物折反射摄像机，取得精度高的标定结果，但该方法选取的直线较多，在现实环境中常见的直线大多为平行或垂直关系，不易同时获取三条不共面的直线。文献“Anewlinearalgorithmforcalibratingcentralcatadioptriccameras”(F.Wu,F.Duan,Z.Hu,PatternRecognition,41(10):3166-3172,2008)获得了空间点在单位视球上的投影点和在像平面上的投影点之间的关系，利用这种关系线性计算出中心折反射摄像机的内参数。这种方法提出了与像点相对应对拓像点，为摄像机标定打开了新局面，但需要不同位置下一条直线的三幅图像，增加了前期操作。
技术实现思路
本专利技术提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的利用空间直线求解抛物折反射摄像机内参数的方法。在求解抛物折反射摄像机内参数过程中，需用抛物折反射摄像机拍摄空间一条直线的一幅图像便可线性求解出抛物折反射摄像机的内参数。本专利技术采用如下设计方案：本专利技术是由抛物折反射摄像机拍摄的空间直线求解抛物折反射摄像机的内参数，其特征在于利用单位视球成像模型中直线在单位视球上的投影和镜面轮廓在单位视球上的位置之间的几何联系。首先，从该幅图像上提取线像和镜面轮廓的像上像点的像素坐标。其次，根据镜面轮廓的像上像点的像素坐标拟合镜面轮廓的像，并求解抛物折反射摄像机内参数的初始值。然后，求得线像和镜面轮廓的像上像点对应的对拓像点(单位视球一条直径上的两个端点的像)。最后利用线像和镜面轮廓的像上对拓像点之间的几何性质求解正交方向上的影消点，进而求解抛物折反射摄像机内参数。具体的步骤包括：提取镜面轮廓的像上的点，求解抛物折反射摄像机内参数的初始值，利用对拓性质获得线像和镜面轮廓的像上像点分别对应的对拓像点，求解多组正交方向上的影消点，并利用影消点与抛物折反射摄像机内参数的约束求解抛物折反射摄像机内参数。1.提取轮廓像点并确定内参数初始值在单视位球投影模型下，抛物折反射摄像机的镜面轮廓在像平面上的投影为一条二次曲线，且这条二次曲线可以被完全提取。利用这条二次曲线获得了关于摄像机内参数的5个内参数的初始值，其中fu和fv为摄像机u轴和v轴方向上的尺度因子，s为畸变因子，[u0v0]T为主点P非齐次坐标。这5个内参数初始值为摄像机的内参数的初始估计。首先利用Matlab程序中的函数提取图像中镜面轮廓的像上的i(i≥5)个像点的像素坐标，然后利用最小二乘法拟合镜面轮廓的像的方程，其系数矩阵为最后根据镜面轮廓的像和摄像机内参数的关系，解得摄像机的内参数矩阵的初始值K0为2.提取线像上像点并确定各个像点对应的对拓像点利用Matlab程序中的函数提取镜面轮廓的像上的j(j≥5)个像点的像素坐标。根据单位视球投影模型第一步，在抛物折反射摄像机下空间点X的投影，以单位视球球心O投影中心，投影到单位视球上的投影点为Xc+和其对应对拓点Xc-，其中下标+表示可见，-表示不可见；Xc+Xc-为一条过单位视球球心O的直径。根据单位视球成像模型，抛物折反射摄像机的中心Oc位于单位视球球面上，成像平面π与光轴OOc垂直。令zc轴与光轴OOc重合，xc,yc轴过原点Oc与像平面的u，v轴方向一致。根据单位视球投影模型第二步，以Oc为投影中心，将点Xc+与其对应对拓点Xc-投影到像平面π上，分别对应像点m+和其对拓像点m-，光轴OOc与像平面π上的交点为主点P。单位视球上的点Xc+和对应的像点m+满足：摄像机的内参数矩阵的初始值K0；同理Xc+的对拓点Xc-和对应的m+的对拓像点m-满足：单位视球球心O和主点P满足：因为Xc+Xc-为一条过单位视球球心O的直径，则单位视球上投影点Xc+和其对拓点Xc-关于单位视球球心O中心对称，即满足Xc++Xc-＝2O，并且轴OOc与像平面π交点为主点P，根据中心投影的同素性和结合性知，直线m+m-过主点P。因此像点m+其对拓像点m-满足：其中表示绝对二次曲线的像。根据上式，在像平面上任取像点m+，即可计算得到其对拓像点m-。3.求抛物折反射摄像机的内参数根据单位视球投影模型，空间中一条直线l在单位视球上投影为一个以球心O为圆心的大圆C1，在像平面π上的像为一条二次曲线Ω1。抛物折反射摄像机的镜面轮廓曲线为过球心O的水平面和单位视球相交的圆C0，它在像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用一条直线的成像标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于利用单位视球成像模型中直线在单位视球上的投影和镜面轮廓在单位视球上的位置之间的几何联系；所述方法的具体步骤包括：首先，从该幅图像上提取线像和镜面轮廓的像上像点的像素坐标；其次，根据镜面轮廓的像上像点的像素坐标拟合镜面轮廓的像，并求解抛物折反射摄像机内参数的初始值；然后，求得线像和镜面轮廓的像上像点对应的对拓像点，即单位视球一条直径上的两个端点的像；最后利用线像和镜面轮廓的像上对拓像点之间的性质求解正交方向上的影消点，进而求解抛物折反射摄像机内参数；(1)提取线像上像点并确定各个像点对应的对拓像点提取镜面轮廓的像上的j个像点的像素坐标，其中j≥5；根据单位视球投影模型第一步，在抛物折反射摄像机下空间点X的投影，以单位视球球心O投影中心，投影到单位视球上的投影点为Xc+和其对应对拓点Xc‑，其中下标+表示见到，‑表示见不到；Xc+Xc‑为一条过单位视球球心O的直径；根据单位视球成像模型，抛物折反射摄像机的中心Oc位于单位视球球面上，成像平面π与光轴OOc垂直；令zc轴与光轴OOc重合，xc,yc轴过原点Oc与像平面的u，v轴方向一致；根据单位视球投影模型第二步，以Oc为投影中心，将点Xc+与其对应对拓点Xc‑投影到像平面π上，分别对应像点m+和其对拓像点m‑，光轴OOc与像平面π上的交点为主点P；单位视球上的点Xc+和对应的像点m+满足：...

【技术特征摘要】
1.一种利用一条直线的成像标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于利用单位视球成像模型中直线在单位视球上的投影和镜面轮廓在单位视球上的位置之间的几何联系；所述方法的具体步骤包括：首先，从该幅图像上提取线像和镜面轮廓的像上像点的像素坐标；其次，根据镜面轮廓的像上像点的像素坐标拟合镜面轮廓的像，并求解抛物折反射摄像机内参数的初始值；然后，求得线像和镜面轮廓的像上像点对应的对拓像点，即单位视球一条直径上的两个端点的像；最后利用线像和镜面轮廓的像上对拓像点之间的性质求解正交方向上的影消点，进而求解抛物折反射摄像机内参数；(1)提取线像上像点并确定各个像点对应的对拓像点提取镜面轮廓的像上的j个像点的像素坐标，其中j≥5；根据单位视球投影模型第一步，在抛物折反射摄像机下空间点X的投影，以单位视球球心O投影中心，投影到单位视球上的投影点为Xc+和其对应对拓点Xc-，其中下标+表示见到，-表示见不到；Xc+Xc-为一条过单位视球球心O的直径；根据单位视球成像模型，抛物折反射摄像机的中心Oc位于单位视球球面上，成像平面π与光轴OOc垂直；令zc轴与光轴OOc重合，xc,yc轴过原点Oc与像平面的u，v轴方向一致；根据单位视球投影模型第二步，以Oc为投影中心，将点Xc+与其对应对拓点Xc-投影到像平面π上，分别对应像点m+和其对拓像点m-，光轴OOc与像平面π上的交点为主点P；单位视球上的点Xc+和对应的像点m+满足：摄像机的内参数矩阵的初始值K0；同理Xc+的对拓点Xc-和对应的m+的对拓像点m-满足：单位视球球心O和主点P满足：因为Xc+Xc-为一条过单位视球球心O的直径，则单位视球上投影点Xc+和其对拓点Xc-关于单位视球球心O中心对称，即满足Xc++Xc-＝2O，并且轴OOc与像平面π交点为主点P，根据中心投影的同素性和结合性知，直线m+m-过主点P；因此像点m+其对拓像点m-满足：其中表示绝对二次曲线的像；根据上式，在像平...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵越，宫明志，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53