球与公共自极三角形的性质标定中心折反射摄像机的方法技术

一种利用球与公共自极三角形的性质标定中心折反射摄像机的方法。本发明专利技术是利用空间中一个球作为靶标用于求解中心折反射摄像机内参数的方法，其特征在于仅利用球元素。根据任意两幅球像的公共自极三角形的关系，从而得到两幅球像的公共自极三角形的顶点；然后由极点极线的关系，确定顶点对应的公共自极三角形的边；三幅图像提供三组公共自极三角形的顶点和边。接下来，利用公共自极三角形的顶点和边关于修正的绝对二次曲线的像的极点极线关系，从而确定修正的绝对二次曲线的像，通过分解修正的绝对二次曲线的像，得到修正的内参数矩阵。最后，利用修正的内参数矩阵和镜面参数确定摄像机内参数。

【技术实现步骤摘要】
球与公共自极三角形的性质标定中心折反射摄像机的方法
本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用空间中一个球与公共自极三角形的性质求解中心折反射摄像机内参数的方法。
技术介绍
计算机视觉的中心任务就是对图像进行理解，而它的最终目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。这种能力将不仅使机器能感知包括形状、姿态、运动等在内的三维环境中物体的几何信息，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。摄像机标定就是确定从三维空间点到它的二维图像点之间的映射关系，它是许多计算机视觉应用必不可少的步骤。为了确定这一映射过程，需要建立摄像机的几何成像模型，几何模型的参数称为摄像机参数，摄像机参数可分为内参数和外参数两类。内参数描述成像系统的成像几何特性，外参数描述成像系统关于世界坐标系的方向和位置。摄像机标定可分为传统标定、自标定和基于几何实体的标定。无论哪种标定方法，都旨在建立二维图像与摄像机内参数之间的约束关系，特别是线性约束关系，这是目前摄像机标定所追求的目标，也是目前计算机视觉领域研究的热点之一。中心折反射摄像机由一个反射镜面和一个摄像机组成，它保持了投影视点的唯一性，并且它的成像视野大，是全景视觉领域研究的热点之一。文献“Catadioptricself-calibration”，(KangS.B.,ProceedingsofIEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,vol.1,pp.201-207,2000)提出了一种折反射摄像机自标定方法，这类方法的优点是不需要使用标定块，缺点是必须获得图像之间的对应点。而在计算机视觉中，实现一个十分有效的寻找对应点的方法是很困难的。文献“Geometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandtheirapplicationincalibration”,(BarretoJ.P.,AraujoH.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.27,no.8,pp.1327-1333,2005)研究了中心折反射摄像机下直线的像的几何性质，并将这些性质应用于中心折反射摄像机的标定。文献“Anewlinearalgorithmforcalibratingcentralcatadioptriccameras”,(WuF.,DuanF.,HuZ.etal.,PatternRecognition,vol.41,no.10,pp.3166-3172,2008)介绍了对拓点和对拓像点，导出了空间中的一个点在视球上的投影和它的折反射图像点之间的关系，使用这个关系建立了中心折反射摄像机内参数的线性约束，通过此线性约束即可获得中心折反射摄像机内参数。文献“CalibrationofcentralcatadioptriccamerasusingaDLT-likeapproach”,(PuigL.,BastanlarY.,SturmP.,etal.InternationalJournalofComputerVision,vol.93,no.1,pp.101-114,2011)提出了一种基于三维控制点的标定方法，通过使用Veronese映射对三维点和其图像点的坐标进行了扩展，在扩展坐标的基础上基于DLT(直接线性变换)——相似方法实现了中心折反射摄像机的标定，但是这类方法需要已知三维点的位置，并且容易从图像中提取其图像点。球作为一种常见的几何体，其最重要的优点在于无自身遮挡，从任何一个方向看空间中一个球的封闭轮廓线总是一个圆，并且它的投影轮廓线可全部提取。由于球具有丰富的视觉几何特性，因此利用球进行摄像机标定已成为近年来的一个热点。文献“Catadioptriccameracalibrationusinggeometricinvariants”，(YingX.,HuZ.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.26,no.10,pp.1260-1271,2004)首次提出了利用球标定中心折反射摄像机。他们证明了球在中心折反射摄像机的单位球投影模型下的像为椭圆，并且在非退化情况下一个球的投影二次曲线提供两个不变量。为了降低求解的复杂度，他们提出了一种分步标定方法，该方法至少需要3个球的投影才能完成摄像机的标定。但是该文献提出的标定方法是非线性的，计算的复杂度较高。文献“Identicalprojectivegeometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandsphereimageswithapplicationstocalibration”，(YingX.,ZhaH.,InternationalJournalofComputerVision,vol.78,no.1,pp.89-105,2008)介绍了修正的绝对二次曲线的像(MIAC)在中心折反射摄像机标定中的作用。他们通过研究球在中心折反射摄像机下的像与MIAC的几何与代数关系提出了两种线性标定算法。它们得出的结论对于对偶形式也是成立的。但是这篇文献中的理论和标定方法对于抛物折反射摄像机的情况是退化的。文献“Acalibrationmethodforparacatadioptriccamerafromsphereimages”，(DuanH.,WuY.,PatternRecognitionLetters,vol.33,no.6,pp.677-684,2012)基于圆环点理论提出了一种利用对拓球像标定抛物折反射摄像机的线性方法，但是这篇文献中关于圆环点的像的选取比较复杂。
技术实现思路
本专利技术提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的利用靶标求解中心折反射摄像机内参数的方法，该靶标由空间中一个球构成。在求解中心折反射摄像机内参数的过程中，需使用中心折反射摄像机拍摄靶标的3幅图像求解出中心折反射摄像机的5个内参数。本专利技术采用如下技术方案：用中心折反射摄像机拍摄3幅含有一个球的图像。本专利技术是利用空间中一个球作为靶标用于求解中心折反射摄像机内参数的方法，其特征在于仅利用球元素。首先，从该幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得球像的投影。其次，根据任意两幅球像的公共自极三角形的关系，从而得到两幅球像的公共自极三角形的顶点。然后由极点极线的关系，确定顶点对应的公共自极三角形的边。三幅图像提供三组公共自极三角形的顶点和边。接下来，利用公共自极三角形的顶点和边关于修正的绝对二次曲线的像的极点极线关系，从而确定修正的绝对二次曲线的像，通过分解修正的绝对二次曲线的像，得到修正的内参数矩阵。最后，利用修正的内参数矩阵和镜面参数确定摄像机内参数。具体的步骤包括：拟合靶标投影方程，估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边，确定修正的绝对二次曲线的像，求解中心折反射摄像机内参数。1.拟合靶标投影方程利用Matlab程序中的Edge函数提取靶标图像边缘点的像素坐标，并用最小二乘法拟合获得球像的方程。2.估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用球与公共自极三角形的性质标定中心折反射摄像机的方法；本专利技术是利用空间中一个球作为靶标用于求解中心折反射摄像机内参数的方法，其特征在于仅利用球元素；首先，从该幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得球像的投影；其次，根据任意两幅球像的公共自极三角形的关系，从而得到两幅球像的公共自极三角形的顶点；然后由极点极线的关系，确定顶点对应的公共自极三角形的边；三幅图像提供三组公共自极三角形的顶点和边；接下来，利用公共自极三角形的顶点和边关于修正的绝对二次曲线的像的极点极线关系，从而确定修正的绝对二次曲线的像，通过分解修正的绝对二次曲线的像，得到修正的内参数矩阵；最后，利用修正的内参数矩阵和镜面参数确定摄像机内参数；具体的步骤包括：拟合靶标投影方程，估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边，确定修正的绝对二次曲线的像，求解中心折反射摄像机内参数；1)估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边空间中的球Q，在中心折反射摄像机的单位球模型下的投影分为两步；第一步，将球Q投影为以O为中心的单位视球上的小圆Sn,其中n＝1,2,3表示拍摄的三幅图像，这里假设以单位视球中心O为原点的坐标系为世界坐标系；第二步，以单位视球内上的一点Oc为投影中心，这里Oc看作一个摄像机的光心，其中单位视球中心O到投影中心Oc的距离为l＝|OOc|，其中0≤l＜1；然后将小圆Sn投影到垂直于光轴OcO的中心折反射图像平面上的二次曲线Cn，这里假设以投影中心Oc为原点的坐标系为摄像机坐标系；这里用Cn分别表示第n幅图像中的球像系数矩阵；本文为了简化表述，用相同字母表示曲线和它的系数矩阵；任意取两幅球像方程Ci,Cj，其中i,j＝1,2,3,i≠j，通过矩阵Ci‑1Cj的特征向量以确定两幅球像Ci,Cj的公共自极三角形的顶点xij，则该顶点xij所对应的极线lij由关系式lij＝Ci·xij确定，其中·表示内积，lij,xij用齐次坐标矩阵表示；2)确定修正的绝对二次曲线的像若令单位视球上的小圆Sn的所在平面π1的单位法向量矩阵为[mnx mny mnz]...

【技术特征摘要】
1.一种利用球与公共自极三角形的性质标定中心折反射摄像机的方法；本发明是利用空间中一个球作为靶标用于求解中心折反射摄像机内参数的方法，其特征在于仅利用球元素；首先，从该幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得球像的投影；其次，根据任意两幅球像的公共自极三角形的关系，从而得到两幅球像的公共自极三角形的顶点；然后由极点极线的关系，确定顶点对应的公共自极三角形的边；三幅图像提供三组公共自极三角形的顶点和边；接下来，利用公共自极三角形的顶点和边关于修正的绝对二次曲线的像的极点极线关系，从而确定修正的绝对二次曲线的像，通过分解修正的绝对二次曲线的像，得到修正的内参数矩阵；最后，利用修正的内参数矩阵和镜面参数确定摄像机内参数；具体的步骤包括：拟合靶标投影方程，估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边，确定修正的绝对二次曲线的像，求解中心折反射摄像机内参数；1)估计两幅球像的公共自极三角形的顶点和边空间中的球Q，在中心折反射摄像机的单位球模型下的投影分为两步；第一步，将球Q投影为以O为中心的单位视球上的小圆Sn,其中n＝1,2,3表示拍摄的三幅图像，这里假设以单位视球中心O为原点的坐标系为世界坐标系；第二步，以单位视球内上的一点Oc为投影中心，这里Oc看作一个摄像机的光心，其中单位视球中心O到投影中心Oc的距离为l＝|OOc|，其中0≤l＜1；然后将小圆Sn投影到垂直于光轴OcO的中心折反射图像平面上的二次曲线Cn，这里假设以投影中心Oc为原点的坐标系为摄像机坐标系；这里用Cn分别表示第n幅图像中的球像系数矩阵；本文为了简化表述，用相同字母表示曲线和它的系数矩阵；任意取两幅球像方程Ci,Cj，其中i,j＝1,2,3,i≠j，通过矩阵Ci-1Cj的特征向量以确定两幅球像Ci,Cj的公共自极三角形的顶点xij，则...

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