利用球及极点极线标定摄像机的方法、存储介质和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用球及极点极线标定摄像机的方法、存储介质和系统。方法包括拟合镜面轮廓投影方程和球像方程的步骤、计算球像的对拓球像方程的步骤、一组极点极线关系的获取的步骤和求解抛物折反射摄像机内参数的步骤。存储介质存储有运行后执行标定方法的程序。系统包括一抛物折反射摄像机和一运算器，该运算器包括上述存储介质。本发明专利技术可通过简单的布置，即可线性求取摄像机的内参数，过程简单，计算效率高，鲁棒性好，具备较强通用性。

Method, storage medium and system of camera calibration using sphere and pole polar line

【技术实现步骤摘要】
利用球及极点极线标定摄像机的方法、存储介质和系统
本专利技术涉及计算机视觉领域，尤其是一种利用空间中一个球及关于绝对二次曲线的像的极点极线关系求解抛物折反射摄像机内参数的方法。
技术介绍
计算机视觉是通过计算机及相关设备代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量，然后进行图像处理后，传送给仪器检测或人眼观察。计算机觉的主要任务就是通过对采集的图像进行处理以获得相应场景的三维信息，而摄像机标定是实现图像处理的一个重要步骤。摄像机标定是计算机领域中三维标定物与它的二维图像之间的一个映射过程，也是由二维图像恢复得到对应的三维信息的一个反投影过程。随着计算机视觉技术在各个领域中的大量应用，传统摄像机的可视范围小，满足不了计算视觉技术的要求，从而有了折反射摄像机的诞生。文献“Atheoryofsingle-viewpointcatadioptricimageformation”(BakerS.,NayarS.K.,InternationalJournalofComputerVision,1999,35(2):175-196.)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两类：中心折反射摄像机和非中心折反射摄像机。文献“Stereowithmirrors”(SameerA.,NeneandShreeK.,ComputerVision1998.)将中心折反射摄像机的反射镜面分成四类：抛物面镜、平面镜、双曲面镜和椭圆面镜。文献“Geometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandtheirapplicationincalibration”,(BarretoJ.P.,AraujoH.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,27(8),2005,1327-1333.)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“Catadioptriccameracalibrationusinggeometricinvariants”(YingX.,HuZ.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2004,26(10):1260-1271.)分析了在中心折反射摄像机下，球像轮廓与摄像机内参数的关系，证明了空间球在中心折反射摄像机下投影为一条二次曲线，还证明了在非退化的情况下一个球像可提供两个约束，即三个球可完成标定。但是该方法是非线性的，对标定过程中内参数初始值的精确度要求很高。文献“Intrinsicparameterdeterminationofapara-catadioptriccamerabytheintersectionoftwosphereprojections”(ZhaoY.,WangY.,JournaloftheOpticalSocietyofAmericaA,2015,32(11):2201–2209.)首次利用两个相交的球作为抛物折反射摄像机的标定物，两个球相交于四个交点。根据对拓像点的性质，由这四个交点形成一个矩形，根据仿射不变性，可得一组正交消失点，从而线性标定摄像机内参数。但是这两个球相交的部分被遮挡，因此球不能完全被提取而影响标定算法的精确度。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用空间球来求解抛物折反射摄像机内参数的方法。以通过简单设置，高精度地求取折反射摄像机内参数。本专利技术采用的技术方案如下：一种利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其包括以下步骤：A.对于抛物折反射摄像机采集的至少3幅图像进行如下处理：提取第一幅图像的镜面轮廓投影边缘点和每一幅图像的球像图像边缘点的像素坐标，基于提取的数据，计算出对应的镜面轮廓投影方程和球像方程；所述球像为：根据单位球成像模型，空间球在单位视球上投影形成小圆，小圆在摄像机光心作用下，于像平面上的投影即为该小圆的球像；B.对于每一幅图像，基于其球像方程，计算出对应的对拓球像方程；C.对于每一幅图像，基于其球像方程和对应的对拓球像方程，计算出旋转轴和消失点；D.基于所有图像的旋转轴和消失点，根据极点极线间的约束关系，计算出绝对二次曲线的像，再根据该绝对二次曲线的像，计算出抛物折反射摄像机的内参数。进一步的，上述步骤B具体为：对于每一幅图像，在其球像方程上，取一组点位，该组点位含若干点，计算该组点位的一组对拓像点，再根据该对拓像点组，计算出对应的对拓球像方程。进一步的，上述一组点位中，至少包含5个点位。进一步的，上述步骤C中，消失点的计算方法为：对于每一幅图像，计算球像方程和对应的对拓球像方程的四个交点的坐标x1、x2、x3、x4，其中x1、x2为一对圆环点的像，x3、x4为另一组共轭复点的像，计算过x1、x2的直线与过x3、x4的直线的交点即为所求。进一步的，上述步骤C中，旋转轴的计算方法为：计算过x2、x4的直线与过x1、x3的直线的交点，计算过x1、x4的直线与过x2、x3的直线的交点，根据两个交点计算出旋转轴。进一步的，上述步骤A-D中，根据点坐标计算出对应的方程的方法为：采用最小二乘法对点位坐标进行拟合，得出对应的方程。为解决上述全部或部分问题，本专利技术提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有程序，运行该程序以执行上述的利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法。为解决上述全部或部分问题，本专利技术提供了一种利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的系统，包括一抛物折反射摄像机和一运算器，抛物折反射摄像机用于采集至少3幅图像，所述运算器包含上述的存储介质；其中，所述抛物折反射摄像机所采集的图像包含镜面轮廓投影边缘点和球像图像边缘点，所述球像为：根据单位球成像模型，空间球在单位视球上投影形成小圆，小圆在摄像机光心作用下，于像平面上的投影即为该小圆的球像。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过简单步骤，即可线性计算出摄像机的内参数，鲁棒性好，通用性强，较传统方式的3次及以上多项式的运算，大幅减少了运算量。2、本专利技术对于试验场景布置的精度要求不高，降低了试验难度。3、在本专利技术中，将球作为标定物来标定抛物折反射摄像机，其优点是球自身无遮挡。也就是说，从任何一个方位看空间中一个球，它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。相较于其他标定物而言，球作为标定物使得摄像机标定的精确度更高。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是空间球在单位视球上的投影示意图。图2是一组关于绝对二次曲线的像的极点极线关系。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。本专利技术的方法的原理如下：根据单位球成像模型，空间球在单位视球上投影形成一对对拓小圆，根据对拓圆的性质，一对对拓小圆是互相平行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于，包括以下步骤：A.对于抛物折反射摄像机采集的至少3幅图像进行如下处理：提取第一幅图像的镜面轮廓投影边缘点和每一幅图像的球像图像边缘点的像素坐标，基于提取的数据，计算出对应的镜面轮廓投影方程和球像方程；所述球像为：根据单位球成像模型，空间球在单位视球上投影形成小圆，小圆在摄像机光心作用下，于像平面上的投影即为该小圆的球像；B.对于每一幅图像，基于其球像方程，计算出对应的对拓球像方程；C.对于每一幅图像，基于其球像方程和对应的对拓球像方程，计算出旋转轴和消失点；D.基于所有图像的旋转轴和消失点，根据极点极线间的约束关系，计算出绝对二次曲线的像，再根据该绝对二次曲线的像，计算出抛物折反射摄像机的内参数。

【技术特征摘要】
1.一种利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于，包括以下步骤：A.对于抛物折反射摄像机采集的至少3幅图像进行如下处理：提取第一幅图像的镜面轮廓投影边缘点和每一幅图像的球像图像边缘点的像素坐标，基于提取的数据，计算出对应的镜面轮廓投影方程和球像方程；所述球像为：根据单位球成像模型，空间球在单位视球上投影形成小圆，小圆在摄像机光心作用下，于像平面上的投影即为该小圆的球像；B.对于每一幅图像，基于其球像方程，计算出对应的对拓球像方程；C.对于每一幅图像，基于其球像方程和对应的对拓球像方程，计算出旋转轴和消失点；D.基于所有图像的旋转轴和消失点，根据极点极线间的约束关系，计算出绝对二次曲线的像，再根据该绝对二次曲线的像，计算出抛物折反射摄像机的内参数。2.如权利要求1所述的利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于，所述步骤B具体为：对于每一幅图像，在其球像方程上，取一组点位，该组点位含若干点，计算该组点位的一组对拓像点，再根据该对拓像点组，计算出对应的对拓球像方程。3.如权利要求2所述的利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于，所述一组点位中，至少包含5个点位。4.如权利要求1所述的利用球及极点极线关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于，所述步骤C中，消失点的计算方法为：对于每一幅图像...

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