基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法和系统。方法为：获取不同视角下的场景图像，分别计算各场景图像中5个点位所在圆的像、圆心的像，再基于圆的像和圆心的像，计算圆的圆环点的像。根据绝对二次曲线的定义以及射影不变性，求取摄像机的内参数。系统包括一图像采集器和一运算器，图像采集设备执行图像采集动作，运算器执行运算动作。本发明专利技术涉及的硬件结构简单，对场景无严格要求。本发明专利技术的运算量相较于传统方式，有大幅减小，精度较传统方式，也有较大的提高。

A Method and System for Solving Camera Internal Parameters Based on the Relation between Poles and Poles

【技术实现步骤摘要】
基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法和系统
本专利技术涉及计算机视觉领域，尤其是一种利用极点与极线的关系求解双平面镜折反射摄像机内参数的方法和系统。
技术介绍
计算机视觉是一门新的学科，它是利用计算机代替人眼和大脑感知和理解世界。它的出现使人们更清楚地看清世界，并获得更多细节。因此，计算机视觉技术也被广泛应用在各个领域。摄像机是计算机视觉技术中的基础工具，摄像机内参数决定了摄像机的内部结构。学者拿到一台摄像机时，并不知道它的内部结构，只能利用摄像机拍摄的图片获得二维图像信息，要想从二维图像信息中理解3D物体，必须知道摄像机内参数。求解摄像机内参数的过程称之为摄像机标定。传统摄像机的成像视野较小，但是随着网络信息化的快速发展，传统摄像机不能满足人们从“能看到”到“看得更广”的需求。这就给研究者及学者提出了新的要求，即让成像视野变大。折反射摄像机的出现解决了这个问题，它在传统摄像机的前面增加了反射镜面，常见的反射镜面有：抛物镜面、双曲镜面、椭圆镜面和平面镜。因为平面折反射摄像机的制作简单，成本也比较低，所以许多学者使用平面折反射摄像机进行三维重构。在进行三维重构前，需要对平面折反射摄像机进行标定。传统摄像机就是一台针孔摄像机，利用场景中元素的几何关系，求解针孔摄像机的内参数是一种的常用方法。文献“Alinearapproachfordeterminingintrinsicparametersandposeofcamerasfromrectangles”，(WuF.,WangG.,etal.,JournalofSoftware,Vol.14,pp.703-712,2003)提出通过空间平面上两个非平行矩形，得到共线的四个消失点，再根据调和共轭的性质获取圆环点，利用圆环点的像与绝对二次曲线像的约束关系求解摄像机内参数。文献“Planarcatadioptricstereo:geometryandcalibration”，(GluckmanJ.,NayarS.,IEEEComputerSocietyConferenceonComputerVision,Vol.1,pp.1-18,2002)利用单个摄像机和两块平面镜实现双目立体视觉效果，主要从几何上研究双平面折反射系统，并且证明了可以通过平面运动来约束两个虚拟摄像机的相对位置，计算对极几何中的基本矩阵，并且估计焦距。但是，这篇文章并没有讨论双平面镜间的内部反射，也没有把平面镜成像原理应用在摄像机标定中。两块平面镜和一个针孔摄像机组成一个双平面折反射系统，当两块平面镜间的夹角为0-90度时，两平面镜中出现多次内部反射，场景中出现多个视图。许多文献利用轮廓间的极几何关系，求解摄像机内参数或进行三维重构。文献“Self-calibrationofcatadioptriccamerawithtwoplanarmirrorsfromsilhouettes”，(YingX.,PengK.,etal.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.35,no.5,pp.1206-1220,2013)提出在平面折反射系统中，用两种方法求解摄像机内参数，第一种方法是：利用两个平行圆在像平面上的投影二次曲线的两条相关直线的交点(消失点)与绝对二次曲线像的约束关系求解摄像机内参数，但求解过程需要用到3次多项式，并且计算量较大；第二种方法是：利用三维空间点位置的不变性求点对应的2D单映，2D单映的共轭复特征值对应的特征向量就是圆环点的像，进一步求解摄像机内参数，在这种方法中需要七个视图，这样就要求两个平面镜间存在两次内部反射，这种方法的不足之处是：七个视图会互相遮挡，影响标定的精度。当两平面镜间的夹角为60-80度时，两平面镜间出现五个视图，当两平面镜间的夹角为72度左右时，五个视图间不会互相遮挡。文献“Geometricpropertiesofmultiplereflectionsincatdioptriccamerawithtwoplanarmirrors”，(YingX.,PengK.,etal.,IEEEComputerSocietyConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,vol.26,no.2,pp.1126-1132,2010)讨论了五个视图的几何关系。把五个视图分为奇数相邻视图对和偶数相邻视图对，从对极几何的观点建立基本矩阵与镜面法线方向消失点的约束关系，并且在奇数相邻视图对中，根据极点与圆环点像的调和共轭关系求出圆环点的像，但是两摄像机间的对极关系不仅要用到摄像机的内参数，还要知道两摄像机的相对位置，所以过程会很复杂。文献“Cameraself-calibrationbasedoncircularpointswithtwoplanar”，(ZhaoY.,ZhangX.，etal.,MultimediaToolsandApplications,vol.75,no.13,pp.7981-7997,2016)利用两种方法求出圆环点的像，再根据圆环点像与摄像机内参数的约束关系求解摄像机内参数。第一种是：根据拉盖尔定理的推论求出圆环点的像；第二种是：利用无穷远直线与圆相交求出圆环点，在像平面上可以获取圆环点的像。这篇文献，是通过调和共轭关系获取消失点，进一步获取消失线。本专利是从极点与极线关系中获取消失线。文献“Cameraself-calibrationfromprojectionsilhouettesofanobjectindoubleplanarmirrors”，(ZhaoY.,LiY.,JournaloftheOpticalSocietyofAmericaA,vol.34,no.5,pp.696,2017)用三种方法求解摄像机内参数。第一种是：利用极点与极线的关系，获取圆环点的像；第二种是：利用无穷远点与圆环点共线的性质，获取圆环点的像；第三种是：利用平面镜成像的对称性及调和共轭，获取正交消失点。最后，用圆环点的像或者正交消失点与绝对二次曲线像的约束关系，求解摄像机内参数。把双平面镜中的五个视图看成是做圆周运动得到的。利用圆周运动下，轮廓间的极几何关系，求解摄像机外参数或者三维重构。文献“Self-calibrationofturntablesequencesfromsilhouettes”，(ZhangH.,ShaoL.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.31,no.1,pp.5-14,2009)提出在转盘序列中，通过一个物体轮廓的极切线来估计图像不变量，依据图像不变量，可以精确地表示基本矩阵，也可以恢复圆环点的像，进一步使用拉盖尔定理恢复旋转角。因为求轮廓的极切线时，需要知道物体的坐标，所以会存在误差。上述文献的方案普遍存在以下问题，即对试验现场的布置的精度要求高、试验操作繁琐、计算的数据量的数量级高、计算精度较低。
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，提供一种在双平面镜折反射系统下，利用平面镜成像及极点与极线的关系标定摄像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法，其特征在于，包括以下流程：A.获取若干幅在不同视角下的场景图像，所述场景图像对应的试验场景为：在夹角为预定角度的两平面镜间放置一物体点，形成试验场景，在该试验场景下，得到5个点位：所述物体点及在两所述平面镜中的4个折反射点，所述5个点位必然在同一圆上；B.针对每一幅场景图像，执行以下步骤B1‑B3：B1：提取场景图像的特征点坐标，依据所提取的场景图像的特征点坐标，计算出所述5个点位所在圆的像；B2.分别计算所述5个点位的像，依据所述5个点位的像，计算出所述圆的圆心的像；B3：基于所述圆的像和所述圆心的像，求取所述圆的两个圆环点的像；C.依据对所有场景图像所求取出的圆环点的像，基于射影不变性，求取摄像机的内参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法，其特征在于，包括以下流程：A.获取若干幅在不同视角下的场景图像，所述场景图像对应的试验场景为：在夹角为预定角度的两平面镜间放置一物体点，形成试验场景，在该试验场景下，得到5个点位：所述物体点及在两所述平面镜中的4个折反射点，所述5个点位必然在同一圆上；B.针对每一幅场景图像，执行以下步骤B1-B3：B1：提取场景图像的特征点坐标，依据所提取的场景图像的特征点坐标，计算出所述5个点位所在圆的像；B2.分别计算所述5个点位的像，依据所述5个点位的像，计算出所述圆的圆心的像；B3：基于所述圆的像和所述圆心的像，求取所述圆的两个圆环点的像；C.依据对所有场景图像所求取出的圆环点的像，基于射影不变性，求取摄像机的内参数。2.如权利要求1所述的基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法，其特征在于，所述B1中，依据所提取的场景图像的特征点坐标，计算出所述5个点位所在圆的像具体为：利用最小二乘法对所述所提取的场景图像的特征点坐标进行拟合，得到的二次曲线即为所述5个点位所在圆的像。3.如权利要求1所述的基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法，其特征在于，所述B2中，依据所述5个点位的像，计算出所述圆的圆心的像具体为：先分别计算所述5个点位的像，再分别计算各点位的像关于所述圆的像的极线，再基于部分或全部所述各点位的像关于圆的像的极线间的交点的坐标，计算所述圆心的像。4.如权利要求3所述的基于极点与极线的关系求解摄像机内参数的方法，其特征在于，所述基于部分或全部所述各点位的像关于圆的像的极线间的交点的坐标，计算所述圆心的像具体为：设所述5个点位分别为：物体点A0、A0在平面镜1中的折反射点A1，A0在平面镜2中的折反射点A2、A2在平面镜1中的折反射点A3、A1在平面镜...

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