一种采用两共面圆模板的摄像机标定方法技术

一种采用两共面圆模板进行摄像机标定的方法，利用两个任意不相交的共面圆作为标定物。用摄像机从三个不同角度拍摄标定物得到三幅清晰的图像，确定每幅图像中两个椭圆影像的方程，求取每个椭圆中心点坐标，求取两个椭圆的内外公切线，进而求取内外公切线与椭圆的切点，根据求得图像中坐标点与标定物对应点之间的关系，求取摄像机内外参数。本发明专利技术具有操作简单、标定速度快、标定结果稳定准确等优点，能广泛应用于非接触式工业检测和基于视觉的测量和自主导航系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种计算机视觉
，尤其是一种采用两个共面圆模板进行摄像 机标定的方法。
技术介绍
摄像机标定是基于2D图像的3D空间定量分析的关键内容，也是立体视觉的关键 技术。摄像机标定主要包括求取摄像机的内部参数和外部参数。标定过程中常用的标定靶 标包括一维标定靶标，二维平面靶标和三维立体靶标。其中，一维标定靶标因为标定的精度 较差以及标定参数不完全而应用较少；三维立体靶标标定精度高，适用于精密的工业测量， 但三维立体靶标制作困难、成本较高，且不适用于较小视场情况下的标定；而二维平面靶标 易于制作，标定精度适中，因此得到了广泛的应用。 在现有技术中，张正友（Zhang Z Y. A flexible new technique for camera calibration.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligen ce，2000, 22 (11) : 1330-1334)提出了一种基于棋盘格模板的标定方法，该方法标定精度较 高，但需要人工从每幅图像中选取四个坐标点，对于图像比较多的情况操作比较复杂。另有 夏仁波、刘伟军等人提出的"基于圆形标志点的全自动相机标定方法"，该方法基于圆特征 的平面模板检测比较容易，鲁棒性高，标定精度较高，但是花费时间较长。另外，吴毅红（WU Y Hj LI XjWU F Cj et a I. Coplanar circles, quasi-affine invariance and calibration. Image and Vision Computing，2006, 24(4) :319-326)利用虚圆点的特性提出了一种基于 共面圆的标定方法，求取了摄像机内参数，但并没有求解外部参数，且该方法的一个不足之 处在于利用了虚圆点，容易受到噪声的影响。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种通过线性求取坐标点自动计算出全部摄像机参数的采 用两共面圆模板的摄像机标定方法。 为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述方法包括以下步骤： (1)在一张白纸上绘制或打印两个不相交、不相切、不包含且大小不等的圆，将白 纸粘贴在一块平整的板面上制成标定板；或者直接在平整的板面上绘制两个不相交、不相 切、不包含且大小不等的圆，制成标定板； (2)使用摄像机对标定板进行不同角度的拍摄并获取图像； (3)将获取的图像进行滤波处理，由于透视投影的效果，标定板中两个圆在图像中 成的像是两个椭圆，利用最小二乘法分别拟合出图像中两个椭圆的椭圆方程，由拟合出的 两个椭圆方程求取出两个椭圆的中心点OdP 〇 2; (4)中心线Ic^过两个椭圆的中心点0 JPO2，由中心线IdP两个椭圆方程可分别 求取出椭圆中心线与两个椭圆的交点Λ、J2、J 3、J4，利用投影的交比不变性，求取出两个椭 圆的两条内公切线的交点A的坐标和两个椭圆两条外公切线交点B的坐标； (5)由内公切线交点A、外公切线交点B以及椭圆方程，利用切线与椭圆只有一个 交点的性质分别求取出两个椭圆的两条内公切线A、n 2和两个椭圆的两条外公切线w i、w2， 由两条内公切线、两条外公切线以及椭圆方程求取出切线与两个椭圆的切点坐标J5、J6、J 7、 Js、Jg、JlO、Jll、Jl2; (6)图像坐标与世界坐标满足关系：x。= Hxw 式中，X。为图像点齐次坐标，H为单应性矩阵，xw为世界坐标； 将图像中坐标点与对应的世界坐标中的实际点坐标代入方程中，求取出单应性矩 阵H; (7)由于最少通过三幅图像即可求解出摄像机的内外参数矩阵，因此提取拍摄到 的三幅图像，求解出三个单应性矩阵H，根据H与摄像机内参数矩阵N的关系求取出N，根据 每幅图像对应的单应性矩阵H和摄像机内参数矩阵N，求取出摄像机外参数矩阵W。 与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：模板制作简单，利用几何关系求取图像中 的关键点，不需要人工提取图像中的坐标点，实现了关键点的自动提取，避免了人工操作带 来的误差，可以自动、快速完成标定过程；通过交比投影不变性和椭圆方程及公切线方程线 性求解图像中的点与模板中对应点的坐标，计算出全部的摄像机参数，避免了利用求取虚 圆点的方法求解内参数时带来的误差。【附图说明】 图1是本专利技术方法求取参数的流程图。 图2是本专利技术方法所用的模板。 图3是本专利技术方法采用模板的投影示意图。 图4是本专利技术方法求取图像关键点的原理图。【具体实施方式】 下面结合图1和图4对本专利技术做进一步说明： 本专利技术所述方法包括以下步骤： (1)如图2所示，在一张白纸上绘制或打印两个不相交、不相切、不包含且大小不 等的圆，将白纸粘贴在一块平整的板面上制成标定板；或者直接在平整的板面上绘制两个 不相交、不相切、不包含且大小不等的圆，制成标定板；标定板中小圆半径为r，大圆半径为 2r，圆心距为5r ; (2)使用摄像机对标定板进行不同角度的拍摄并获取三幅或以上图像； (3)将采集到的图像进行滤波处理，由于透视投影的效果，标定板中的两个圆 在图像中成的像是近似两个椭圆，进行Canny算子检测获取椭圆边缘点坐标，利用最 小二乘法分别拟合出图像中两个椭圆的椭圆方程Sp S2，拟合得到的椭圆一般方程为 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = 0,由拟合得到的方程可以求得系数A、B、C、D、E、F，进而可以分别 计算出椭圆中心点〇ρ〇2的坐标，其中椭圆的中心坐标为（Χ〇，Υ。)，【主权项】1. ，其特征在于，所述方法包括以下步骤： (1) 在一张白纸上绘制或打印两个不相交、不相切、不包含且大小不等的圆，将白纸粘 贴在一块平整的板面上制成标定板；或者直接在平整的板面上绘制两个不相交、不相切、不 包含且大小不等的圆，制成标定板； (2) 使用摄像机对标定板进行不同角度的拍摄并获取图像； (3) 将获取的图像进行滤波处理，由于透视投影的效果，标定板中两个圆在图像中成的 像是两个椭圆，利用最小二乘法分别拟合出图像中两个椭圆的椭圆方程，由拟合出的两个 椭圆方程求取出两个椭圆的中心点OdP O 2; (4) 中心线^通过两个椭圆的中心点0 JP O2，由中心线Itl和两个椭圆方程可分别求取 出椭圆中心线与两个椭圆的交点Λ、J 2、J3、J4，利用投影的交比不变性，求取出两个椭圆的 两条内公切线的交点A的坐标和两个椭圆两条外公切线交点B的坐标； (5) 由内公切线交点A、外公切线交点B以及椭圆方程，利用切线与椭圆只有一个交点 的性质分别求取出两个椭圆的两条内公切线A、n 2和两个椭圆的两条外公切线w i、W2，由两 条内公切线、两条外公切线以及椭圆方程求取出切线与两个椭圆的切点坐标J5、J 6、J7、J8、 J9、Jio、Jll、Jl2; (6) 图像坐标与世界坐标满足关系：x。= Hxw 式中，x。为图像点齐次坐标，H为单应性矩阵，x w为世界坐标； 将图像中坐标点与对应的世界坐标中的实际点坐标代入方程中，求取出单应性矩阵 H； ⑵由于最少通过三幅图像即可求解出摄像机的内外参数矩阵，因此提取拍摄到的三 幅图像，求解出三个单应性矩阵H，根据H与摄像机内参数矩阵N的关系求取出N，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用两共面圆模板的摄像机标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)在一张白纸上绘制或打印两个不相交、不相切、不包含且大小不等的圆，将白纸粘贴在一块平整的板面上制成标定板；或者直接在平整的板面上绘制两个不相交、不相切、不包含且大小不等的圆，制成标定板；(2)使用摄像机对标定板进行不同角度的拍摄并获取图像；(3)将获取的图像进行滤波处理，由于透视投影的效果，标定板中两个圆在图像中成的像是两个椭圆，利用最小二乘法分别拟合出图像中两个椭圆的椭圆方程，由拟合出的两个椭圆方程求取出两个椭圆的中心点01和02；(4)中心线l0通过两个椭圆的中心点01和02，由中心线l0和两个椭圆方程可分别求取出椭圆中心线与两个椭圆的交点J1、J2、J3、J4，利用投影的交比不变性，求取出两个椭圆的两条内公切线的交点A的坐标和两个椭圆两条外公切线交点B的坐标；(5)由内公切线交点A、外公切线交点B以及椭圆方程，利用切线与椭圆只有一个交点的性质分别求取出两个椭圆的两条内公切线n1、n2和两个椭圆的两条外公切线w1、w2，由两条内公切线、两条外公切线以及椭圆方程求取出切线与两个椭圆的切点坐标J5、J6、J7、J8、J9、J10、J11、J12；(6)图像坐标与世界坐标满足关系：xc＝Hxw式中，xc为图像点齐次坐标，H为单应性矩阵，xw为世界坐标；将图像中坐标点与对应的世界坐标中的实际点坐标代入方程中，求取出单应性矩阵H；(7)由于最少通过三幅图像即可求解出摄像机的内外参数矩阵，因此提取拍摄到的三幅图像，求解出三个单应性矩阵H，根据H与摄像机内参数矩阵N的关系求取出N，根据每幅图像对应的单应性矩阵H和摄像机内参数矩阵N，求取出摄像机外参数矩阵W。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华，柳海潮，刘刚，胡春海，刘斌，张志娟，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13