本发明专利技术提供了一种水下相机标定方法，水下相机系统成像时光线按水-隔水平面-空气-相机透镜的顺序对水下成像的物理过程进行数学建模。空气和水中相机参数的不同之处在于，由于折射平面的存在，导致空气中的成像模型不能适用于水中，需要对水中相机的成像模型进行建模。本发明专利技术公开了一种高精度的水下相机标定方法，建立了水下折射成像模型，提出了一种基于Tsai氏标定算法的水下相机标定方法，能够准确计算出相机中心到折射平面的距离d及相机的内、外参数。本发明专利技术公开的水下相机标定算法能够广泛应用于水下探测和高精度水下物体测量中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于视觉技术的水下探测和测量领域中，尤其涉及一种水下相机标定方法。
技术介绍
作为海洋探测技术的一个重要工具，基于水下机器人的水下、深海探测正在被广泛使用。基于视觉技术的探测技术是其中最为重要的技术之一，在利用视觉技术的水下探测和测量中，由于水介质的存在，导致光线在进入相机时发生折射，在空气中的相机标定技术不能直接用于水下相机的标定。由于折射现象的存在导致在水中的成像模型与空气中的不同，传统的相机标定算法如张氏标定，Tsai标定在水中不再适用。针对折射对成像的影响，国外学者有着不同的解决方法。首先是借助物理辅助的方法(SchechnerYY,KarpelN.RecoveryofUnderwaterVisibilityandStructurebyPolarizationAnalysis.IEEEJournalofOceanicEngineering,2005,30(3)：570-587)，该方法通过设计一个特殊的光学部件，该部件可以将相机的透镜成像中心转移到折射发生的平面处，即水下相机的防水外壳处，然后通过光学部件的特殊形状抵消发生的折射现象，但是由于该方法对光学部件的制作要求十分严格，由于工艺的限制，该方法很难很好的实现。第二类方法是采用辅助平面的方法进行相机标定(NarasimhanSG,NayarSK.Structuredlightmethodsforunderwaterimaging:lightstripescanningandphotometricstereo,OCEANS,2005.ProceedingsofMTS/IEEE.2005:2610-2617)，通过增加一个辅助的标定板来确定光线入射前的方向向量，利用这一增加的已知量来对相机参数进行标定，由于该方法需要一个特殊的标定板，因此操作十分复杂。第三类方法是把折射存在当成是焦距变化(FerreiraR,CosteiraJP,SantosJA.StereoReconstructionofaSubmergedScene.PatternRecognition&ImageAnalysis,2005,3522:102-109.)，因为入射光线的延长线最终会与摄像机的光轴相交于一点，假设入射光线延长线与成像平面的交点与折射后光线鱼光轴的交点相同，相机成像平面就需要后移也就是相当于拉长了摄像机焦距，根据Snell定律可以计算到关于入射角度的摄像机焦距变化，因为该变化与不同图像点的入射角度相关，不能将其当作线性的变化，所以该办法仍然会带来一定的误差，光线的入射角度越大，其在成像平面的成像点就会产生更大的误差。第四类方法采用近似的方法把水下的折射造成的误差看做镜头的畸变(ShortisMR,HarveyES.DesignandCalibrationofAnUnderwaterStereo-videoSystemfortheMonitoringofMarineFaunaPopulations.InternationalArchivesPhotogrammetryandRemoteSensing,32(5,1998:792--799.)，该方法把折射产生的像素偏移误差近似看做是由镜头本身畸变产生的误差，通过标定出摄像机的畸变参数并对图像进行矫正操作来消除折射带来的影响。第五类方法是使用物理模型的方法来描述水下成像过程，并根据成像模型开发相应的标定算法。Jordt-Sedlazeck提出了一种基于外壳的相机标定方法，使用优化的方法标定折射平面的法向量以及距离成像平面的距离(Jordt-SedlazeckA,KochR.RefractiveStructure-from-MotiononUnderwaterImages.IEEEInternationalConferenceonComputerVision,2013:57-64.)。Agrawal提出对多次折射成像进行了建模，并且使用五点算法用于求取包括折射率，每个折射平面的法向量以及折射平面距离成像平面的距离等参数(AgrawalA,RamalingamS,TaguchiY,etal.Atheoryofmultilayerflatrefractivegeometry,IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,2012:3346-3353.)。高新浩等提出了一种基于多层平面折射几何的水下相机标定方法(高新浩，黄茹楠，杨育林.水下相机标定算法研究,燕山大学大学报,2014,38(3):252-258)。王鑫提出水下摄像机两步标定法。先在空气环境中标定出摄像机基本成像参数，采用的是张正友棋盘格平面标定法；然后标定系统结构参数，在水下自由光轴成像模型基础上，将选取已知世界坐标的水下棋盘格参考点投影到成像平面，通过成型模型求取像点坐标，再通过最小化实际读取像点坐标与模型求得的像点坐标作为评价函数，经粒子群算法对其进行优化得到标定结果(王鑫,水下双目立体视觉定位系统研究,燕山大学硕士学位论文,2014)。李绪勇提出一种水下线结构光系统的标定方法(李绪勇，水下摄像机的建模与标定技术研究,中国海洋大学硕士学位论文,2010)。吴云峰、陈元杰提出了一种线性方法标定水下双目相机(吴云峰,水下机器人双目立体视觉技术研究,哈尔滨工程大学硕士学位论文,2006.陈元杰,水下机器人双目立体视觉定位系统研究,浙江大学硕士学位论文，2011).专利技术人在《水下摄像机标定技术的研究》中提出了水下摄像机非线性标定的基本模型(李洪生，水下摄像机标定技术的研究，哈尔滨工业大学硕士学位论文,2013)，本专利技术是在该方法基础上的进一步研究和完善，使得该技术能够应用于实际的水下测量系统。传统的水下相机标定算法大多采用校正径向畸变的方式消除折射平面的影响，但这种方法只是利用径向畸变近似折射平面对成像的影响，但是由于不同像素点由折射带来的影响不同，因此无法用统一的畸变参数矫正整个图像，这样会带来非常明显的误差。基于物理模型的方法虽然能标定出较高精度的相机参数，但模型较复杂，计算复杂度高，部分优化算法需要合适的初始值，如相机中心到折射平面的距离，该参数对于水下相机标定至关重要，大部分方法都假设该参数已知，但事实上无法直接准确测量出该参数。李绪勇提出了一种两步法水下相机的标定方法，能够计算出相机光心到玻璃折射平面的距离，但该方法对水中折射处理采用一种对应的方法求取，因此对标定精度会有一定的影响。水下机器人双目系统的标定常应用于定位或导航，标定精度无法满本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水下相机标定方法，其特征在于：第一步：在空气中标定出相机的内参，内参矩阵如下：第二步：使用径向一致约束线性的求取摄像机的一部分外参，Tsai标定算法使用的是径向一致约束，因为光线和光轴是共面的，可以得到摄像机坐标系下的坐标与成像点在图像中的物理坐标之间的对应关系：其中xi＝(u‑u0)dxyi＝(v‑v0)dyxc＝r1xw+r2yw+r3zw+tx (15)yc＝r4xw+r5yw+r6zw+tyzc＝r7xw+r8yw+r9zw+tzr1,…,r9为旋转矩阵R的9个元素，将公式(15)表示的变量代入公式(14)中可求取摄像机的旋转矩阵和平移向量的前两个参数，水下拍照时入射光线在折射发生前后的方向向量之间的对应关系为：可以得到(αa βa γa)T和(αw βw γw)T及光轴的方向向量(0 0 1)T的混合积：因为入射光线在折射前后与摄像机的光轴共面，因此径向一致约束在水下成像中仍然成立；第三步：利用水下成像模型公式(12)优化计算出相机中心到折射平面的距离d，公式(12)如下：其中：n0＝nair/nwater,
【技术特征摘要】
1.一种水下相机标定方法，其特征在于：
第一步：在空气中标定出相机的内参，内参矩阵如下：
第二步：使用径向一致约束线性的求取摄像机的一部分外参，Tsai标定算法使用的是
径向一致约束，
因为光线和光轴是共面的，可以得到摄像机坐标系下的坐标与成像点在图像中的物理
坐标之间的对应关系：
其中
xi＝(u-u0)dx
yi＝(v-v0)dy
xc＝r1xw+r2yw+r3zw+tx(15)
yc＝r4xw+r5yw+r6zw+tyzc＝r7xw+r8yw+r9zw+tzr1,…,r9为旋转矩阵R的9个元素，将公式(15)表示的变量代入公式(14)中可求取摄像
机的旋转矩阵和平移向量的前两个参数，
水下拍照时入射光线在折射发生前后的方向向量之间的对应关系为：
可以得到(αaβaγa)T和(αwβwγw)T及光轴的方向向量(001)T的混合积：
因为入射光线在折射前后与摄像机的光轴共面，因此径向一致约束在水下成像中仍然
成立；
第三步：利用水下成像模型公式(12)优化计算出相机中心到折射平面的距离d，公式
(12)如下：
其中：n0＝nair/nwater,2.根据权利要求1所述的一种水下相机标定方法，其特征在于：在水下拍摄带有标志点
的...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓军，汤兴粲，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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