利用单个球及平行圆性质标定拋物折反射摄像机的方法技术

一种利用单个球及平行圆性质标定拋物折反射摄像机的方法。在抛物折反射系统下，球第一次投影到单位视球上形成两个平行小圆。空间两个平行圆有两对共轭的虚交点，其中与空间圆所在的平面的无穷远点共线的两个共轭虚交点为圆环点。在像平面上根据圆环点的像与影消点的共线性获得圆环点的像，三幅图像提供三组圆环点的像。最后，利用圆环点的像对绝对二次曲线像的约束求解摄像机内参数。具体的步骤包括：拟合出镜面轮廓投影方程及靶标投影方程，估计球像的对拓球像，确定圆环点的像，求解抛物折反射摄像机内参数。

Method for calibrating parabolic catadioptric camera by using single sphere and parallel circle

Method for calibrating parabolic catadioptric camera using single ball and parallel circle. In a parabolic catadioptric system, the ball is projected first into the unit sphere to form two parallel small circles. In space, two parallel circles have two pairs of conjugate imaginary intersection points, where the two conjugate imaginary intersections collinear with the infinite point of the plane of the space circle are the ring points. In the image plane, the image of the ring point is obtained according to the collinearity of the image of the ring point and the vanishing point of the image, and the three images provide three sets of circular point images. Finally, the intrinsic parameters of the camera are solved by using the image of the circle point as the constraint of the absolute two - order image. The concrete steps include fitting the mirror contour projection equation and the target projection equation, estimating the ball image, determining the image of the ring point, and solving the parameters of the catadioptric camera.

【技术实现步骤摘要】
利用单个球及平行圆性质标定拋物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及平行圆的性质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。抛物折反射摄像机由一个抛物镜面和一个正交摄像机组成，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4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，并且该标定方法只能标定抛物折反射摄像机的部分内参数。文献“Identicalprojectivegeometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandsphereimageswithapplicationstocalibration”，（YingX.,ZhaH.,InternationalJournalofComputerVision,vol.78,no.1,pp.89-105,2008）介绍了修正绝对二次曲线的像（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抛物折反射摄像机内参数的方法，该靶标由空间中一个球构成。在求解抛物折反射摄像机内参数的过程中，需使用抛物折反射摄像机从不同的位置拍摄靶标的3幅图像线性求解出抛物折反射摄像机的5个内参数。本专利技术采用如下技术方案：用抛物折反射摄像机从不同的位置拍摄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抛物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，分别从3幅图像中提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球像的投影。其次，根据像点和其对拓像点的关系获得对拓像点，从而拟合出球像的对拓球像。在球像上取互异的两个点，并求出两个点的对拓像点。由对拓像点的定义和圆的性质，上述两组对拓像点提供一个影消点。在抛物折反射系统下，球第一次投影到单位视球上形成两个平行小圆。空间两个平行圆有两对共轭的虚交点，其中与空间圆所在的平面的无穷远点共线的两个共轭虚交点为圆环点。在像平面上根据圆环点的像与影消点的共线性获得圆环点的像，三幅图像提供三组圆环点的像。最后，利用圆环点的像对绝对二次曲线像的约束求解摄像机内参数。具体的步骤包括：拟合出镜面轮廓投影方程及靶标投影方程，估计球像的对拓球像，确定圆环点的像，求解抛物折反射摄像机内参数。1．拟合镜面轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用空间中的一个球及平行圆的性质标定抛物折反射摄像机内参数的方法，其特征在于由空间中的一个球作为靶标；在抛物折反射系统下，空间中的球在单位视球上的投影小圆和投影小圆的对拓圆是平行圆，有四个交点；利用球在抛物折反射摄像机下的成像特征及圆环点与无穷远点的共线性求解抛物折反射摄像机内参数；所述方法具体步骤包括：首先，用抛物折反射摄像机从不同的位置拍摄3幅含有球的图像，提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球的图像；其次，根据球的像点和其对拓像点的关系获得对拓像点，从而估计球像的对拓球像；在球像上取互异的两个点，并求得对拓像点，由对拓像点的定义，球像上的两个点所在的直线与对拓像点所在的直线交于影消点；在像平面上求解球像与对拓球像的两组共轭虚交点，再根据圆环点的像与影消点的共线性线性获得圆环点的像；最后，利用圆环点的像对绝对二次曲线像的约束求解摄像机内参数；1）确定圆环点的像在球

【技术特征摘要】
1.一种利用空间中的一个球及平行圆的性质标定抛物折反射摄像机内参数的方法，其特征在于由空间中的一个球作为靶标；在抛物折反射系统下，空间中的球在单位视球上的投影小圆和投影小圆的对拓圆是平行圆，有四个交点；利用球在抛物折反射摄像机下的成像特征及圆环点与无穷远点的共线性求解抛物折反射摄像机内参数；所述方法具体步骤包括：首先，用抛物折反射摄像机从不同的位置拍摄3幅含有球的图像，提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球的图像；其次，根据球的像点和其对拓像点的关系获得对拓像点，从而估计球像的对拓球像；在球像上取互异的两个点，并求得对拓像点，由对拓像点的定义，球像上的两个点所在的直线与对拓像点所在的直线交于影消点；在像平面上求解球像与对拓球像的两组共轭虚交点，再根据圆环点的像与影消点的共线性线性获得圆环点的像；最后，利用圆环点的像对绝对二次曲线像的约束求解摄像机内参数；1）确定圆环点的像在球在单位视球上的投影小圆上取互异的两个点和，用和分别表示和关于单位视球的中心的对称点，即对拓点，则点和在的关于单位...

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