多相机系统的相机外参数标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多相机系统的相机外参数标定方法，解决了现有方法中存在的三维精确标定物制作困难、多相机外参数标定过程效率低且有累积误差的问题。其实现包括：拟合得到各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵；求解三个球心在相机坐标系中的非齐次坐标；以三个球心所在平面和球心位置建立三个球心同平面的世界坐标系；求解多个相机在三个球心共平面的世界坐标系中的外参数，两个坐标系重合，完成多相机系统中的各个相机的外参数标定。本发明专利技术快速、简便、精确计算多个相机在同一世界坐标系下的外参数。不需要更多转换，没有累积误差，相机外参数标定精度高。用于图像测量、三维重建、无人机导航等领域中。

【技术实现步骤摘要】
多相机系统的相机外参数标定方法
本专利技术属于计算机视觉
，主要涉及空间目标定位和摄影测量，具体是一种多相机系统的相机外参数标定方法。应用于图像测量、无人机导航、三维重建等领域。
技术介绍
相机标定是从二维图像中恢复物体三维几何结构信息的基本步骤。目前，已经提出了多种相机标定方法。相机标定分为相机内参数标定与相机外参数标定，相机内参数描述的是相机内部几何构造参数，而相机外参数描述的是相机坐标系与建立的世界坐标系之间的旋转、平移关系。目前，相机标定方法主要有：一类是相机自标定方法。这种方法不采用标定物进行标定，只通过图像之间的对应约束关系，完成相机的标定。此种方法标定步骤简单，自动化程度较高。但是目前还不是十分成熟，主要问题是相机标定的精度较低。还有是基于标定物的标定。这种方法一般采用已知几何信息的标定物进行标定，早期的相机标定方法采用比较精确的三维标定物体，此类方法标定结果精确度高，但是三维标定物体的制作过程比较困难。随后有人又提出基于二维平面标定板的经典标定方法，该方法标定结果精确度高且标定物制作过程较简单。但是随着越来越多的多相机系统的应用，由于平面标定板对不同方位的相机不能同时可见，邻近的相机可以同时看到同一个平面标定板，可标定出相机相对于该平面标定板的外参数，来描述相机坐标系和建立的世界坐标系之间的旋转、平移关系；而相邻间距较大的相机就不能同时可视一块平面标定板，不能标定出相对于同一个标定板的外参数，需要通过相邻相机之间的位置转换关系获得在统一世界坐标系下的外参数。所以在多相机系统的相机外参数标定中，平面标定法，标定过程较繁琐、标定速度较慢、具有运算累积误差影响相机外参数的标定精度。针对多相机标定的问题，目前虽然也有一些基于圆球标定物的相机标定方法。但主要是通过研究圆球投影的几何性质例如圆球投影与绝对二次曲线投影之间的关系、圆球投影的对偶与绝对二次曲线的对偶之间的关系等，建立约束方程，完成相机的内参数标定，或者根据前人得到的基于圆球的相机标定方法，搭建实验环境对相机进行标定，然后分析圆球用于相机标定的存在的实际限制问题，给出一些有意义的结论。但是上述基于圆球的相机标定方法和研究，主要研究的是相机内参数标定方法，很少涉及多相机系统的相机外参数标定方法。国内外对多相机系统的相机外参数标定方法研究主要集中于内参数的标定，多相机系统的相机外参数标定是目前一个急需解决的实际问题。综上，现有关于多相机系统的外参数标定方法中，采用精确三维标定物的方法，存在标定物制作较困难、特征点匹配困难的问题；采用二维平面标定物的方法，需要把多相机系统中的各相机相对不同世界坐标系中的相机外参数，转化为相对同一世界坐标系的相机参数，会造成多相机系统的相机外参数标定过程较繁琐、标定效率较低、运算累积误差直接影响相机外参数的标定精度。目前关于多相机系统的外参数的标定，尚没有一种标定过程效率高、计算过程简便、同时标定精度较高的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多相机系统的相机外参数的标定方法，旨在解决现有多相机外参数标定方法存在标定过程复杂，存在累积误差的问题。本专利技术是一种多相机系统的相机外参数标定方法，其特征在于，所述多相机系统相机外参数标定方法包括有如下步骤:(1)拟合得到各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵：内参数已知的多个相机构成多相机系统，多相机从各自的视角对在三个不同空间位置半径已知的圆球进行拍摄，通过亚像素边缘检测算法得到圆球投影的边缘点，拟合得到多相机系统中各个相机的拍摄圆球投影的二次曲线矩阵；(2)求解三个球心在相机坐标系中的非齐次坐标：根据拍摄圆球的投影几何关系，利用已知相机内参数、拍摄圆球半径和得到的拍摄圆球投影二次曲线矩阵，求解三个拍摄圆球球心在多相机系统中各个相机的相机坐标系中的非齐次坐标；(3)建立三个球心同平面的世界坐标系：利用三个拍摄圆球球心构成空间中的一个平面，将这个平面作为三维空间坐标系中的xoy平面，利用矢量分解，建立一个三球心同平面的世界坐标系，该坐标系以其中一个球心为原点，且该作为原点的球心和另外一个球心的连线为x轴，三个球心所在平面为xoy平面；(4)标定多相机系统中的各个相机的外参数：利用得到的三个拍摄圆球球心在各个相机坐标系下的非齐次坐标，建立以三个拍摄圆球球心所在平面为xoy平面的世界坐标系，将各相机坐标系经过旋转、平移与建立的三球心共平面的世界坐标系重合，得到多相机系统中的各个相机的外参数矩阵，完成多相机系统中的各个相机的外参数标定。本专利技术在多相机系统的相机外参数标定中，采用圆球作为标定物，圆球标定物制作简单，对相机外参数标定设施要求简单，直接得到各相机外参数相对同一个世界坐标系下的外参数，标定效率高、没有累积误差，相机外参数标定精度高。与现有技术相比，本专利技术的技术优势：一、本专利技术采用三个半径已知的圆球或一个半径已知的圆球作为标定物用于多相机系统中的相机外参数标定。本专利技术采用的圆球标定物不需要特殊制作，如可采用普通的乒乓球作为标定物，但是所采用圆球的精度，会影响到多相机系统的相机外参数的标定精度。二、本专利技术针对多相机系统中相机外参数的标定过程，其中的相机内参数是已知的，每个相机只需同时拍摄一幅三个半径已知的圆球图像或者一个半径已知的圆球在空间三个不同位置的三幅图像，就能够完成多个相机的外参数标定。多相机外参数标定过程操作简便。三、本专利技术在对多相机系统的相机外参数标定时，得到的各个相机的外参数是相对于同一三个球心同平面的世界坐标系。在多相机系统的相机外参数应用中如三维重建，常常需要先得到各相机相对不同世界坐标系的外参数，然后将相对不同世界坐标系的外参数转化为相对同一世界坐标系的外参数，本专利技术不需要把各个相机相对不同世界坐标系的外参数转化为同一世界坐标系的相机外参数的过程，也就是本专利技术将相机的外参数直接转换为相对同一世界坐标系的外参数。所以本专利技术不存在累积误差，运算过程简便，多相机的相机外参数标定精度高，标定速度快。附图说明图1是本专利技术多相机系统的相机外参数标定方法的流程图；图2是本专利技术的利用多相机对三个圆球进行拍摄的方位示意图；图3是本专利技术的空间圆球在图像平面上的投影关系示意图；图4是本专利技术的三球心共平面的世界坐标系示意图；图5是本专利技术的两个坐标系之间转化关系示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术详细说明实施例1在多相机系统的相机外参数标定方法中，现有的采用圆球作为标定物的方法中，很少涉及对多相机外参数的标定，而早期的方法需要采用精确的三维标定物，该方法的缺点的是需要采用精确的标定物，标定成本较高；采用平面为标定物的标定方法中，由于平面对于各个方向的多相机不能同时可见，所以需要先得到各相机相对不同世界坐标系的外参数，然后将相对不同世界坐标系的外参数转化为相对同一世界坐标系的外参数，计算过程繁杂，且具有累积误差。为此本专利技术提出一种标定物简单，标定效率高，没有累积误差、标定精度高的多相机系统的相机外参数标定方法，参见图1，本专利技术多相机系统相机外参数标定方法包括有如下步骤:(1)拟合得到多相机系统的各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵：内参数已知的多个相机，根据应用需要构成多相机系统，多相机从各自的视角，对在三个不同空间位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相机系统的相机外参数标定方法，其特征在于，所述多相机系统相机外参数标定方法包括有如下步骤:(1)拟合得到各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵：内参数已知的多个相机构成多相机系统，多相机从各自的视角对在三个不同空间位置半径已知的圆球进行拍摄，通过亚像素边缘检测算法得到圆球投影的边缘点，拟合得到多相机系统中各个相机的拍摄圆球投影的二次曲线矩阵；(2)求解三个球心在相机坐标系中的非齐次坐标：根据拍摄圆球的投影几何关系，利用已知相机内参数、拍摄圆球半径和得到的拍摄圆球投影二次曲线矩阵，求解三个拍摄圆球球心在多相机系统中各个相机的相机坐标系中的非齐次坐标；(3)建立三个球心同平面的世界坐标系：利用三个拍摄圆球球心构成空间中的一个平面，将这个平面作为三维空间坐标系中的xoy平面，利用矢量分解，建立一个三球心同平面的世界坐标系，该坐标系以其中一个球心为原点，且该作为原点的球心和另外一个球心的连线为x轴，三个球心所在平面为xoy平面；(4)标定多相机系统中的各个相机的外参数：利用得到的三个拍摄圆球球心在各个相机坐标系下的非齐次坐标，建立以三个拍摄圆球球心所在平面为xoy平面的世界坐标系，将各相机坐标系经过旋转、平移与建立的三球心同平面的世界坐标系重合，得到多相机系统中的各个相机的外参数矩阵，完成多相机系统中的各个相机的外参数标定。...

【技术特征摘要】
1.一种多相机系统的相机外参数标定方法，其特征在于，所述多相机系统相机外参数标定方法包括有如下步骤:(1)拟合得到各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵：内参数已知的多个相机构成多相机系统，多相机从各自的视角对在三个不同空间位置半径已知的圆球进行拍摄，通过亚像素边缘检测算法得到圆球投影的边缘点，拟合得到多相机系统中各个相机的拍摄圆球投影的二次曲线矩阵；(2)求解三个球心在相机坐标系中的非齐次坐标：根据拍摄圆球的投影几何关系，利用已知相机内参数、拍摄圆球半径和得到的拍摄圆球投影二次曲线矩阵，求解三个拍摄圆球球心在多相机系统中各个相机的相机坐标系中的非齐次坐标；(3)建立三个球心同平面的世界坐标系：利用三个拍摄圆球球心构成空间中的一个平面，将这个平面作为三维空间坐标系中的xoy平面，利用矢量分解，建立一个三球心同平面的世界坐标系，该坐标系以其中一个球心为原点，且该作为原点的球心和另外一个球心的连线为x轴，三个球心所在平面为xoy平面；(4)标定多相机系统中的各个相机的外参数：利用得到的三个拍摄圆球球心在各个相机坐标系下的非齐次坐标，建立以三个拍摄圆球球心所在平面为xoy平面的世界坐标系，将各相机坐标系经过旋转、平移与建立的三球心同平面的世界坐标系重合，得到多相机系统中的各个相机的外参数矩阵，完成多相机系统中的各个相机的外参数标定。2.如权利要求1所述的多相机系统的相机外参数标定方法，其特征在于：步骤(1)中拟合得到各相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵，包括有：多相机系统中的各个相机，从各自不同视角拍摄三个不同空间位置且半径已知的圆球图像，其中第i个相机对应的图像平面上，得到三个拍摄圆球投影边缘，采用亚像素边缘提取算法提取这三个拍摄圆球投影的边缘点，通过二次曲线拟合算法，得到第i个相机拍摄的三个圆球投影的二次曲线矩阵，依次记为其他相机，也按照第i个相机求解拍摄三个圆球投影的二次曲线方法，求解出各自相机拍摄圆球投影的二次曲线矩阵，最终得到多相机系统中各相机针对三个拍摄圆球投影的二次曲线矩阵。3.如权利要求1所述的多相机系统的相机外参数标定方法，其特征在于：步骤(2)所述的求解球心的非齐次坐标的具体步骤包括有：2.1明确空间圆球投影与相机内参数的关系：相机坐标系和世界坐标系的关系，相机坐标系的原点即为相机光心Oc,设世界坐标系的原点为Ow，该世界坐标系以Ow-XwYwZw表示，其中OwZw轴通过形成相机图像平面投影的空间投影圆球的球心，圆球球心记为O，直线OcO为世界坐标系的Z轴；空间圆球投影关系，该空间投影圆球在相机图像平面的投影为c，该投影c同时也是以相机光心Oc为顶点、且与空间投影圆球相切的正圆锥的投影，投影c视为该正圆锥底面的投影；记正圆锥底面的圆为C，其圆心记为O1，其半径记为rc，其所在平面记为II2，空间投影圆球球心O和正圆锥底面圆的圆心O1以及相机光心Oc在同一条直线上，且OcO1垂直正圆锥底面的圆C，记OcO1的距离为h；根据圆球投影关系、正圆锥底面圆C的方程以及平面II2与图像平面的单应关系，得到空间圆球投影二次曲线c与相机内参数K的关系为：其中相机内参数fx、fy分别表示相机图像平面的水平和垂直方向上的尺度因子，(u0,v0)表示相机主点的图像坐标，s表示相机的倾斜因子；R表示由世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；2.2获得空间投影圆球球心与相机光心之间的距离：根据圆球投影的几何关系，包括三角形相似关系，获得空间投影圆球球心O与相机光心Oc之间的距离d，由三角形的相似性得到空间投影圆球球心O与相机光心Oc之间的距离d为：其中d为相机光心Oc到空间投影圆球球心O的距离,rs为空间投影圆球的半径，rc为相机光心Oc和空间投影圆球形成的正圆锥的底面圆C的半径，其圆心记为O1，h为OcO1的距离；2.3求解空间投影圆球球心在相机坐标系下的非齐次坐标：利用圆球投影与相机内参数的关系，设矩阵A为再设矩阵M为其中R为旋转矩阵，且为单位正交矩阵，RRT＝E，根据矩阵理论，可知M为实对称矩阵，则通过矩阵正...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾静，李小平，张逸勇，邱世赟，布芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61