二维平面迭代的相机标定法制造技术

本发明专利技术公开了一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，在二维视觉测量的摄像机标定方法基础上得到摄像机内参数后，将标定平面绕世界坐标系原点OW旋转一定的角度，再次对内参数进行求解，直到相邻两次求得的参数小于一定的阈值。最后建立最优化目标函数，利用Levenberg‑Marquardt算法对标定结果进行优化。与传统的基于二维视觉测量标定方法相比，考虑了拍摄过程中镜头的畸变，提高了摄像机标定精度。

【技术实现步骤摘要】
二维平面迭代的相机标定法
本专利技术涉及一种二维平面迭代的相机标定法，属于视觉导航

技术介绍
摄像机标定是视觉系统中一个重要的问题，也是无人驾驶依靠视觉定位导航实现自主驾驶的一个关键技术，在SLAM、三维重建以及视觉里程计中都有广泛的应用。但是在现有的技术中，在拍摄过程中镜头大都是会发生略微的畸变，这就会是的摄像机的标定精度偏低，从而整体影响视觉系统的准确度。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种二维平面迭代的相机标定法，考虑了拍摄过程中镜头的畸变，提高了摄像机标定精度。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，包括如下步骤：1)建立摄像机坐标系和世界坐标系，并建立摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系矩阵；2)采集工作平面的图像；3)将工作平面内的任意两点的空间坐标和与其像点的图像坐标代入转换关系矩阵，求得摄像机的内参数；4)绕Z轴转动工作平面，旋转α角度，并计算世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵R；5)将工作平面旋转一定角度后，重复以上过程，重新求得摄像机的内参数，直到相邻两次计算得到的摄像机内参数之差小于阈值，停止计算，然后求取最后两次实验数据的平均作为最后的结果；6)优化步骤5)的处理结果，在标定过程中使用的n幅图像，从每幅图像上获取的特征点的数量为m，建立如下的最优化目标函数其中，Min为相机的内参数矩阵，k为径向畸变因子，Ri为第i幅标定图像与相机之间的旋转矩阵，ti为第i幅标定图像与相机之间的平移向量，pij为特征点Pj在第i幅标定图像上形成的实际像点，而是Pj在标定出来的内参数和第i幅标定图像所在的外参数所获得的摄像机模型下形成的虚拟像点。前述的一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：在摄像机光轴中心建立摄像机坐标系，摄像机坐标系ZC轴方向平行于摄像机光轴，并以从摄像机到景物的方向为主方向，摄像机坐标系XC轴方向取图像坐标沿水平增加的方向为正方向；世界坐标系原点OW选择摄像机光轴中心线与工作平面的交点，Xw为点在世界坐标系X方向的坐标，Yw为点在世界坐标系Y方向的坐标，ZW轴方向与摄像机坐标系ZC轴方向相同，XW轴方向与摄像机坐标系XC轴方向相同；摄像机的位置和内外参数固定，有旋转矩阵R＝I，R为摄像机的外参旋转矩阵，I为3阶单位矩阵，当摄像机坐标系与世界坐标系按上述方法设定时，外参旋转矩阵R和单位矩阵I相等，平移矩阵p＝[0,0,d]T，d是摄像机坐标系中的光轴中心OC到工作平面的距离；根据图像像素坐标系下像点的坐标与世界坐标系中空间点的坐标的关系：其中，图像像素坐标系下像点坐标(u,v)分别代表该像素点在图像中的列数和行数，s为常数因子，R为相机的外参旋转矩阵，t为相机的外参平移向量。前述的一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，所述步骤2)的具体步骤为：获得标定图像后，对图像进行预处理；通过阈值分割进行二值化处理，得到一幅二值图像；利用二值图像像素值的特点获取工作平面内的各点在图像中的像素坐标。前述的一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，所述步骤5)中的阈值根据摄像机应用场景事先设定。前述的一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，所述步骤6)中的最优化目标函数利用Levenberg-Marquardt算法对进行优化，最终得到精度较高的摄像机内参数标定结果。本专利技术所达到的有益效果：本方法将拍摄过程中镜头畸变考虑到计算中，从而提高了摄像机标定精度。附图说明图1是发生畸变的摄像机成像模型示意图；图2是单目二维视觉测量的坐标系示意图；图3是旋转后的工作平面示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本方法是在二维视觉测量的摄像机标定方法基础上得到摄像机内参数后，将标定平面绕世界坐标系原点OW旋转一定的角度，再次对内参数进行求解，直到相邻两次求得的参数小于一定的阈值。最后建立最优化目标函数，利用Levenberg-Marquardt算法对标定结果进行优化。图1中的各点含义入下：OW、XW、YW、ZW表示世界坐标系的原点以及坐标轴，OC、XC、YC、ZC表示摄像机坐标系的原点以及坐标轴，O1、X、Y表示成像平面坐标系，P(XW、YW、ZW)表示点P在世界坐标系下的坐标，P(XC、YC、ZC)表示点P在摄像机坐标系下的坐标，POZ(0、0、ZW)表示点P在OCZC轴上的投影，Pu(Xu、Yu)表示点P在成像平面上的理想成像点，Pd(Xd、Yd)表示点P在成像平面上的实际成像点。具体步骤如下：1)建立摄像机坐标系和世界坐标系，并建立摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系矩阵：在摄像机光轴中心建立摄像机坐标系，ZC轴方向平行于摄像机光轴，并以从摄像机到景物的方向为主方向，XC轴方向取图像坐标沿水平增加的方向为正方向；世界坐标系原点OW选择摄像机光轴中心线与工作平面的交点，ZW轴方向与ZC轴方向相同，XW轴方向与XC轴方向相同；摄像机的位置和内外参数固定，有旋转矩阵R＝I，平移矩阵p＝[0,0,d]T，d是光轴中心OC到工作平面的距离；根据图像像素坐标系下像点的坐标与世界坐标系中空间点的坐标的关系：图像像素坐标系下像点坐标(u,v)分别代表该像素点在图像中的列数和行数，s为常数因子，R为相机的外参旋转矩阵，t为相机的外参平移向量。2)采集工作平面的图像：获得标定图像后，对图像进行预处理，消除拍摄过程中因为光照变化或其他因素产生的噪音；通过阈值分割进行二值化处理，得到一幅二值图像；利用二值图像像素值的特点获取工作平面内的各点在图像中的像素坐标。3)将工作平面内的任意两点(点1和点2)的空间坐标和与其像点的图像坐标代入转换关系矩阵，求得摄像机的内参数，求解结果为：kx表示u方向上的尺度因子，ky表示v方向上的尺度因子，u0、v0表示点在图像像素坐标系(u、v坐标系)下的坐标，d是摄像机坐标系中的光轴中心OC到工作平面的距离，(u1,v1)表示点1在图像像素坐标系(u、v坐标系)下的坐标，(u2,v2)表示点2在图像像素坐标系(u、v坐标系)下的坐标，(XW1,YW1)表示点1在世界坐标系下的坐标，(XW2,YW2)表示点2在世界坐标系下的坐标。4)绕Z轴转动工作平面，旋转α角度，如图3所示，并计算世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵R，5)将工作平面旋转一定角度后，重复以上过程，重新求得摄像机的内参数，直到相邻两次计算得到的摄像机内参数之差小于阈值(阈值根据摄像机应用场景事先设定)，停止计算，然后求取最后两次实验数据的平均作为最后的结果；6)优化步骤5)的处理结果，在标定过程中使用的n幅图像，从每幅图像上获取的特征点的数量为m，建立如下的最优化目标函数：其中，pij为特征点Pj在第i幅标定图像上形成的实际像点，而是Pj在标定出来的内参数和第i幅标定图像所在的外参数所获得的摄像机模型下形成的虚拟像点。最优化目标函数利用Levenberg-Marquardt算法对进行优化，最终得到精度较高的摄像机内参数标定结果。以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术技术原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，包括如下步骤：1)建立摄像机坐标系和世界坐标系，并建立摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系矩阵；2)采集工作平面的图像；3)将工作平面内的任意两点的空间坐标和与其像点的图像坐标代入转换关系矩阵，求得摄像机的内参数Min；4)绕世界坐标系中的Z轴转动工作平面，旋转α角度，并计算世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵R；5)将工作平面旋转一定角度后，重复以上过程，重新求得摄像机的内参数，直到相邻两次计算得到的摄像机内参数之差小于阈值，停止计算，然后求取最后两次实验数据的平均作为最后的结果；6)优化步骤5)的处理结果，在标定过程中使用的n幅图像，从每幅图像上获取的特征点的数量为m，建立如下的最优化目标函数

【技术特征摘要】
1.一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，包括如下步骤：1)建立摄像机坐标系和世界坐标系，并建立摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系矩阵；2)采集工作平面的图像；3)将工作平面内的任意两点的空间坐标和与其像点的图像坐标代入转换关系矩阵，求得摄像机的内参数Min；4)绕世界坐标系中的Z轴转动工作平面，旋转α角度，并计算世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵R；5)将工作平面旋转一定角度后，重复以上过程，重新求得摄像机的内参数，直到相邻两次计算得到的摄像机内参数之差小于阈值，停止计算，然后求取最后两次实验数据的平均作为最后的结果；6)优化步骤5)的处理结果，在标定过程中使用的n幅图像，从每幅图像上获取的特征点的数量为m，建立如下的最优化目标函数其中，Min为相机的内参数矩阵，k为径向畸变因子，Ri为第i幅标定图像与相机之间的旋转矩阵，ti为第i幅标定图像与相机之间的平移向量，pij为特征点Pj在第i幅标定图像上形成的实际像点，而是Pj在标定出来的内参数和第i幅标定图像所在的外参数所获得的摄像机模型下形成的虚拟像点，||·||表示矩阵范数。2.根据权利要求1所述的一种二维平面迭代的相机标定法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：在摄像机光轴中心建立摄像机坐标系，摄像机坐标系ZC轴方向平行于摄像机光轴，并以从摄像机到景物的方向为主方向，摄像机坐标系XC轴方向取图像坐标沿水平增加的方向为正方向；世界坐标系原点OW选择摄像机光轴中心线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘德辉，曾庆喜，邱文旗，吕查德，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32