利用一条直线及帕斯卡定理标定拋物折反射摄像机的方法技术

本发明专利技术是利用利用一条直线及帕斯卡定理标定拋物折反射摄像机的方法。首先，分别从3幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得靶标方程。在线像上取三个点，根据帕斯卡定理及其推论获得关于圆环点的像的非线性方程，同时圆环点的像也位于线像上，从而联立方程获得关于圆环点的像的非线性方程组。利用牛顿迭代法求解方程组从而获得圆环点的像，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：拟合出靶标投影方程，得到关于圆环点的像的方程组，确定圆环点的像，求解抛物折反射摄像机内参数。

【技术实现步骤摘要】
利用一条直线及帕斯卡定理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条直线及帕斯卡定理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“Usingconcurrentlinesincentralcatadioptriccameracalibration”,(LeiZHANG,XinDU,Ji-linLIU,JournalofZhejiangUniversitySCIENCEC,vol.41,vol.12,issue3,pp239–249,2011)介绍了利用共点线和直线的性质提出了一个由繁化简的标定方法，将非线性最小化标定问题分成几个线性子问题，从而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。直线在空间中是很常见的，无需知道标定的直线和摄像机的位置关系，只利用线像标定摄像机。文献“Catadioptriccameracalibrationusinggeometricinvariants”，(YingX.,HuZ.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.26,no.10,pp.1260-1271,2004)首次提出了利用球或者直线标定中心折反射摄像机。在非退化情况下一条直线的投影二次曲线提供三个不变量。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。文献“Geometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandtheirapplicationincalibration”，(BarretoJ.,AraujoH.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,vol.27,no.8,pp.1327-1333,2005)研究了直线在中心折反射摄像机下的几何性质，根据射影不变性应用这些性质标定摄像机内参数，三条及其以上的直线就可完成摄像机内参数的标定。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。他们通过研究球或直线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。
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，该靶标由空间中一条直线构成。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拍摄靶标的3幅图像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幅含有一条直线的图像。本专利技术是利用空间中一条直线作为靶标用于求解抛物折反射摄像机内参数的方法。首先，分别从3幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得靶标方程。在线像上取三个点，根据帕斯卡定理及其推论获得关于圆环点的像的非线性方程，同时圆环点的像也位于线像上，从而联立方程获得关于圆环点的像的非线性方程组。利用牛顿迭代法求解方程组从而获得圆环点的像，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：拟合出靶标投影方程，得到关于圆环点的像的方程组，确定圆环点的像，求解抛物折反射摄像机内参数。1.拟合靶标投影方程利用Matlab程序中的Edge函数提取靶标图像边缘点的像素坐标，并用最小二乘法拟合获得线像的方程。2.关于圆环点的像的获取空间中的直线Q，在拋物折反射摄像机的单位球模型下的投影分为两步。第一步，以单位视球的球心O为中心，直线Q的投影是单位视球上的投影大圆Sn(n＝1,2,3表示拍摄的三幅图像)，简称大圆。第二步，以单位视球表面上的一点Oc为投影中心，这里Oc可看作一个摄像机的光心，将大圆Sn投影为抛物折反射图像平面上的二次曲线cn。抛物折反射图像平面与光轴OcO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用一条直线及帕斯卡定理标定拋物折反射摄像机的方法，其特征在于由空间中的直线作为靶标；所述方法的具体步骤包括：首先，分别从3幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得靶标方程；在线像上取三个点，根据帕斯卡定理及其推论获得关于圆环点的像的非线性方程，同时圆环点的像也位于线像上，从而联立方程获得关于圆环点的像的非线性方程组；利用牛顿迭代法求解方程组从而获得圆环点的像，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；(1)关于圆环点的像的获取空间中的直线Q，在拋物折反射摄像机的单位球模型下的投影分为两步；第一步，以单位视球的球心O为中心，直线Q的投影是单位视球上的投影大圆Sn，n＝1,2,3表示拍摄的三幅图像，简称大圆；第二步，以单位视球表面上的一点Oc为投影中心，这里Oc看作一个摄像机的光心，将大圆Sn投影为抛物折反射图像平面上的二次曲线cn；抛物折反射图像平面与光轴OcO垂直；令以Oc为光心的摄像机的内参数矩阵为

【技术特征摘要】
1.一种利用一条直线及帕斯卡定理标定拋物折反射摄像机的方法，其特征在于由空间中的直线作为靶标；所述方法的具体步骤包括：首先，分别从3幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得靶标方程；在线像上取三个点，根据帕斯卡定理及其推论获得关于圆环点的像的非线性方程，同时圆环点的像也位于线像上，从而联立方程获得关于圆环点的像的非线性方程组；利用牛顿迭代法求解方程组从而获得圆环点的像，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；(1)关于圆环点的像的获取空间中的直线Q，在拋物折反射摄像机的单位球模型下的投影分为两步；第一步，以单位视球的球心O为中心，直线Q的投影是单位视球上的投影大圆Sn，n＝1,2,3表示拍摄的三幅图像，简称大圆；第二步，以单位视球表面上的一点Oc为投影中心，这里Oc看作一个摄像机的光心，将大圆Sn投影为抛物折反射图像平面上的二次曲线cn；抛物折反射图像平面与光轴OcO垂直；令以Oc为光心的摄像机的内参数矩阵为其中rc是纵横比，fc是有效焦距，s是倾斜因子，[u0v01]T是摄像机主点o的齐次坐标矩阵形式，其中rc,fc,s,u0,v0为折反射摄像机的5个内参数；利用Matlab中的Edge函数提取3幅图像靶标图像边缘点的像素坐标，通过最小二乘法拟合得到相应的二次曲线方程；这里用cn分别表示第n，其中n＝1,2,3...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪雪纯，杨丰澧，赵越，胡光华，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53