分离圆的公共自极三角形及正交消失点标定针孔摄像机制造技术

本发明专利技术涉及一种利用分离圆的公共自极三角形及正交消失点标定针孔摄像机的方法。首先，分别从这一幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得圆像方程。根据任意两个分离圆像都有唯一的公共自极三角形，可以得到这一对分离圆像的一组对应的极点与极线。同时这条极线是经过这两个圆的圆心的像，且这个极点是一个消失点。消失点关于分离圆像有一条极线，这条极线经过圆心的像与圆像交与两个点，利用两交点与圆心的像以及这条极线方向上的消失点调和共轭的性质可以得到圆心的像以及消失点，得到的两个消失点是一组正交消失点。那么六幅图像可以得到六组正交消失点，从而利用正交消失点与绝对二次曲线的像的约束求解针孔摄像机内参数。

【技术实现步骤摘要】
分离圆的公共自极三角形及正交消失点标定针孔摄像机
本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用平面上的分离圆的公共自极三角形及正交消失点求解针孔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。针孔摄像机成像模型简单，制作方便，不需要一些特殊的镜面，是全景视觉领域研究的热点之一。文献“Analgorithmforself-calibrationfromseveralviews”，(R.Hartley.,InProc.IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,pages908–912,June1994.)提出了一种针孔摄像机自标定方法，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“Aneweasycameracalibrationtechniquebasedoncircularpoints”，(Meng,X.,Hu,Z.,PatternRecognition,2003,36(5):1155-1164.)提出在针孔摄像机下以一个圆以及过圆心的若干支线作为标定模板，该方法的优点是可以线性求解得到影消点，但是不能直接得到圆环点的像，并且还会有多余的直线，从而产生更大的误差。“Cameracalibrationfromthequasi-affineinvarianceoftwoparallelcircles”，(Wu,Y.,Zhu,H.,Hu,Z.,etal.，ComputerVision-ECCV2004.SpringerBerlinHeidelberg,2004:190-202.)提出了利用平行圆的类仿射不变性标定针孔摄像机，求解两个圆的交点进而得到圆环点的像，进而求解内参数。但是在获得圆环点的像时，需要分析不同的情况判断。圆作为一种在生活中十分常见的几何图形，与无穷远元素有着密切的联系，并且它的投影轮廓线可全部提取。由于圆具有丰富的视觉几何特性，因此利用圆进行摄像机标定已成为近年来的一个热点。文献“Thecommonself-polartriangleofconcentriccirclesanditsapplicationtocameracalibration”，(HaifeiHuang,HuiZhangv,Yiu-mingCheung.IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,pp.4065-4072,2015)提出了利用同心圆标定针孔摄像机。他们提出了同心圆具有一个公共自极三角形，利用配极原则得到消失线与圆心的像，利用圆环点的像与绝对二次曲线的像的约束标定摄像机。文献“Thecommonself-polartriangleofseparatecircles:propertiesandapplicationstocameracalibration”，(HaifeiHuang,HuiZhang,Yiu-mingCheung.IEEEInternationalConferenceonImageProcessing,pp.1170-1174,2016)介绍了任意两个相交圆都有一个公共自极三角形，那么在分离圆的情况下，两个圆相交与两对共轭虚点，其中有一对为圆环点，那么就可以根据公共自极三角形的性质得到一个消失点，三个分离圆就可以得到两消失点，从而得到消失线，进而标定针孔摄像机。文献“DeterminingIntrinsicandPoseParametersofCamerabasedonConcentricCircles”，(ZhuBin.InternationalConferenceonDigitalManufacturing&Automation,2010.)运用同心圆中一条直径上的交比不变性求解得到消失点，利用消失线与圆像的交点得到圆环点的像从而得到摄像机内参数。文献“Alinearapproachfordeterminingcameraintrinsicparametersusingtangentcircles”，(Chen,Xu,Zhao,Yue.MultimediaToolsandApplications,pp.5709-5723,2015.)利用三个正切圆的关系求解得到三个圆心的像，利用一个切点的像和对应的直径上的像点结合交比不变性求解得到一个消失点，同时根据两条平行切线获得另外一个消失点，从而线性求解内参数。
技术实现思路
本专利技术提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的用于求解针孔摄像机内参数的靶标，该靶标由空间中的一对分离圆构成。在求解针孔摄像机内参数的过程中，需使用针孔摄像机拍摄靶标的六幅图像便可线性求解出针孔摄像机的5个内参数。本专利技术采用如下技术方案：用针孔摄像机从不同的位置拍摄六幅含有一对分离圆的图像。本专利技术是利用平面上的一对分离圆作为靶标用于求解针孔摄像机内参数的方法。首先，分别从这一幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得圆像方程。根据任意两个分离圆像都有唯一的公共自极三角形，可以得到这一对分离圆像的一组对应的极点与极线。同时这条极线是经过这两个圆的圆心的像，且这个极点是一个消失点。消失点关于分离圆像有一条极线，这条极线经过圆心的像与圆像交与两个点，利用两交点与圆心的像以及这条极线方向上的消失点调和共轭的性质可以得到圆心的像以及消失点，得到的两个消失点是一组正交消失点。那么六幅图像可以得到六组正交消失点，从而利用正交消失点与绝对二次曲线的像的约束求解针孔摄像机内参数。具体的步骤包括：拟合靶标投影方程，获得分离圆像的公共极点与极线，求该极点对于圆像的极线，利用两交点与圆心的像以及这条极线方向上的消失点调和共轭的性质可以得到圆心的像以及消失点，确定绝对二次曲线的像，求解针孔摄像机内参数。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靶标投影方程。2.得到公共极点设Oc-xcyczc为摄像机坐标系，Ow-xwywzw为世界坐标系，设平面π上的圆C在针孔摄像机模型下的成像为像平面π'上的圆像c。则圆C上任意一点A与圆像c上的像点mA满足mA＝Kc[R|t]A，其中R和t分别为摄像机坐标系与世界坐标系之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用分离圆的公共自极三角形及正交消失点标定针孔摄像机的方法，其特征在于由平面上的一对分离圆作为靶标；所述方法的具体步骤包括：首先，分别从这一幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得圆像方程；根据任意两个分离圆像都有唯一的公共自极三角形，以得到这一对分离圆像的一组对应的极点与极线；同时这条极线是经过这两个圆的圆心的像，且这个极点是一个消失点；消失点关于分离圆像有一条极线，这条极线经过圆心的像与圆像交与两个点，利用两交点与圆心的像以及这条极线方向上的消失点调和共轭的性质以得到圆心的像以及消失点，得到的两个消失点是一组正交消失点；那么六幅图像以得到六组正交消失点，从而利用正交消失点与绝对二次曲线的像的约束求解针孔摄像机内参数；(1)得到公共极点设Oc‑xcyczc为摄像机坐标系，Ow‑xwywzw为世界坐标系，设平面π上的圆C在针孔摄像机模型下的成像为像平面π'上的圆像c；则圆C上任意一点A与圆像c上的像点mA满足mA＝Kc[R|t]A，其中R和t分别为摄像机坐标系与世界坐标系之间的变换关系的旋转矩阵和平移向量；若令以Oc为光心的摄像机的内参数矩阵为

【技术特征摘要】
1.一种利用分离圆的公共自极三角形及正交消失点标定针孔摄像机的方法，其特征在于由平面上的一对分离圆作为靶标；所述方法的具体步骤包括：首先，分别从这一幅图像中提取靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得圆像方程；根据任意两个分离圆像都有唯一的公共自极三角形，以得到这一对分离圆像的一组对应的极点与极线；同时这条极线是经过这两个圆的圆心的像，且这个极点是一个消失点；消失点关于分离圆像有一条极线，这条极线经过圆心的像与圆像交与两个点，利用两交点与圆心的像以及这条极线方向上的消失点调和共轭的性质以得到圆心的像以及消失点，得到的两个消失点是一组正交消失点；那么六幅图像以得到六组正交消失点，从而利用正交消失点与绝对二次曲线的像的约束求解针孔摄像机内参数；(1)得到公共极点设Oc-xcyczc为摄像机坐标系，Ow-xwywzw为世界坐标系，设平面π上的圆C在针孔摄像机模型下的成像为像平面π'上的圆像c；则圆C上任意一点A与圆像c上的像点mA满足mA＝Kc[R|t]A，其中R和t分别为摄像机坐标系与世界坐标系之间的变换关...

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