一种鱼眼镜头内部参数自标定方法技术

本发明专利技术提出一种鱼眼镜头内部参数自标定方法,该方法包括：建立鱼眼成像模型并获得待标定的鱼眼镜头内部参数；根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束建立标定方程；利用鱼眼图像有效区域椭圆轮廓边界及空间直线在鱼眼图像上的投影椭圆弧段信息给出待标定的鱼眼镜头内部参数初值并迭代求解标定方程获得标定参数的最小二乘估计。本发明专利技术以空间直线在水平面的理想投影椭圆约束为基础建立标定方程估计鱼眼镜头内部参数，标定计算不涉及相机外部参数，不仅避免了过参数化问题，其标定参数更精确地表征球面透视投影模型，且标定计算形式、过程统一、精度高，可灵活应用于单视、多视条件。

A Self-calibration Method for Internal Parameters of Fisheye Lens

The invention provides a self-calibration method for internal parameters of fisheye lens. The method includes: establishing fisheye imaging model and obtaining internal parameters of fisheye lens to be calibrated; establishing calibration equation according to ideal projection ellipse constraint of spatial straight line on horizontal plane; using ellipse contour boundary of effective area of fisheye image and projection ellipse segment information of spatial straight line on fisheye image to be calibrated. The initial values of the internal parameters of fisheye lens are determined and the least square estimation of the calibration parameters is obtained by solving the calibration equation iteratively. The method establishes calibration equation to estimate the internal parameters of fisheye lens based on the ideal projection ellipse constraint of spatial straight line on the horizontal plane. The calibration calculation does not involve the external parameters of the camera. The problem of over-parameterization is avoided. The calibration parameters can more accurately represent the spherical perspective projection model, and the calibration calculation form, process and accuracy are unified. The method can be flexibly applied to single-view and multi-view strips. Pieces.

【技术实现步骤摘要】
一种鱼眼镜头内部参数自标定方法
本专利技术涉及计算机视觉、数字摄影测量领域，具体涉及一种鱼眼镜头内部参数自标定方法。
技术介绍
鱼眼镜头具有视角广阔(接近甚至超过180°)、信息量丰富、体积小等优点，是发展轻、小型全方位视觉系统的理想光学传感器，在安全监控、机器人导航、全景泊车等众多领域有极其广泛的应用前景。然而，由于镜头焦距短、视场大特点以及光学原理约束，鱼眼图像存在严重畸变，使用前需将其转换成符合人眼视觉习惯的平面透视投影图像，其前提是获得与鱼眼镜头光学成像模型相联系的一套高精度参数。鱼眼镜头通常由10组以上、甚至多达几十组的光学镜片复杂组合而成，光路计算十分困难，传统的鱼眼镜头标定算法多以球面投影模型来表征其光学成像过程，并通过获取人工标定参照物的标定影像来解算模型参数，如直接利用三维控制点信息及DLT模型迭代求解空间参数，或以二维靶标为标定参照物，先根据靶标点在世界坐标系、球面坐标系及鱼眼图像坐标系下的坐标映射关系获得参数初值，再综合利用空间直线位置特性及其投影特性进行非线性优化，等等，但高精度、大范围三维标定场建造较复杂、造价高且需不断维护，二维靶标虽应用灵活、成本低，但需移动靶标位置来获得鱼眼图像不同区域的标定影像且要求具有特殊模式(如非等间距的点阵、棋盘格)；另一方面，基于人工标定参照物的传统鱼眼镜头标定算法往往引入数量较多的外部参数，存在过参数化问题，不准确的外部参数初始值极易使优化陷入局部最优，其它以鱼眼图像纠正为目的的参数标定方法，如经纬矫正、多项式矫正，虽标定参数计算过程简单、复杂度低，但精度不高且无法获得鱼眼镜头等效焦距等参数，不利于量测信息的获取。低成本、超宽视角鱼眼镜头在众多领域的广泛采用促使寻求精度高、操作简单、对实施条件依赖小的鱼眼镜头标定方法以解决多应用环境下的鱼眼图像量测需求，从这一角度出发，仅依靠场景自身特征信息实现参数解算的鱼眼镜头自标定方法，将具有更为广阔的市场应用前景。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种鱼眼镜头内部参数自标定方法。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种鱼眼镜头内部参数自标定方法，该方法包括：建立鱼眼成像模型并获得待标定的鱼眼镜头内部参数；根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束建立标定方程；利用鱼眼图像有效区域椭圆轮廓边界及空间直线在鱼眼图像上的投影椭圆弧段信息给出待标定的鱼眼镜头内部参数初值并迭代求解标定方程获得标定参数的最小二乘估计。可选地，所述获得待标定的鱼眼镜头内部参数，具体包括：空间坐标变换，将世界坐标系下任一空间点PW，经旋转和平移空间坐标变换，转换为相机坐标系下的点PC；单位球面映射，将点PC沿射线OCPC方向映射为单位球面上的点PS；球面投影，将点PS正投影到一个与鱼眼镜头主光轴垂直的固定平面，从而获理想投影点Pm(xm,ym)，像素坐标变换，利用相机内部参数将理想投影点坐标变换到鱼眼图像像素坐标；从理想投影点到鱼眼图像像素的坐标变换关系为：(u-u0)*(1+k1r2+k2r4)＝Af*xm,(v-v0)*(1+k1r2+k2r4)＝f*ymr2＝(u-u0)2+(v-v0)2其中：(u,v)为鱼眼图像实际像素坐标,(u0,v0)为相机主点坐标，f为相机等效焦距，A为纵横比，k1,k2为径向畸变系数，参数(u0,v0,f,A,k1,k2)为待标定的鱼眼镜头内部参数。可选地，所述根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束包括：①不同空间直线在球面透视投影下水平面投影椭圆，其椭圆中心为投影球心，长半轴a恒等于投影球面半径Rg，短半轴b长度则与过球心、空间直线的空间平面法线方向相关；②对同一空间直线而言，投影球面半径大小改变仅使其投影椭圆长、短半轴产生等比例缩放。可选地，所述标定方程为：其中，b为椭圆短半轴，γ为椭圆长轴与坐标X轴旋转角。可选地，通过以下方式迭代求解标定方程：其中，表示误差方程最小二乘平差结果，所述误差方程V为：其中，为给定的参数初值；为方程系数，是非线性函数E在给定参数初值下的偏导数；(du0,dv0,dk1,dk2,dA,df,db,dγ)为方程未知数，是非线性函数E的参数增量。如上所述，本专利技术的一种鱼眼镜头内部参数自标定方法，具有以下有益效果：本专利技术以空间直线在水平面的理想投影椭圆约束为基础建立标定方程估计鱼眼镜头内部参数，标定计算不涉及相机外部参数，不仅避免了过参数化问题，其标定参数更精确地表征球面透视投影模型，且标定计算形式、过程统一、精度高，可灵活应用于单视、多视条件；适用于场景内任一空间直线并与直线方向、位置、长度无关，不依赖于特定的标定参照物模式及其量测信息，对于具有大量平行直线的人工场景可实现自标定，应用方式灵活，具有良好的应用前景和价值。附图说明为了进一步阐述本专利技术所描述的内容，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本专利技术的范围的限定。图1是本专利技术实施例的鱼眼镜头内部参数自标定方法结构图；图2是本专利技术实施例的鱼眼成像阶段示意图；其中(a)空间变换过程，(b)正交投影过程；图3是本专利技术实施例的空间直线单位球面投影示意图；图4是本专利技术实施例的单位球面投影下的鱼眼图像有效像素区域；其中(a)表示椭圆轮廓边界位于视野之内，(b)表示部分椭圆轮廓边界位于视野之外；图5是本专利技术实施例的鱼眼图像及其边缘图椭圆轮廓(弧)检测示意图；其中：(a),(c),(e)为用于测试的网上鱼眼图像，(b),(d),(f)为鱼眼图像边缘图上检测出的椭圆轮廓(弧)；图6是本专利技术实施例的鱼眼镜头单视标定迭代计算过程图；其中：(a)，(b)，(c)，(d)分别为对应于网上鱼眼图像的鱼眼镜头参数(f,A,k1,k2)迭代估计结果，(e)为迭代估计精度结果；图7是本专利技术实施例的网上鱼眼图像标定参数纠正测试结果图；其中(a)为本专利技术方法标定参数下的鱼眼图像平面纠正(立方盒)视觉效果，(b)法国知名图像软件DXO的鱼眼图像局部区域平面纠正视觉效果。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。如图1所示，本实施例提供了一种新的鱼眼镜头内部参数自标定方法，该方法基于球面透视投影原理，首先建立鱼眼成像模型并给出待标定的鱼眼镜头内部参数，再根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束建立标定方程，最后利用鱼眼图像上的椭圆轮廓(弧)信息给出待标定的鱼眼镜头内部参数初值并迭代求解标定方程获得标定参数的最小二乘估计。如图2(a)所示，于一实施例中，鱼眼成像模型采用球面透视投影原理，整个成像过程经过四个阶段从空间点变换到鱼眼图像像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鱼眼镜头内部参数自标定方法，其特征在于，该方法包括：建立鱼眼成像模型并获得待标定的鱼眼镜头内部参数；根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束建立标定方程；利用鱼眼图像有效区域椭圆轮廓边界及空间直线在鱼眼图像上的投影椭圆弧段信息给出待标定的鱼眼镜头内部参数初值并迭代求解标定方程获得标定参数的最小二乘估计。

【技术特征摘要】
1.一种鱼眼镜头内部参数自标定方法，其特征在于，该方法包括：建立鱼眼成像模型并获得待标定的鱼眼镜头内部参数；根据空间直线在水平面的理想投影椭圆约束建立标定方程；利用鱼眼图像有效区域椭圆轮廓边界及空间直线在鱼眼图像上的投影椭圆弧段信息给出待标定的鱼眼镜头内部参数初值并迭代求解标定方程获得标定参数的最小二乘估计。2.根据权利要求1所述的一种鱼眼镜头内部参数自标定方法，其特征在于，所述获得待标定的鱼眼镜头内部参数，具体包括：空间坐标变换，将世界坐标系下任一空间点PW，经旋转和平移空间坐标变换，转换为相机坐标系下的点PC；单位球面映射，将点PC沿射线OCPC方向映射为单位球面上的点PS；球面投影，将点PS正投影到一个与鱼眼镜头主光轴垂直的固定平面，从而获理想投影点Pm(xm,ym)，像素坐标变换，利用相机内部参数将理想投影点坐标变换到鱼眼图像像素坐标；从理想投影点到鱼眼图像像素的坐标变换关系为：(u-u0)*(1+k1r2+k2r4)＝Af*xm,(v-v0)*(1+k1r2+k2r4)＝f*ymr2＝(u-u0)2+(v-v0)2其中：(u,v)为鱼眼图像实际像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，黄明益，张永军，彭智勇，邓仕杰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45