利用球投影的对拓关系标定抛物折反射摄像机的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用球投影的对拓关系标定抛物折反射摄像机的方法，该方法充分利用标靶在单位球模型下的投影性质，其包括步骤：分别从3幅图像中提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点；根据像点与其对拓像点的关系获得对拓像点，且任意2对对拓点决定1个包含大圆的平面，由交比调和共轭性得到任意1对对拓点方向上的无穷远点，由此构造出无穷远直线；根据无穷远直线所在平面大圆上的2对对拓点计算出平行方向的无穷远点，通过交比调和共轭性和对拓关系计算出圆上另外2点，则利用这6点可以获得大圆方程；最后投影得到无穷远直线和大圆的像，从而得到圆环点的像。通过圆环点的像和摄像机内参数的关系求解得到摄像机参数。

Calibration of parabolic catadioptric cameras using pairwise extension relation of spherical projection

【技术实现步骤摘要】
利用球投影的对拓关系标定抛物折反射摄像机的方法
本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用球在单位球投影模型下的对拓性质标定抛物折反射摄像机的方法。
技术介绍
人工智能在视觉领域的发展要求计算机有更精确的从2维图像中识别、处理、应用空间中的3维信息。摄像机系统的标定是计算机视觉研究中基础的一步。标定方法的准确性，直接决定计算机视觉系统中三维分层重构的精确性。计算机标定就是需要利用2维的图像信息获得对应的3维空间信息，如根据图像信息进行测量对应3维信息，得到空间中物体的形状、位置、大小、运动姿态等信息，对应的就需要对摄像机系统中的参数进行测量，这个测量的过程就称为摄像机的标定。摄像机标定结果的准确性直接决定测量得到3维空间中物体信息与真实值之间的误差，比如需要得到3维空间中3维点的坐标，需要用到摄像机系统的主点和焦距，标定得到的主点和焦距的准确性决定了得到3维点的准确性，决定后续3维重构和3维测量结果的准确性。所以，提出准确合理的摄像机标定方法具有实际应用价值。中心折反射摄像机的成像模型应用最为普遍的是一般化的单位视球投影模型，这个模型由文献“CatadioptricProjectiveGeometry”，(GeyerC,DaniilidisK.,InternationalJournalofComputerVision,2001,45(3):223-243.)提出，并证明此模型把中心折反射系统成像过程等价为单位视球的两步投影。基于Geyer和Daniilidis提出的一般化投影模型，出现了许多关于中心折反射摄像机的标定方法，从标定类型上区分可以分为自标定和标定两类。另外，中心折反射摄像机系统下提出了许多基于标定标靶的标定方法：目前为止，除文献“Catadioptricself-calibration”，(Kang,S.B.,InProceedingsofIEEEInternationalConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,2000,1:201-207.)和文献“Epipolargeometryforcentralcatadioptriccameras”，(SobverT,PajdlaT.,InternationalJournalofComputerVision,2002,49(1):23–37.)提出的基于图像点之间的对应关系完成自标定的方法外，利用实体标定标靶提出中心折反射摄像机的标定方法可以分为三类。第一类为文献“Aflexibletechniqueforaccurateomnidirectionalcameracalibrationandstructurefrommotion”，(Scaramuzza,D.,Martinelli,A.,Siegwart,R.,InProceedingsofIEEEInternationalConferenceonComputerVisionSystems,2006:45-45.)提出的基于控制点的标定方法，通过建立2维图像平面与3维空间之间的单应矩阵，代数的方法完成摄像机的标定；第二类为文献“Geometricpropertiesofcentralcatadioptriclineimagesandtheirapplicationincalibration”，(BarretoJ,AraujoH.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2005,27(8):1327–1333.)提出的基于直线的标定方法，通过3条或5条直线的像在图像平面上的几何性质完成摄像机内参数以及镜面参数的求解；第三类为文献“Catadioptriccameracalibrationusinggeometricinvariants”，(YingX,HuZ.,IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2004,26(10):1260–1271.)中首次提出球像与摄像机内参数和提供的约束个数之间的关系。文献“Acalibrationmethodforparacatadioptriccamerafromsphereimages”，(DuanH,WuY.,PatternRecognitionLetters,2012,33(6):677–684.)利用空间球在一般化的单位视球模型下的成像性质完成标定，在此基础上文献“Cameracalibrationfromthequasi–affineinvarianceoftwoparallelcircles”，(WuY,ZhuH,HuZ,etal.,ProcofEuropeanConferenceofComputerVision,2004,3021:190–202.)中提出的空间球在单位视球模型上的平行对拓小圆得到图像平面上的对拓球像(可视球像与对拓球像)，利用对拓球像之间的关系完成标定。本文在此基础上，利用文献“高等几何”，(梅向明，刘增贤，北京：高等教育出版社，2008)中圆上交比的调和共轭性与对拓点知识，通过2对对拓点计算圆上另外对拓点，从而得到圆方程。再利用无穷远直线和圆之间的关系得到圆环点，由此获得3组圆环点的像，从而完成摄像机的标定。
技术实现思路
本专利技术提供了一种制作简单，普遍适用，稳定性好的空间球为标靶的标定抛物折反射摄像机的方法。该方法通过3副标靶图就可线性求解出摄像机的5个内参数.本专利技术采用如下技术方案：由抛物折反射摄像机从不同的角度拍摄得到3幅标靶图像。本专利技术是由空间中单个球作为标定标靶求解摄像机5个内参数的方法，其特征在于充分利用标靶在单位球模型下的投影性质：第一，分别从3幅图像中提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球像投影；第二，根据像点与其对拓像点的关系获得对拓像点，且任意2对对拓点决定1个包含大圆的平面，由交比调和共轭性得到任意1对对拓点方向上的无穷远点，由此构造出无穷远直线；第三，根据无穷远直线所在平面大圆上的2对对拓点计算出平行方向的无穷远点，通过交比调和共轭性和对拓关系计算出圆上另外2点，则利用这6点可以获得大圆方程；最后投影得到无穷远直线和大圆的像，从而得到圆环点的像。通过圆环点的像和摄像机内参数的关系求解得到摄像机参数。1.获得镜面轮廓和球像方程基于MATLAB平台，利用最小二乘法从Edge函数提取的镜面轮廓投影边缘点和靶标图像边缘点像素坐标拟合出镜面轮廓投影方程和球像方程。2.获得消失线单位球投影模型下，空间球Q在拋物折反射摄像机下的成像分为两步。第一步，球Q投影为单位视球上的平行小圆Sn+和Sn-(n＝1,2,3表示拍摄的第n幅图像)，其中一个可见(下标“+”表示)一个不可见(下标“-”表示)，M+和M-分别对应于平行小圆上的2个点，且为单位视球直径的2个端点。单位视球直径的两个端点为一对对拓点，则Sn+与Sn-为一对对拓平行小圆。第二步，通过单位视球表面的虚拟摄像机光心Oc把平行一对对拓小圆Sn+和Sn-投影到图像平面Π上，得到一对二次曲线Cn+和Cn-，其中称Cn-为可见二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用球投影的对拓关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于用空间中单个球作为求解摄像机5个内参数的标定标靶；所述方法包括步骤：第一，分别从3幅图像中提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球像投影；第二，根据像点与其对拓像点的关系获得对拓像点，且任意2对对拓点决定1个包含大圆的平面，由交比调和共轭性得到任意1对对拓点方向上的无穷远点，由此构造出无穷远直线；第三，根据无穷远直线所在平面大圆上的2对对拓点计算出平行方向的无穷远点，通过交比调和共轭性和对拓关系计算出圆上另外2点，则利用这6点以获得大圆方程；最后投影得到无穷远直线和大圆的像，从而得到圆环点的像；通过圆环点的像和摄像机内参数的关系求解得到摄像机参数；(1)获得消失线单位球投影模型下，空间球Q在拋物折反射摄像机下的成像分为两步；第一步，球Q投影为单位视球上的平行小圆Sn+和Sn‑，n＝1,2,3表示拍摄的第n幅图像，其中一个见到，下标“+”表示；一个见不到，下标“‑”表示；M+和M‑分别对应于平行小圆上的2个点，且为单位视球直径的2个端点；单位视球直径的两个端点为一对对拓点，则Sn+与Sn‑为一对对拓平行小圆；第二步，通过单位视球表面的虚拟摄像机光心Oc把平行一对对拓小圆Sn+和Sn‑投影到图像平面Π上，得到一对二次曲线Cn+和Cn‑，其中称Cn‑为见到二次曲线Cn+的对拓球像，图像平面Π与单位视球球心Ow所在直线OcOw垂直；设以Oc为光心的虚拟摄像机内参数矩阵为...

【技术特征摘要】
1.一种利用球投影的对拓关系标定抛物折反射摄像机的方法，其特征在于用空间中单个球作为求解摄像机5个内参数的标定标靶；所述方法包括步骤：第一，分别从3幅图像中提取镜面轮廓投影的边缘点和靶标图像边缘点，使用最小二乘法拟合获得镜面轮廓投影和球像投影；第二，根据像点与其对拓像点的关系获得对拓像点，且任意2对对拓点决定1个包含大圆的平面，由交比调和共轭性得到任意1对对拓点方向上的无穷远点，由此构造出无穷远直线；第三，根据无穷远直线所在平面大圆上的2对对拓点计算出平行方向的无穷远点，通过交比调和共轭性和对拓关系计算出圆上另外2点，则利用这6点以获得大圆方程；最后投影得到无穷远直线和大圆的像，从而得到圆环点的像；通过圆环点的像和摄像机内参数的关系求解得到摄像机参数；(1)获得消失线单位球投影模型下，空间球Q在拋物折反射摄像机下的成像分为两步；第一步，球Q投影为单位视球上的平行小圆Sn+和Sn-，n＝1,2,3表示拍摄的第n幅图像，其中一个见到，下标“+”表示；一个见不到，下标“-”表示；M+和M-分别对应于平行小圆上的2个点，且为单位视球直径的2个端点；单位视球直径的两个端点为一对对拓点，则Sn+与Sn-为一对对拓平行小圆；第二步，通过单位视球表面的虚拟摄像机光心Oc把平行一对对拓小圆Sn+和Sn-投影到图像平面Π上，得到一对二次曲线Cn+和Cn-，其中称Cn-为见到二次曲线Cn+的对拓球像，图像平面Π与单位视球球心Ow所在直线OcOw垂直；设以Oc为光心的虚拟摄像机内参数矩阵为其中fu，fv为摄像机在u轴和v轴方向上的尺度因子，摄像机主点坐标齐次坐标矩阵式p＝[u0v01]T，s为u轴和v轴方向的倾斜因子(也称畸变因子)，fu,fv,u0,v0,s为标定过程中需要求解的摄像机的5个内参数；利用最小二乘法从Edge函数提取的镜面轮廓投影边缘点和靶标图像边缘点像素坐标拟合出镜面轮廓投影方程和球像方程；设C0为第1幅图像镜面轮廓投影曲线的系数矩阵，通过C0获得摄像机内参数矩阵K的一个初始矩阵值K0，则由初始化内参数K0得到ω0；再利用方程通过成像点计算对拓像点下标j表示拍摄的第j幅图像，上标n＝1,2,3表示第取的第n个像点，“+,-”分别表示见到与见不到；根据投影模型，在S+和S-上任取2对对拓点M1+,M1-和M...

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