一种变焦摄像机标定方法技术

一种变焦摄像机标定方法，属于机器视觉中摄像机标定领域。本发明专利技术对变焦摄像机成像过程及相关参数进行了建模，并提出了变焦过程中摄像机主点位置不变的约束条件。利用这一约束条件，提出了基于变焦图像序列的标定方法以获得摄像机主点的准确位置。针对变焦摄像机焦距标定问题，提出含附加约束条件的自标定法。仿真试验和实际标定试验结果表明，本发明专利技术提出的方法具有较高的精度，可以在实际标定任务中加以使用。

【技术实现步骤摘要】
一种变焦摄像机标定方法
本专利技术属于机器视觉中摄像机标定领域，涉及一种变焦摄像机标定方法。
技术介绍
在航空航天等领域中，新的机型和系统的研发通过需要通过对空中目标的三维姿态进行测量以获得滚转角、俯仰角和偏航角以及飞行距离等指标参数。这些参数对于分析评价飞行器的运动特性和对系统性能进行进一步的改进具有重大意义。一般情况下，飞行器的三维姿态可通过高精度陀螺仪，加速度表等构成的惯性测量平台或者GPS等装置获取。但是部分情况下这些仪器仪表不能够安装在被测物体上，或者可能失效，此时一种可行的方法是使用高速摄像机等设备对物体进行跟踪拍摄，通过视觉测量的方法获取物体的姿态、距离信息。为保证测量和跟踪的精度，需要使被测物体在所拍摄的图像中占据足够大的面积。为实现这一目标，拍摄设备通常使用变焦摄像机，拍摄过程中通过计算机控制摄像机焦距及对准方向，保持被测物体位于图像中间位置，并具有足够的大小和清晰度。摄像机标定是视觉测量过程中必须进行的基础步骤。摄像机内部参数即主点在像面中的位置，摄像机的等效焦距，摄像机的畸变系数等均可通过标定获得。标定结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变焦摄像机标定方法，其特征在于，步骤如下：/n步骤一、建立变焦摄像机成像模型/n对于定焦摄像机模型：/n令从空间一点到某一平面的中心投影为摄像机坐标系的原点，考虑摄像机坐标系中z＝f平面，该平面被称为像平面或焦平面；在摄像机模型下，空间一在摄像机坐标系下坐标为X＝(X,Y,Z)

【技术特征摘要】
1.一种变焦摄像机标定方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、建立变焦摄像机成像模型
对于定焦摄像机模型：
令从空间一点到某一平面的中心投影为摄像机坐标系的原点，考虑摄像机坐标系中z＝f平面，该平面被称为像平面或焦平面；在摄像机模型下，空间一在摄像机坐标系下坐标为X＝(X,Y,Z)T的物点被映射到连接该物点与摄像机中心的直线与像平面的交点上；
设C是摄像机中心，像平面被置于摄像机中心前方，p是摄像机的主轴和摄像机像平面的交点，被称为主点；摄像机中心位于世界坐标系的中心；此时根据图像中的相似变换关系得出由三维坐标系中的点到二维图像点的映射关系为：



其中(px,py)T为主点在摄像机像平面坐标系下的坐标；将三维点坐标及二维点坐标改用齐次坐标表示，此时，摄像机成像模型简化表示为：
x＝K[I|0]X(2)
其中：



K被称为标定矩阵，该矩阵仅与摄像机自身的参数有关，而和摄像机在三维空间中的具体位置、朝向无关；因此K也被称为摄像机内部参数矩阵；当采取三维空间中摄像机坐标系以外的坐标系为世界坐标系时，世界坐标系和摄像机坐标系之间存在着平移和旋转的关系；设是世界坐标系中一点的非齐次坐标表示，是该点在摄像机坐标系下的非齐次坐标表示，那么这两坐标之间物点坐标的转换关系如下：



结合摄像机坐标系下的目标成像模型，最终定焦摄像机的成像模型表示为



其中，是摄像机坐标系的原点；中X是世界坐标系中物点坐标；式(5)是针孔摄像机模型下，物点坐标到图像坐标的表示；令则矩阵P共有9个自由度；摄像机标定矩阵K有3个，旋转矩阵R有3个，摄像机坐标系原点在世界坐标系中的坐标有3个；K中的3个参数被称为摄像机内部参数；R和表示了摄像机在世界坐标系下的朝向和位置，被称为摄像机外部参数；
对于变焦摄像机：
在摄像机变焦过程中，其空间位置及方向不变，仅内部参数变化；摄像机变焦过程中，所有内部参数均表示为变焦参数z，对焦参数F和光圈参数A的函数；即：



其中，fx(z,F,A)、fy(z,F,A)均表示等效焦距，s(z,F,A)表示畸变参数，u0(z,F,A)、v0(z,F,A)均表示主点坐标，变焦参数z表示镜头变焦过程中采用传感器直接获取的相关参数；摄像机径向畸变系数表示为r1＝r1(z,F,A),r2＝r2(z,F,A)；不考虑摄像机畸变的情况下，变焦摄像机成像模型表示为下式：



其中K(z,F,A)为摄像机内部参数矩阵；R为旋转矩阵，I为单位矩阵，为摄像机中心在世界坐标系中的位置；X＝(X,Y,Z)T为物点在世界坐标系中的坐标；
变焦摄像机模型与一般摄像机的成像模型相比；仅摄像机内部参数及畸变参数随着摄像机变焦对焦和调整光圈发生变化；
变焦摄像机的标定过程包括对成像模型公式中的畸变参数s(z,F,A),等效焦距fx(z,F,A),fy(z,F,A)以及主点坐标ux(z,F,A),vy(z,F,A)进行标定；变焦摄像机的标定过程不同于定焦摄像机，这些参数均为变焦参数z的函数，而非固定值；
步骤二、变焦摄像机主点位置的标定
在式(7)所表示的变焦摄像机成像模型中，主点位置(u0,v0)根据日常使用场景中的变化程度视其为常量，不会随摄像机焦距的改变而变化；主点位置标定过程中，直接固定摄像机位置，通过调整摄像机焦距获得若干幅图像，提取出每一幅图像中的特征点，则图像中同一特征点坐标的轨迹应为一直线，采用最小二乘法用直线拟合各特征点的轨迹；此时摄像机缩放中心即为特征点轨迹的交点；
采用光束平差法对各项参数进行优化求解，具体如下：
摄像机变焦过程中其位置和方向并未改变，因此认为世界坐标系与摄像机坐标系重合；摄像机成像模型简化为：



此处Xj为物点与摄像机中心的连线在摄像机坐标系下的方向向量；K(zi)为对应于第i幅图像的摄像机内部参数矩阵；为物点Xj在第i幅图...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙忠海，王小凌，耿莽河，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21