一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法技术

本发明专利技术公开了一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，具体步骤为：首先，建立简化双远心镜头成像模型；其次，求解单应性矩阵左上角2

【技术实现步骤摘要】
一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法


[0001]本专利技术本专利技术属于计算机视觉领域，具体涉及一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法。

技术介绍

[0002]立体视觉在非接触式三维测量中起着至关重要的作用。非接触式三维测量使用两台相机或多视图来实现视觉合成、地形测量、变形检测等应用。在对精度要求较高的小物体的三维测量中，需要减小镜头的工作距离，以达到小视场和大数值孔径的目的。远心透镜经常用于基于视觉图像的测量应用。它们可以为小视场测量提供光路。远心特性确保在有效景深范围内，该镜头提供固定尺寸、更高分辨率和更低失真的成像。这些特性对显微视场下的三维测量具有重要意义。
[0003]为了方便地利用Schiempflug条件来提高多视点三维传感的成像质量，通过建立物体的三维坐标点与相机传感器之间的直接映射关系。基于镜头的成像模型中，Schiempflug表示为主体平面、镜头片面和影像平面相交于一条直线。传统方法，利用这个定律，可以通过安装一个倾斜传感器来倾斜透镜前面的物体表面，从而显著地扩展清晰成像区域的轴向分布。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于在Schiempflug条件下实现双远心镜头的标定，本专利技术提出了一个双远心镜头简化的成像模型，并提出了不需要求解旋转和倾斜角度的标定方法。
[0005]本专利技术的技术方案如下：一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，步骤如下：步骤一：建立Schiempflug双远心相机的成像模型的简化成像模型；步骤二：求解单应性矩阵左上角2
×
2数值，根据外参单位正交性建立内参方程组，非线性优化求解内参方程组；步骤三：结合单应性矩阵求解外参，排除外参歧义性。
[0006]优选的，步骤一中，Schiempflug双远心相机的成像模型为：通过在理想双远心相机成像模型中添加一个旋转矩阵，可将倾斜的传感器成像坐标与理想的非倾斜成像坐标关联起来。最终在理想远心成像模型中，图像点q(u，v)与目标点P(x，y，z)的最终关系为:H＝A
m
R
t
是新的单应矩阵，式(1)的A
m
中存在一个偏移量(u0，v0)，直接把相机坐标系的原点O
C
设置为像素坐标的原点(u，v)。
[0007]优选的，步骤一中，简化成像模型为：
在固有参数标定过程中不考虑镜头畸变，(u0，v0)可以设置为任意值，将传感器的第一个像素作为(u0，v0)，通过传感器平面Π绕其第一个像素旋转两个角度α和β，得到垂直平面Π
p
，镜头的本征矩阵变成：t
x
和t
y
改变以符合新O
C
，成像模型变成：
[0008]优选的，步骤二具体为：标定板以特定姿势放置，获取标定图案后，利用椭圆拟合函数提取N个圆标记点的中心坐标，提取的中心坐标记为p
c
:p
c1
(u
c1
，v
c1
),p
c2
(u
c2
，v
c2
),
…
,p
cN
(u
cN
，v
cN
)，相应地每次标定姿势的世界坐标系由其特征点确定，这些特征点的三维坐标分布为P
c
:P
c1
(x
c1
，y
c1
，0),P
c2
(x
c2
，y
c2
，0),
…
,P
cN
(x
cN
，y
cN
，0)，每个点的z
c
为0，因此P
c
被缩短为R
t
被缩短为为将标定图案的成像模型进一步简化为：其中，
[0009]优选的，步骤二中，双远心镜头的相机参数计算，分为如下三步：第一步，计算单应性矩阵；求解H
S
中的h
11
,h
12
,h
21
,h
22
，每个特征点的世界坐标(x
c
，y
c
)与其在图像中的像素坐标(u
c
，v
c
)之间的关系提供了两个方程，标定图中各点所提供的方程可以形成一个方程系统，如式(12)所示，H
S
中的所有变量都可以用最小二乘法直接求解：
第二步，根据旋转矩阵的单位正交性求解j,k,l；首先，将旋转参数r
11
,r
12
,r
21
,r
22
表示为h
11
,h
12
,h
21
，h
22
与j,k,l之间的关系，表示为：因此，然后使用R的单位正交性，即将式(14)代入式(15)，能够得到：即：在S(s1，s2，s3，s4)中有四个未知数:s1＝j2k2,s2＝k2+l2,s3＝j2,s4＝jl，至少需要四组标定图像来求解S，求解S后，得到包含三个未知内参数的四个方程，j,k,l的符号根据S(s1，s2，s3，s4)来确定，j,k,l的初值通过以下计算：L
‑
M算法的目标函数F
opt
是：
其中F＝[j2k2，k2+l2，j2，jl]T
和S＝[s1
，
s2，s3，s4]T
；第三步，从j,k,l得到α和β；由公式(11)，得出：求解式(20)，得到旋转角度α，由式(11)得到β。
[0010]优选的，步骤三具体为：获取内在参数后，各标定图案的R2×2(r
11
,r
12
,r
21
,r
22
)由式(14)计算，R是单一和正交的，R的剩余元素通过以下公式再获得：利用平移台在世界坐标系Z轴上提供一个已知的平移位移z
d
，从而可以确定r
13
和r
23
的符号，与位移前获取的图像一起，确定r
13
和r
23
的符号。
[0011]本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术提出了不需要求解旋转和倾斜角度的标定方法，，实现了在Schiempflug条件下实现双远心镜头的标定。
附图说明
[0012]图1为实施例中Schiempflug条件下双远心镜头的简化成像模型及其标定方法的流程图。
[0013]图2为实施例中Schiempflug下双远心镜头的坐标系。
[0014]图3为实施例中Schiempflug下双远心相机(u0，v0)为0的坐标系。
[0015]图4为实施例中实验过程中标定板捕获的五幅图像及提取的标记物。
[0016]图5为实施例中实验过程中五个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：建立Schiempflug双远心相机的成像模型的简化成像模型；步骤二：求解单应性矩阵左上角2
×
2数值，根据外参单位正交性建立内参方程组，非线性优化求解内参方程组；步骤三：结合单应性矩阵求解外参，排除外参歧义性。2.根据权利要求1所述的双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，其特征在于，步骤一中，Schiempflug双远心相机的成像模型为：通过在理想双远心相机成像模型中添加一个旋转矩阵，可将倾斜的传感器成像坐标与理想的非倾斜成像坐标关联起来。最终在理想远心成像模型中，图像点q(u，v)与目标点P(x，y，z)的最终关系为：H＝A
m
R
t
是新的单应矩阵，式(1)的A
m
中存在一个偏移量(u0，v0)，直接把相机坐标系的原点O
C
设置为像素坐标的原点(u，v)。3.根据权利要求2所述的双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，其特征在于，步骤一中，简化成像模型为：在固有参数标定过程中不考虑镜头畸变，(u0，v0)可以设置为任意值，将传感器的第一个像素作为(u0，v0)，通过传感器平面П绕其第一个像素旋转两个角度α和β，得到垂直平面П
p
，镜头的本征矩阵变成：t
x
和t
y
改变以符合新O
C
，成像模型变成：4.根据权利要求1所述的双远心镜头的简化成像模型及其标定方法，其特征在于，步骤二具体为：标定板以特定姿势放置，获取标定图案后，利用椭圆拟合函数提取N个圆标记点的中心坐标，提取的中心坐标记为p
c
：p
c1
(u
c1
，v
c1
)，p
c2
(u
c2
，v
c2
)，
…
，p
cN
(u
cN
，v
cN
)，相应地每次标定姿势的世界坐标系由其特征点确定，这些特征点的三维坐标分布为P
c
：P
c1
(x
c1
，y
c1
，0)，P
c2
(x
c2
，y
c2
，0)，
…
，P
cN
(x
cN
，y
cN
，0)，每个点的z
c
为0，因此P
c
被缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：左超，张晓磊，沈德同，
申请(专利权)人：南京理工大学智能计算成像研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：