一种基于双一维靶标的摄像机标定方法技术

本发明专利技术公开一种基于双一维靶标的摄像机标定方法，该方法包括以下步骤：设置两个随意放置的一维靶标；摄像机从不同角度拍摄靶标图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立世界坐标系；分别对拍摄的靶标图像进行畸变校正后，求解摄像机内部参数和外部参数。采用本发明专利技术的标定方法，以两个一维靶标作为标定物，在摄像机的视场区域任意放置两个一维靶标后，从不同角度拍摄靶标图像，对每幅靶标图像只需提取三个或三个以上特征点即可进行摄像机内外参数标定，无需辅助设备、操作简单，且能提高摄像机标定精度、扩大摄像机标定范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机视觉技术，具体涉及一种基于双一维靶标的摄像机标定 方法。
技术介绍
摄像机标定是计算机视觉以及摄影测量学中的一个重要而关键的问题，所 谓摄像机标定就是指确定摄像机图像像素与对应场景点之间的位置关系，具体为根据摄像机模型，由已知特征点的图像坐标和世界坐标求解摄像机模型的 内部参数和外部参数。早期R.Y. Tsai在文章 "An efficient and accurate camera calibration technique for 3D machine vision, Proc. of IEEE Conference of Computer Vision and Pattern Recognition, pp364-374， 1986"中提出了基于结构已知的三维标定物的摄像机标 定方法，采用该标定方法虽然能够得到比较高的标定精度，但是三维标定物在 制作上难度较大，所以该方法在工程中的应用受到限制。Z. Zhang在"A flexible new technique for camera calibration, IEEE Trans, on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11): ppl330-1334， 2000"中提出了基 于平面耙标的摄像机标定方法，该方法通过拍摄平面靶标在两个以上不同位置 的图像，在不需要知道平面靶标与摄像机之间相对运动参数的情况下便可以进 行摄像机标定，但是采用该标定方法进行摄像机标定时，标定精度在很大程度 上依赖于平面靶标的精度，而摄像机标定一般又要求靶标在视场中占有尽量大 的面积，当测量范围比较大时，大尺度、高精度的平面靶标制作比较困难，且 精度很难保障，从而会导致标定精度降低。由于一维标定物具有构造简单、易于加工、不存在自身遮挡等特点，并且 在大视场测量应用中，加工一个大尺寸的一维靶标要比加工一个同等尺度的二维平面靶标或三维靶标要容易得多。所以，基于一维靶标的摄像机标定方法逐 渐成为人们关注的热点。Z. Zhang 在 "Camera calibration with one-dimensional objects, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2004, VOL 26, NO. 7, 892~899"中提出了一种基于一维靶标的摄像机标定方法，采用该标定方法进行 摄像机标定时，需要固定一维靶标的一端，拍摄多幅一维靶标任意转动的图片 进行标定，然而这一点在工程上难以精确地得以实现，操作繁瑣且会影响标定 精度。吴福朝等在"Camera calibration with moving one-dimensional objects. Pattern Recognition, 2005， 38(5), 755~765"中提出了 一种基于平面运动的一维耙 标标定方法，但其中平面运动的实现依赖于运动平台的支持，即釆用该标定方 法进行摄像机标定需要辅助设备。王亮等在"基于一维标定物的多摄像机标定， 自动化学报，第33卷，第3期，2007， 225 231"中提出了一种利用做任意刚 体运动的一维靶标进行摄像机标定的标定方法，但该标定方法只适用于标定多 摄像机，而不能标定单摄像机。可以看出，现有技术中，基于一维靶标的摄像机标定方法虽然在大视场测 量的摄像机标定中具有许多优势，但仍存在标定精度较低、操作繁瑣、需要辅 助设备、标定范围有限等不足。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于双一维靶标的摄像机标定 方法，能够提高标定精度、扩大标定范围、无需辅助设备，且操作简单。 为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的 ，该方法包括a、 设置两个随意放置的一维靶标；b、 摄像机从不同角度拍摄靶标图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的 摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立世界坐标系；c、 分别对拍摄的耙标图像进行畸变校正后，求解摄像机内部参数和外部参数。步骤c之后，该方法进一步包含对摄像机内部参数和外部参数进行非线 性优化得到摄像机内部参数和外部参数的最优解。步骤b所述拍摄的靶标图像至少包含两个一维靶标，且每个一维靶标至少 包含三个共线的特征点。步骤b所述建立世界坐标系为以摄像机第一个拍摄位置的摄像机坐标系 作为世界坐标系。步骤c所述求解摄像机内部参数为分别求取每幅靶标图像畸变校正后两 个一维乾标特征点所在直线的消影点的坐标；根据两个一维靶标在空间上夹角 不变，结合所得到的消影点的坐标求解摄像机内部参数。步骤c所述求解摄像机外部参数为cl、任选一幅乾标图像，利用一维靶标特征点所在直线的消影点的坐标、畸变校正后靶标图像中两端点特征点的坐标以及两端点特征点间的空间距离，求得 一 维靶标两端点特征点在摄像机坐标系下的坐标；c2、获取两个一维乾标端点特征点在世界坐标系下的坐标；c3、根据同名坐标统一法求得摄像机拍摄步骤cl所述靶标图像时所处位置下，世界坐标系到摄像机坐标系的变换矩阵，作为摄像机在该位置时的外部参数。所述对摄像机内外部参数进行非线性优化为建立以摄像机内部参数、外 部参数以及两个一维靶标相对位置为参数的目标函数；以步骤c求得的摄像机 内部参数和外部参数为初值，优化得到摄像机内部参数和外部参数的最优解。本专利技术提供的基于双一维靶标的摄像机标定方法，以两个一维靶标作为标 定物，在摄像机的视场区域任意放置两个一维靶标，从不同角度拍摄靶标图像, 对每幅靶标图像只需提取三个或三个以上特征点便可进行摄像机内外参数标 定，无需辅助设备、操作简单，且提高了标定精度、扩大了标定范围。图l为本专利技术基于双一维靶标的摄像机标定方法流程图；图2为一维靶标结构示意图； 图3为本专利技术标定原理示意图；图4、图5、图6分别为摄像机拍摄的三幅靶标图像。具体实施方式本专利技术的基本思想是以两个一维靶标作为标定物，在摄像机的视场区域 任意放置两个一维靶标，从不同角度拍摄靶标图像，对每幅靶标图像只需提取 三个或三个以上特征点进行摄像机内外参数标定。下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明。附图说明图1为本专利技术基于双一维靶标的摄像机标定方法流程图，如图l所示，本 专利技术基于双 一 维靶标的摄像机标定方法包括以下步骤步骤ll:设置两个随意放置的一维靶标。这里，所述一维靶标即标志点共线的直线型靶标，图2为一维靶标结构示 意图，如图2所示，其上设置有3 10个圆点标记，圆点直径为3 20mm，精度 为0.001 0.01mm，圆点中心为特征点，各个特征点共线。步骤12:摄像机从不同角度拍摄靶标图像，分别建立摄像机在不同拍摄位 置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立世界坐标系。这里，摄像机拍摄的靶标图像需要包含两个一维靶标，且每个一维靶标至 少包含三个共线的特征点。图3为本专利技术标定原理示意图，如图3所示，根据摄像机的摆放位置建立 摄像机坐标系化-xjA及摄像机的图像平面坐标系o - w 。建立世界坐标系时，可以以摄像机在任一拍摄位置下的坐标系为世界坐标 系，不失一般性，本专利技术取摄像机在第一个拍摄位置下的摄像机坐标系作为世 界坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双一维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，该方法包括：ａ、设置两个随意放置的一维靶标；ｂ、摄像机从不同角度拍摄靶标图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立世界坐标系；ｃ、分别对 拍摄的靶标图像进行畸变校正后，求解摄像机内部参数和外部参数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙军华，张广军，吴子彦，杨珍，魏振忠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]