摄像机或照相机几何畸变的标定方法技术

一种摄像机或照相机几何畸变的标定方法，首先建立理想成像平面和实际成像平面之间，以及实际成像平面与像素坐标系之间的坐标变换关系，然后采集标定图像，提取直线上的像点，并通过坐标变换、解析求解和径向畸变的逆变换，将实际成像平面上的真实像点变换为理想成像平面上的无畸变理想像点，最后根据视场中同一条直线上的点在理想成像平面上的无畸变理想像点也应该位于一条直线上的原则，利用最优化原理求出摄像机或照相机的几何畸变参数。本发明专利技术具有标定参数相互独立、参数的物理意义具体明确等优点，可应用于摄像机或照相机的几何校准、摄像机标定、以及摄像机或照相机装配质量检验等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，可应用于摄像机或照相机所摄图像的几何校准、计算机立体视觉中的摄像机标定、以及摄像机或照相机镜头加工及装配质量检验。属于先进制造与自动化领域。
技术介绍
由于摄像机或照相机在元件加工和装配过程中的各种误差，拍摄的图像存在几何畸变。这种几何畸变不仅影响图像的视觉效果，而且影响计算机立体视觉中的摄像机标定精度。因此，摄像机或照相机几何畸变的标定是图像处理、计算机立体视觉，以及摄像机或照相机制造和检验中的重要问题。目前，摄像机或照相机几何畸变标定的方法有两大类。一类是基于光学仪器的方法，需要专门的仪器，不仅成本高，而且需要专业人员进行标定，限制了应用的普及性；另一类是基于图像的方法，不需要专门的仪器，只需要用摄像机或照相机拍摄标定靶标的几幅图像，通过计算就可以标定几何畸变。这种方法操作简单，便于普及应用。现有基于图像的方法都建立在理想成像平面上。目前较全面的一种标定方法(J.Weng.P.Cohen，and M.Herniou，Camera Calibration with Distortion Modelsand Accuracy Evaluation，IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence，vol.14，no.10，pp.965-980，Oct.1992)将摄像机或照相机的几何畸变分为径向畸变、离心畸变和薄棱镜畸变三种，分别由径向畸变系数、离心畸变系数和薄棱镜畸变系数表示。离心畸变和薄棱镜畸变既有径向分量，又有切向分量。这种方法的不足之处是1、径向畸变系数、离心畸变系数和薄棱镜畸变系数不互相独立，它们互相耦合；2、没有考虑畸变的具体物理来源，物理意义不明确；3、需要标定的畸变参数多，计算开销大，给标定带来困难。还有一些方法(例如Lili Ma，YangQuan Chen，and Kevin L.Moore，Flexiblecamera calibration using a new analytical radial undistortion formula withapplication to mobile robot localization，in IEEE International Symposium onIntelligent Control，Houston，USA，October 2003)认为径向畸变是主要部分，因而略去切向畸变，只考虑径向畸变，并利用多项式或其它数学函数拟合几何畸变。这些方法可以简化计算，但具有下列不足1、由于径向畸变和切向畸变是互相耦合的，虽然切向畸变是次要的，但只用径向畸变来拟合全部畸变必然使标定精度受到限制；2、主要从数学的角度进行拟合，不能说明畸变的实际物理来源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的，以解决摄像机或照相机几何畸变不易标定和畸变物理来源不明确的问题。本专利技术以光学器件加工和摄像机或照相机装配过程中导致几何畸变的物理成因为基础，提出的摄像机或照相机几何畸变标定方法建立在实际成像平面上。本专利技术的技术方案首先建立理想成像平面和实际成像平面之间，以及实际成像平面与像素坐标系之间的坐标变换关系，然后采集标定图像，提取直线上的像点，并通过坐标变换、解析求解和径向畸变的逆变换，将实际成像平面上的真实像点变换为理想成像平面上的无畸变理想像点，最后根据视场中同一条直线上的点在理想成像平面上的无畸变理想像点也应该位于一条直线上的原则，利用最优化原理求出摄像机或照相机的几何畸变参数。本专利技术的包括以下几个步骤1.建立理想成像平面坐标系和实际成像平面坐标系之间的变换关系以通用针孔摄像机模型中的图像坐标系作为理想成像平面坐标系，将该理想成像平面坐标系先绕x轴旋转一个角度，然后再绕y轴旋转一个角度而得到实际成像平面坐标系，可用上述绕x轴和y轴的旋转角确定的一个旋转矩阵表示实际成像平面坐标系和理想成像平面坐标系之间的变换关系。2.建立实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系根据像素坐标系原点在实际成像平面坐标系中的坐标，以及像素点在纵横两个方向的尺寸，可用一个线性变换表示实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系。3.采集标定点图像在视场中设置一系列直线，在不同的位置和角度拍摄这些直线的多幅图像，提取图象中属于直线上的点，这些点是实际成像平面上的真实像点。4.求真实像点在实际成像平面坐标系中的坐标根据步骤2)所建立的实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系，将步骤3)提取的真实像点的像素坐标转换为实际成像平面坐标系中的坐标。5.求真实像点在理想成像平面坐标系中的坐标连接透视投影中心和实际成像平面上真实像点的直线与理想成像平面相交，交点就是视场中的点在理想成像平面上的真实像点，根据步骤1)所建立的理想成像平面坐标系和实际成像平面坐标系之间的变换关系，通过解析方法可求出该真实像点在理想成像平面坐标系中的坐标。6.矫正畸变将理想成像平面上的真实像点坐标按通用的径向畸变公式进行逆变换，求出理想成像平面上的无畸变理想像点坐标。7.求畸变参数根据视野中同一条直线上的点在理想成像平面上的无畸变理想像点也应该位于一条直线上的原则，运用最优化原理求出表示几何畸变的参数，完成摄像机或照相机的几何畸变标定。与现有技术相比，本专利技术中这些表示几何畸变的参数相互独立，因而参数较少，给标定带来方便。另一方面，这些参数具有明确的物理意义径向畸变系数说明了几何畸变的主要物理来源，即镜头曲率偏差，坐标变换参数表示实际成像平面相对于理想成像平面的偏心和歪斜，是导致切向畸变的主要因素。这不仅可以给矫正畸变提供方向，而且可以用于光学器件的加工质量和摄像机或照相机的装配质量检测，指导生产、以提高质量。附图说明图1为采用本专利技术摄像机或照相机几何畸变标定方法的成像过程示意图。具体实施例方式为了更好地理解本专利技术的技术方案，以下结合附图和实施例，作进一步的详细描述。采用本专利技术方法进行标定的成像过程如图1所示，具体按如下步骤进行 1.建立理想成像平面坐标系和实际成像平面坐标系之间的变换关系以通用针孔摄像机模型中的图像坐标系作为理想成像平面坐标系oxyz，将该理想成像平面坐标系先绕x轴旋转一个角度θ，然后再绕y轴旋转一个角度ψ而得到实际成像平面坐标系OUVW，可用上述绕x轴和y轴的旋转角θ和ψ确定的一个旋转矩阵Rc表示实际成像平面坐标系和理想成像平面坐标系之间的变换关系Rc=cosψ0sinψsonθsonψcosθ-sinθcosψ-cosθsinψsinθcosθcosψ---(1)]]>由于θ和ψ很小，上式可简化为Rc=10ψ01-θ-ψθ1---(2)]]>2.建立实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系根据像素坐标系o′uv的原点o′在实际成像平面坐标系OUV中的坐标(u0，v0)，以及像素点在u和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摄像机或照相机几何畸变标定方法，其特征在于包括如下具体步骤：１）建立理想成像平面坐标系和实际成像平面坐标系之间的变换关系：以通用针孔摄像机模型中的图像坐标系作为理想成像平面坐标系，将该理想成像平面坐标系先绕ｘ轴旋转一个角度，然后再绕ｙ轴旋转一个角度而得到实际成像平面坐标系，用上述绕ｘ轴和ｙ轴的旋转角确定的一个旋转矩阵表示实际成像平面坐标系和理想成像平面坐标系之间的变换关系；２）建立实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系：根据像素坐标系原点在实际成像平面坐标系中的坐标，以及像素点在纵横两个方向的尺寸，用一个线性变换表示实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系；３）采集标定点图像：在视场中设置一系列直线，在不同的位置和角度拍摄这些直线的多幅图像，提取图象中属于直线上的点，这些点是实际成像平面上的真实像点；４）求真实像点在实际成像平面坐标系中的坐标：根据步骤２）所建立的实际成像平面坐标系与像素坐标系之间的变换关系，将步骤３）提取的真实像点的像素坐标转换为实际成像平面坐标系中的坐标；５）求真实像点在理想成像平面坐标系中的坐标：连接透视投影中心和实际成像平面上真实像点的直线与理想成像平面相交，交点就是视场中的点在理想成像平面上的真实像点，根据步骤１）所建立的理想成像平面坐标系和实际成像平面坐标系之间的变换关系，通过解析方法求出该真实像点在理想成像平面坐标系中的坐标；６）矫正畸变：将理想成像平面上的真实像点坐标按通用的径向畸变公式进行逆变换，求出理想成像平面上的无畸变理想像点坐标；７）求畸变参数：根据视野中同一条直线上的点在理想成像平面上的无畸变理想像点也应该位于一条直线上的原则，运用最优化原理求出表示几何畸变的参数，完成摄像机或照相机的几何畸变标定。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王建华，石繁槐，张婧，刘允才，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]