一种基于相机位置和两个标志点的相机外参数标定方法技术

本发明专利技术属于相机参数标定技术领域,一种基于相机位置和两个标志点的相机外参数标定方法,本发明专利技术在初始状态下的相机坐标系和世界坐标系之间的关系已知，通过几何约束和相机坐标系及世界坐标系的旋转，获取两个点的对应关系，并根据初始时刻相机坐标系和世界坐标系的旋转平移，旋转过程中的旋转角度，最终完成相机外参数标定。本发明专利技术适用于可提前获取相机位置的应用场景，如固定的监控相机，外场测量飞行器姿态的凝视相机，或者具有定位设备的相机等。等。等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相机位置和两个标志点的相机外参数标定方法

：
[0001]本专利技术属于相机参数标定
，具体涉及一种相机外参数标定方法。

技术介绍

[0002]P3P(perspective
‑3‑
point)问题就是利用视场中三个已知标志点及其在相机中的成像位置，求解相机坐标系与世界坐标系的旋转平移关系，即相机外参数。目前P3P算法有很多，这些算法利用内参数已知的相机，可以得到最多4组外参数解，通过第4个标志点及其成像位置，可消除多解问题，得到唯一解。目前的算法中，在求解外参数的同时，如果需要得到唯一解，至少需要4个标志点，而精确标志点的获取与维护需要耗费大量的人力物力，比如野外大风环境下，对飞行器姿态进行测量时，对相机需要提前标定就必须设置多个标志点，而野外大风环境标志点的设立带来严峻挑战。而降至3个标志点进行的相机外参数的标定存在有多解问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于相机位置和两个标志点的相机外参数标定方法，实现根据已知的2个标志点和相机位置，对相机进行外参数标定，解决现有技术中相机外参数标定至少需要3个标志点标定且存在多解的技术问题。
[0004]为达到上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0005]相机初始坐标系C
‑
X
c
Y
c
Z
c
与世界坐标系O
‑
XYZ表示如下，X
C
轴与X轴平行且同向，Y
C/>与Z轴平行且反向，Z
C
轴与Y轴平行且同向；P1、P2为标志点，p1、p2为标志点P1、P2在相机中的成像位置，相机位置C(x
0 y
0 z0)已知，两个标志点P1(x
1 y
1 z1)、P2(x
2 y
2 z2)已知，则标志点与相机成像位置对应关系为：
[0006][0007]步骤1、P1‑
p1‑
C三点共线的实现
[0008]根据初始相机位姿，首先对世界坐标系平移T，T＝[x
0 y
0 z0]T
，然后绕X轴旋转90
°
即可使世界坐标系与相机坐标系重合，因此，P1在相机坐标系下的坐标为
[0009]P1‑
c
＝R
ox
·
[P1‑
T]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]其中：
[0011][0012]根据成像关系，得到p1点在相机坐标系下的坐标为
[0013][0014]其中，(u
0 v0)为相机主点；d为像元大小；f为镜头焦距；外标定时，假设内参数已知，因此，上述参数也为已知量；
[0015]第一次相机绕Y
C
轴按如下角度转动：
[0016][0017]转动后使得和两个向量在平面Y
c
＝0的投影共线，并得到新的相机坐标系C
‑
X
c1
Y
c1
Z
c1
下P1点坐标为
[0018][0019]其中
[0020][0021]新的相机坐标系C
‑
X
c1
Y
c1
Z
c1
下p1点坐标p
1_c1
＝p
1_c
；
[0022]第二次相机绕X
c1
按如下角度转动：
[0023][0024]转动后使得和两个向量共线，完成P1‑
p1‑
C三点共线；
[0025]步骤2、P2‑
p2‑
C三点共线的实现
[0026]相机完成步骤1的转动变换后，得到新的相机坐标系C
‑
X
c2
Y
c2
Z
c2
，p2点在世界坐标系O
‑
XYZ下坐标为
[0027][0028]其中
[0029][0030][0031]建立一个新的世界坐标系O1‑
X1Y1Z1,其中，坐标系原点O1与C点重合，新的世界坐标系O1‑
X1Y1Z1各轴的单位方向向量如下:
[0032][0033]则P2点及p2点在新的世界坐标系O1‑
X1Y1Z1下的三维坐标分别为
[0034]P2‑
O1
＝R
O1
(P2‑
C)
[0035]p2‑
O1
＝R
O1
(p2‑
o
‑
C)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0036]其中，
[0037][0038]此时，固定相机位置不动，世界坐标系O1‑
X1Y1Z1绕X1轴转动，且坐标系O
‑
XYZ及P1、P2点跟随转动，此时，O1‑
X1Y1Z1、O
‑
XYZ及P1、P2点相对位姿关系不发生变化，仅与相机相对位姿发生改变；假设转动角度为α,α∈(0 360]，转动后世界坐标系O1‑
X1Y1Z1重新定义为O2‑
X2Y2Z2，坐标系O
‑
XYZ重新定义为O
’‑
X
’
Y
’
Z
’
，此时p2点在O2‑
X2Y2Z2下的坐标为
[0039]p2‑
O2
＝R
O2
·
p2‑
O1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0040]其中，
[0041][0042]为使转动后P2完成与p2的映射，转动角度满足以下条件：
[0043][0044]至此实现了P2‑
p2‑
C三点的共线。
[0045]步骤3、相机外参数的获取
[0046]根据步骤1、2完成两点映射后，相机坐标系C
‑
X
c2
Y
c2
Z
c2
与世界坐标系O
’‑
X
’
Y
’
Z
’
的旋转和平移关系确定，根据转换关系得到其在各坐标系下的坐标，由此得到相机外参数的代数表达如下：
[0047][0048][0049]至此，相机外参数标定完成。
[0050]本专利技术的有效收益
[0051]1、本专利技术在初始状态下的相机坐标系和世界坐标系之间的关系已知，通过几何约束和相机坐标系及世界坐标系的旋转，获取两个点的对应关系，并根据初始时刻相机坐标系和世界坐标系的旋转平移，旋转过程中的旋转角度，最终完成相机外参数标定。
[0052]2、本专利技术提出了一种基于相机位置和两个标志点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相机位置和两个标志点的相机外参数标定方法，其特征在于，相机初始坐标系C
‑
X
c
Y
c
Z
c
与世界坐标系O
‑
XYZ表示如下，X
C
轴与X轴平行且同向，Y
C
与Z轴平行且反向，Z
C
轴与Y轴平行且同向；P1、P2为标志点，p1、p2为标志点P1、P2在相机中的成像位置，相机位置C(x
0 y
0 z0)已知，两个标志点P1(x
1 y
1 z1)、P2(x
2 y
2 z2)已知，则标志点与相机成像位置对应关系为：步骤1、P1‑
p1‑
C三点共线的实现根据初始相机位姿，首先对世界坐标系平移T，T＝[x
0 y
0 z0]
T
，然后绕X轴旋转90
°
即可使世界坐标系与相机坐标系重合，因此，P1在相机坐标系下的坐标为P1‑
c
＝R
ox
·
[P1‑
T]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中：根据成像关系，得到p1点在相机坐标系下的坐标为其中，(u
0 v0)为相机主点；d为像元大小；f为镜头焦距；外标定时，假设内参数已知，因此，上述参数也为已知量；第一次相机绕Y
C
轴按如下角度转动：转动后使得和两个向量在平面Y
c
＝0的投影共线，并得到新的相机坐标系C
‑
X
c1
Y
c1
Z
c1
下P1点坐标为其中新的相机坐标系C
‑
X
c1
Y
c1
Z
c1
下p1点坐标为p
1_c1
＝p
1_c
；
第二次相机绕X
c1
轴按如下角度转动：转动后使得和两个向量共线，完成P1‑
p1‑
C三点共线；步骤2、P2‑
p2‑
C三点共线的实现相机完成步骤1的转动变换后，得到新的相机坐标系C
‑
X...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭凯，燕道华，田野，赵梓年，谷俊豪，陈洪林，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六六零部队，
类型：发明
国别省市：