利用分离球像的双接触定理标定针孔摄像机的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用分离球像的双接触定理标定针孔摄像机的方法，三个球为标定物的靶标。在求解针孔摄像机内参数的过程中，仅利用含三个分离球像的1幅图像，摄像机的5个内参数即恢复。首先，使用最小二乘法拟合分别获得三个球像方程。在获得三个球像方程的基础上，恢复两两球像对应的实公共弦。基于双接触定理得，两分离球像的实公共弦与对应支撑平面的影消线共点。根据广义特征值分解，则从两球像方程得到其对应的实公共弦。而且，实公共弦的交点是影消点。三个影消点两两连结恢复每个球像对应支撑平面的影消线。影消线与对应球像联立，即恢复三对独立的圆环点的像的约束。将绝对二次曲线的像Cholesky分解再求逆，内参数矩阵被唯一的确定。阵被唯一的确定。阵被唯一的确定。

【技术实现步骤摘要】
利用分离球像的双接触定理标定针孔摄像机的方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用空间中的三个球及分离球像的双接触定理求解针孔摄像机内参数的方法。

技术介绍

[0002]摄像机标定在工业生产、机器人、医疗和水下等计算机视觉应用领域扮演重要角色。其主要任务是获得运动和内在的校准信息，这能被用于从二维图像恢复三维信息。过去的摄像机标定方法可以一般分为两类：利用物体进行标定和自标定。传统的自标定方法多使用对应点对。其标定结果取决于点选取和匹配的精确程度，且对噪声敏感。相反，利用几何物体标定的标定方法精度和鲁棒性较好，如二次曲线和二次曲面。
[0003]圆这种平面几何模板被广泛用于标定过程中。文献“The common self
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polar triangle of concentric circles and its application to camera calibration”，(H.F.Huang,H.Zhang,and Y.M.Cheung,in IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR),Boston,MA,Jun 07
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12 2015,NEW YORK:IEEE,in IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,2015,pp.4065
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4072.)利用共面同心圆的模板提出了一个种标定算法。由性质，两共面同心圆的所有的公共自极三点形的一条边为无穷远直线，可方便的恢复无穷远直线的像，即影消线。进一步地，文献“The common self
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polar triangle of separate circles:Properties and applications to camera calibration”，(H.Huang,H.Zhang,and Y.M.Cheung,in 2016 IEEE International Conference on Image Processing(ICIP),25
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28Sept.2016,pp.1170
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1174.)同样将共面分离圆模板用于标定。此处分离的含义与该文献相同，即不相交且不内含。两分离圆像有且只有一个公共自极三点形。该公共自极三点形的一个顶点为影消点，即在影消线上的点。然后，给三个共面分离圆像，则其支撑平面上的影消线可被恢复。影消线和圆像交于圆环点的像。三对圆环点的像即可恢复绝对二次曲线的像，其矩阵形式为K
‑
T
K
‑1。用Cholesky分解绝对二次曲线的像即可恢复摄像机内参数矩阵K。不过，这样至少需要含有三个圆像的三幅图像才能完成标定。而且，用圆进行的标定对拍摄角度的要求较高。
[0004]球体同样是一种重要的几何标定物。由于球体的各向同性的优势，其被广泛用于摄像机标定和三维重构过程中，并可以从图像中很方便地提取分离的球的轮廓。每个包含球的轮廓圆的支撑平面一般不同。与圆不同，由于通过圆环点的像进行摄像机标定需要至少三个球像，只需含有三个球像的一幅图像即可恢复内参数。文献“Geometric interpretations of the relation between the image of the absolute conic and sphere images”，(X.H.Ying and H.B.Zha,in IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.,vol.28,no.12,pp.2031
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2036,Dec 2006.)讨论了球像的几何解释和文献“Camera calibration by a single image of balls:From conics to the absolute conic”，(H.Teramoto and G.Xu,in Proceedings of the Fifth Asian Conference on Computer Vision,22
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25Jan.2002,pp.499
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506vol.2.)中提出的代数约束。由此，提出了一个重要性
质——球像与绝对二次曲线的像双接触于圆环点的像——和两种标定方法。一种方法是利用文献“Camera calibration by a single image of balls:From conics to the absolute conic”，(H.Teramoto and G.Xu,in Proceedings of the Fifth Asian Conference on Computer Vision,22
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25 Jan.2002,pp.499
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506 vol.2.)中的三个球像与IAC的代数约束恢复影消线，另一种方法是基于七圆理论中的双接触定理提出的，但不易获得理想的标定结果。由于球与圆的相似性，文献“Camera Calibration based on the common self
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polar triangle of sphere images”，(H.F.Huang,H.Zhang,and Y.M.Cheung,in 12th Asian Conference on Computer Vision(ACCV),Singapore,Nov 2014,vol.9004,Berlin,in Lecture Notes in Computer Science,2015,pp.19
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29.)发现了球像的公共自极三点形的标定性质：两分离球像的公共自极三点形的一个顶点位于两球的轮廓圆的支撑平面的影消线交点处，这是与圆不同的。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于分离球像的双接触原理标定针孔摄像机内参数的方法，三个球为标定物的靶标。在求解针孔摄像机内参数的过程中，需使用针孔摄像机拍摄的1幅图像(其含三个分离球像)线性求解出针孔摄像机全部5个内参数。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术是由空间中的三个球作为标定物求解针孔摄像机内参数的方法，其特征在于仅利用含三个分离球像的1幅图像，摄像机的5个内参数即恢复。首先，分别从1幅图像中分别提取三个分离球像的边缘点的像素坐标，使用最小二乘法拟合分别获得三个球像方程。
[0008]在获得三个球像方程的基础上，恢复两两球像对应的实公共弦。基于双接触定理得，两分离球像的实公共弦与对应支撑平面的影消线共点。根据广义特征值分解，则从两球像方程得到其对应的实公共弦。而且，实公共弦的交点是影消点。三个影消点两两连结恢复每个球像对应支撑平面的影消线。影消线与对应球像联立，即恢复三对独立的圆环点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用分离球像的双接触定理标定针孔摄像机的方法，其特征在于三个球为标定物的靶标；所述方法的具体步骤包括：首先，分别从1幅图像中分别提取三个分离球像的边缘点的像素坐标，使用最小二乘法拟合分别获得三个球像方程；在获得三个球像方程的基础上，恢复两两球像对应的实公共弦；基于双接触定理得，两分离球像的实公共弦与对应支撑平面的影消线共点；根据广义特征值分解，则从两球像方程得到其对应的实公共弦；而且，实公共弦的交点是影消点；三个影消点两两连结恢复每个球像对应支撑平面的影消线；影消线与对应球像联立，即恢复三对独立的圆环点的像的约束；将绝对二次曲线的像Cholesky分解再求逆，内参数矩阵被唯一的确定；(1)恢复两两球像对应的实公共弦由于球自身的无遮挡，球的拍摄过程实际上获取的是球的轮廓圆c1；球，即球的轮廓圆在像平面的像为C1；取摄像机的内参数矩阵为其中f
x
和f
y
分别是图像平面u和v轴方向上的尺度因子，s是倾斜因子，[u
0 v
0 1]
T
是摄像机主点的齐次坐标；f
x
,f
y
,u0,v0,s为摄像机的5个内参数；利用Matlab中的Edge函数的Canny算子提取含三个分离球像的1幅图像的边缘点的像素坐标，通过最小二乘法拟合分别得到球像的二次曲线方程；这里用C
i
表示第i＝1,2,3幅图像中的球像的系数矩阵；本文为了简化表述，用相同字母表示曲线和它的系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：卓庆丰，赵越，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：