一种基于共面点的体视显微镜标定方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及计算机视觉测量技术领域，具体公开了一种基于共面点的体视显微镜标定方法，通过标定板对体视显微镜进行标定，体视显微镜包括CCD摄像机，该标定方法包括：先使用变倍率法获得摄像机主点坐标初值；再采用基于共面点的改进摄像机标定方法对摄像机的尺度因子进行标定；然后采用基于共面点的标定方法对摄像机的平移矩阵和旋转矩阵进行标定；最后综合考虑切向畸变和径向畸变的畸变模型，采用基于LM算法的光束平差法对参数初值进行优化，最终获得高精度的相机内外参数。本发明专利技术提供的基于共面点的体视显微镜标定方法，能够完成体视显微镜的标定，并且提高了体视显微镜的标定精度。并且提高了体视显微镜的标定精度。并且提高了体视显微镜的标定精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共面点的体视显微镜标定方法、装置及系统


[0001]本专利技术涉及计算机视觉测量
，更具体地，涉及一种基于共面点的体视显微镜标定方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]在计算机视觉测量领域中,摄像机标定是从图像信息获取空间信息必不可少的步骤，具体是根据获取的图像信息来确定摄像机内部参数，畸变参数和外部参数的过程。相机参数的标定非常关键，其标定结果的准确性直接影响后续图像测量结果的准确性。
[0003]目前，有诸多相对成熟的宏观标定方法，如matlab和Opencv自带的标定工具箱。然而，由于体视显微镜的景深和视场较小的原因，宏观标定方法无法直接使用。针对体视显微镜的标定研究较少，体视显微镜的标定精度有待提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种基于共面点的体视显微镜标定方法，提高了体视显微镜的标定精度，为后续进行的图像测量结果的准确性做准备。
[0005]作为本专利技术的第一个方面，提供一种基于共面点的体视显微镜标定方法，通过标定板对体视显微镜进行标定，所述体视显微镜包括CCD摄像机，所述基于共面点的体视显微镜标定方法包括如下步骤：
[0006]步骤S1：获取所述CCD摄像机采集到的标定板图像信息；
[0007]步骤S2：建立CCD摄像机针孔模型，并根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式；
[0008]步骤S3：根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述CCD摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述CCD摄像机的内外参数初始标定值；
[0009]步骤S4：采用基于LM算法的光束平差法对所述CCD摄像机的内外参数初始标定值进行优化，以得到所述CCD摄像机的内外参数优化标定值。
[0010]进一步地，所述建立CCD摄像机针孔模型，并根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，还包括：
[0011]所述体视显微镜的标定包括CCD摄像机内参数的标定和CCD摄像机外参数的标定；所述CCD摄像机内参数包括尺度因子f
u
、f
v
和主点坐标(u0，v0)；所述CCD摄像机外参数包括平移矩阵T和旋转矩阵R；在标定过程中，需要先得到所述CCD摄像机的内参数，在求得内参数的基础上，求解CCD摄像机的外参数；
[0012]根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式为：
[0013][0014]其中：s为比例因子，f
u
、f
v
为CCD摄像机的尺度因子，(u0，v0)为CCD摄像机的主点坐标，r
11
、r
21
、r
31
、r
12
、r
22
、r
32
、t
x
、t
y
、t
z
均为常数，A为CCD摄像机的内参矩阵，RT为CCD摄像机的外参矩阵，(X
W
，Y
W
)为标定板中一点P在世界坐标系下的三维空间坐标，(u，v)为P点在像素坐标系下的像素坐标。
[0015]进一步地，所述根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述CCD摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述CCD摄像机的内外参数初始标定值中，还包括：
[0016]采用变倍率法对所述CCD摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定；
[0017]采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的尺度因子f
u
、f
v
进行标定；
[0018]采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的平移矩阵T和旋转矩阵R进行标定。
[0019]进一步地，所述采用变倍率法对所述CCD摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定中，还包括：
[0020]设相机坐标系下的标定板中任一点的坐标为(X
c
,Y
c
,Z
c
)，理想情况下，该点的像素坐标(u',v')为：
[0021][0022]其中，r是任一放大倍率，(u0,v0)是CCD摄像机的主点坐标，将式(2)中的r消去，得到直线方程：
[0023][0024]即在任何放大倍率下，该点的像素坐标(u',v')都在同一直线上，且该直线一定经过摄像机主点坐标(u0,v0)；为了求取摄像机主点坐标(u0,v0)，选定标定板中4个点，该4个点在图像投影平面上不重合，令这4个点分别在不同放大倍率下进行投影，利用最小二乘法对获得的4条直线进行拟合，并用最小二乘法求取4条直线的交点坐标即所述CCD摄像机的主点坐标(u0,v0)。
[0025]进一步地，所述采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的尺度因子f
u
、f
v
进行标定中，还包括：
[0026]通过矩阵相乘，将公式(1)转化为：
[0027][0028][0029]其中，H为单应性矩阵，h1～h8均为常数；
[0030]通过公式(4)和公式(5)，消除比例因子s和t
z
，得到：
[0031][0032]对于棋盘格标定板上的每一个角点，都对应上述公式(6)两个方程，则n个角点能得到n个上述公式(6)方程组，其中n≥4，联立这n个方程组得到形如AX＝b的矩阵方程，A是一个2n
×
8的矩阵；
[0033]将标定板中P点的三维空间坐标(X
W
，Y
W
)和像素坐标(u，v)进行归一化处理，使得这些坐标以原点为中心，距离原点均值为使用svd分解法求解出矩阵方程AX＝b中X的值；将X的值反向归一化求解得到h1～h8；
[0034]旋转矩阵R本身具有正交性，因此有r
11
r
12
+r
21
r
22
+r
31
r
32
＝0，结合上述一系列公式继续分离公式(5)，并经过一系列的数学变换求出所述CCD摄像机的尺度因子f
u
和f
v
的值：
[0035][0036]其中，公式(7)是一个齐次线性方程组，方程组具有唯一的一个线性解，能够直接求出f
u
和f
v
的解。
[0037]进一步地，所述采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的平移矩阵T和旋转矩阵R进行标定中，还包括：
[0038]在求出尺度因子f
u
和f
v
后，摄像机的平移矩阵T和旋转矩阵R也能够求出；由式子可以求出t
z
；
[0039][0040]得到t
z
后，根据公式(5)求出单应性矩阵H；当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共面点的体视显微镜标定方法，其特征在于，通过标定板对体视显微镜进行标定，所述体视显微镜包括CCD摄像机，所述基于共面点的体视显微镜标定方法包括如下步骤：步骤S1：获取所述CCD摄像机采集到的标定板图像信息；步骤S2：建立CCD摄像机针孔模型，并根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式；步骤S3：根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述CCD摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述CCD摄像机的内外参数初始标定值；步骤S4：采用基于LM算法的光束平差法对所述CCD摄像机的内外参数初始标定值进行优化，以得到所述CCD摄像机的内外参数优化标定值。2.根据权利要求1所述的一种基于共面点的体视显微镜标定方法，其特征在于，所述建立CCD摄像机针孔模型，并根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，还包括：所述体视显微镜的标定包括CCD摄像机内参数的标定和CCD摄像机外参数的标定；所述CCD摄像机内参数包括尺度因子f
u
、f
v
和主点坐标(u0，v0)；所述CCD摄像机外参数包括平移矩阵T和旋转矩阵R；在标定过程中，需要先得到所述CCD摄像机的内参数，在求得内参数的基础上，求解CCD摄像机的外参数；根据所述CCD摄像机针孔模型建立像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式为：其中：s为比例因子，f
u
、f
v
为CCD摄像机的尺度因子，(u0，v0)为CCD摄像机的主点坐标，r
11
、r
21
、r
31
、r
12
、r
22
、r
32
、t
x
、t
y
、t
z
均为常数，A为CCD摄像机的内参矩阵，RT为CCD摄像机的外参矩阵，(X
W
，Y
W
)为标定板中一点P在世界坐标系下的三维空间坐标，(u，v)为P点在像素坐标系下的像素坐标。3.根据权利要求2所述的一种基于共面点的体视显微镜标定方法，其特征在于，所述根据所述标定板图像信息和所述像素坐标系与世界坐标系之间的关系公式，对所述CCD摄像机的内外参数进行初步标定，以得到所述CCD摄像机的内外参数初始标定值中，还包括：采用变倍率法对所述CCD摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定；采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的尺度因子f
u
、f
v
进行标定；采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的平移矩阵T和旋转矩阵R进行标定。4.根据权利要求3所述的一种基于共面点的体视显微镜标定方法，其特征在于，所述采用变倍率法对所述CCD摄像机的主点坐标(u0，v0)进行标定中，还包括：设相机坐标系下的标定板中任一点的坐标为(X
c
,Y
c
,Z
c
)，理想情况下，该点的像素坐标(u',v')为：
其中，r是任一放大倍率，(u0,v0)是CCD摄像机的主点坐标，将式(2)中的r消去，得到直线方程：即在任何放大倍率下，该点的像素坐标(u',v')都在同一直线上，且该直线一定经过摄像机主点坐标(u0,v0)；为了求取摄像机主点坐标(u0,v0)，选定标定板中4个点，该4个点在图像投影平面上不重合，令这4个点分别在不同放大倍率下进行投影，利用最小二乘法对获得的4条直线进行拟合，并用最小二乘法求取4条直线的交点坐标即所述CCD摄像机的主点坐标(u0,v0)。5.根据权利要求3所述的一种基于共面点的体视显微镜标定方法，其特征在于，所述采用基于共面点的标定方法对所述CCD摄像机的尺度因子f
u
、f
v
进行标定中，还包括：通过矩阵相乘，将公式(1)转化为：通过矩阵相乘，将公式(1)转化为：其中，H为单应性矩阵，h1～h8均为常数；通过公式(4)和公式(5)，消除比例因子s和t
z
，得到：对于棋盘格标定板上的每一个角点，都对应上述公式(6)两个方程，则n个角点能得到n个上述公式(6)方程组，其中n≥4，联立这n个方程组得到形如AX＝b的矩阵方程，A是一个2n
×
8的矩阵；将标定板中P点的三维空间坐标(X
W
，Y
W
)和像素坐标(u，v)进行归一化处理，使得这些坐标以原点为中心，距离原点均值为使用svd分解法求解出矩阵方程AX＝b中X的值；将X的值反向归一化求解得到h1～h8；旋转矩阵R本身具有正交性，因此有r
11
r
12
+r
21
r
22
+r
31
r
32
＝0，结合上述一系列公式继续分离公式(5)，并经过一系列的数学变换求出所述CCD摄像机的尺度因子f
u
和f
v
的值：其中，公式(7)是一个齐次线性方程组，方程组具有唯一的一个线性解，能够直接求出f
u<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王南飞，张旭，浦栋麟，
申请(专利权)人：江苏集萃华科智能装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：