一种双目摄像机标定方法技术

本发明专利技术公开了一种双目摄像机标定方法。该方法包括：将左右两台摄像机的观测区域从水面等无法获取充足地面控制点的区域旋转至便于获取大量精确的地面控制点的区域，分别记录其旋转标定角；对两台摄像机进行光学畸变校正；布设地面控制点，基于共线方程分别求解出两台摄像机的外方位元素；将计算出的方位角减去旋转标定角的值，分别获得两台摄像机标定后的旋转矩阵；将标定后的共线方程线性化为直接线性变换方程，获得两台摄像机的直接线性变换系数；最后基于图像匹配技术和内部插值算法，即可获得图像中任一点处的三维空间坐标。本发明专利技术很好解决了水面控制点难以布设的问题，有利于对近岸区域的海浪参数和水深地形等实现更高精度的测量。精度的测量。精度的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种双目摄像机标定方法


[0001]本专利技术涉及摄像机标定方法，具体地说是涉及一种基于旋转的双目摄像机标定方法，属于计算机视觉
，并可应用于海洋工程等其他领域。

技术介绍

[0002]在海岸带区域，对海浪参数与近岸水深地形的反演一直是国内外学者研究的重点，也是海岸带观测领域的重点和难点；随着双目视觉技术的不断发展，这一问题逐渐被解决。双目视觉技术包括图像采集、摄像机标定、图像匹配、三维重建和图像后处理等，其中摄像机标定的过程即建立二维图像坐标点与三维空间坐标点之间的转换关系的过程极为关键，其精度对后续的图像处理结果有十分重要的影响，该过程通常需要先获取有价值的先验数据，即精确的地面控制点，地面控制点的位置选择、高程分布、数量控制和测量精度都会对最终结果产生直接影响。
[0003]众所周知，在海岸带区域，岸滩处的地面控制点较容易进行测量，但在海面处较难获取精确的地面控制点。因此，亟需找到一种不需获取海面控制点，即可对双目摄像机进行标定的方法。
[0004]近年来，关于摄像机标定方法的研究已成为近年来的研究热点。例如申请日为2022年8月5日，专利号为CN202210935362.4的中国专利技术专利公开了一种双目标定方法和系统，该方法在张正友标定法的基础上，通过对应点纵坐标差异和实际测距数据与计算距离差异更新双目相机的内外参数，达到标定及测距的目的。该方法在使用场景下无需拍摄标定板也能实现测距，但该方法仍需获取场景中若干标定点的坐标值，在海岸带区域尤其是海面处不易实现。
[0005]总的来说，海面处的地面控制点的获取仍然是当前海岸带视频观测领域中的一个难点，目前还缺少相关的技术方案。如何准确且简洁地对海岸带观测系统中的摄像机进行标定是一个亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]为解决上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种双目摄像机标定方法。
[0007]本专利技术具体步骤是：
[0008](1)摄像机旋转
[0009]左右两台摄像机从无法获取充足地面控制点的区域旋转至便于获取大量精确的地面控制点的区域，同时分别记录其旋转标定角；
[0010](2)镜头光学畸变校正
[0011](3)外方位元素求解
[0012]设立多个分布于图像画面的地面控制点，基于共线方程分别求解出左右两台摄像机各自的直线元素和角元素，依据所述角元素获取旋转矩阵；
[0013](4)计算摄像机标定后的旋转矩阵
[0014]基于角元素中的方位角减去所述旋转标定角的值，分别获得左右两台摄像机标定后的旋转矩阵；
[0015](5)共线方程线性化
[0016]将标定后的旋转矩阵带入共线方程，再线性化为直接线性变换方程，分别获得左右两台摄像机的直接线性变换系数；
[0017](6)三维信息重建
[0018]基于图像匹配技术和内部插值算法，获得图像中任一点位置的三维空间坐标。
[0019]本专利技术还提供了一种双目摄像机标定方法在近岸区域的海浪参数和水深地形测量中的应用。
[0020]经由上述的技术方案可知，与现有摄像机标定方法相比，本专利技术的有益效果：
[0021](1)有效避免了在海面建立地面控制点的难题；
[0022](2)通过旋转摄像机的方式进行，有效避免了复杂的计算过程；
[0023](3)有利于将该方法推广应用至湖泊、河流等场景。
附图说明
[0024]图1为双目视觉观测系统示意图；
[0025]图2为系统基本单元组成示意图；
[0026]图3为双目视觉确定图像三维信息的示意图；
[0027]图4为本方法实现的技术路线图；
[0028]图5为显示共线关系的摄像机成像模型及各外方位元素所在位置的示意图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术一种双目摄像机标定方法作进一步详细、完整的说明，但不作为对本专利技术的限定。
[0030]如附图1所示，本实施例公开了一种双目摄像机视频观测系统，包括摄像机1，支架2，配电箱3，底座4；摄像机1有两台，采用TP
‑
LINK高清防水摄像机，将其固定于支架2上，保持水平；支架2可选用海岸带区域已有的如瞭望塔等设施，也可以自行选用材料进行制作，使用膨胀螺丝等工具固定架设于指定位置处；配电箱3固定安装于支架2上，配电箱3用于放置电源，无线WiFi发射器和接线板，并要求有较好的防水效果；若自行制作支架，底座4可与支架2用螺栓等连接件进行连接，也可以通过焊接连接，底座4要求保证足够稳定，通过膨胀螺丝将底座4固定于合适位置处。
[0031]如附图2所示为观测系统基本模块组成的示意图，主要包括控制模块、供电模块、无线传输模块、数据存储模块和图像采集模块。
[0032]本实施例中的高清防水摄像机1安装于支架2上，利用配电箱3的电源进行供电，无线WiFi供网，通过电脑或手机上的TP
‑
LINK安防系统APP进行远程控制其至合适的区域对海浪运动等进行实时、长期、连续的观测。
[0033]基于上述系统，如图1和图4所示，本实施例还公开了一种双目摄像机标定方法，步骤包括：
[0034](1)首先将左右两台摄像机的观测区域从水面等无法获取充足地面控制点的区域
旋转至便于获取大量精确的地面控制点的区域，分别记录其旋转标定角Δα1、Δα2的大小。
[0035]在一实施例中，所述的旋转标定角由云台旋转而得，通过角度测量仪测量其旋转角度值。
[0036](2)对两台摄像机进行光学畸变校正。
[0037]在本实施例中，具体是打印国际象棋棋盘格板，分别使用左右摄像机对已知物理边长的棋盘格从不同角度不同方位拍摄15
‑
20张左右图像，保证棋盘格在画幅中的任意位置都有出现。然后，将所有图像导入Matlab自带的Camera Calibration工具箱中进行校正，Matlab自动识别棋盘黑白交点作为标定点，并筛选出其认为符合要求的图像进行校正，进而消除图像光学畸变。输出结果包括摄像机主点位置，畸变系数，相机内参矩阵，每张图像对应的旋转矩阵和平移矩阵等外部参数。
[0038](3)在图像所拍摄的范围内布设15
‑
25个较为分散的地面控制点，使用全站仪等测量仪器测量出这些地面控制点的三维空间坐标(X,Y,Z)，如附图5所示，为目标点和图像点之间共线关系的摄像机模型及各外方位元素所在位置的示意。基于如下所示的共线方程分别求解出左右两台摄像机的6个外方位元素X
S
，Y
S
，Z
S
，α，τ，θ：
[0039][0040][0041]其中，X
S
，Y
S
，Z
S
为摄像机在根据地面控制点所建立的三维空间坐标系中所处的坐标；a
i
，b
i
，c
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双目摄像机标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)摄像机旋转左右两台摄像机从无法获取充足地面控制点的区域旋转至便于获取大量精确的地面控制点的区域，同时分别记录其旋转标定角；(2)镜头光学畸变校正(3)外方位元素求解设立多个分布于图像画面的地面控制点，基于共线方程分别求解出左右两台摄像机各自的直线元素和角元素，依据所述角元素获取旋转矩阵；(4)计算摄像机标定后的旋转矩阵基于角元素中的方位角减去所述旋转标定角的值，分别获得左右两台摄像机标定后的旋转矩阵；(5)共线方程线性化将标定后的旋转矩阵带入共线方程，再线性化为直接线性变换方程，分别获得左右两台摄像机的直接线性变换系数；(6)三维信息重建基于图像匹配技术和内部插值算法，获得图像中任一点位置的三维空间坐标。2.根据权利要求1所述的一种双目摄像机标定方法，其特征在于：所述的旋转标定角由云台旋转而得，通过角度测量仪测量其旋转角度值。3.根据权利要求1所述的一种双目摄像机标定方法，其特征在于：所述的镜头光学畸变校正，主要是径向畸变校正。4.根据权利要求1所述的一种双目摄像机标定方法，其特征在于：步骤(3)具体是：首先，在图像所拍摄的范围内布设15
‑
25个分散的地面控制点，使用全站仪测量出这些地面控制点的三维空间坐标(X,Y,Z)；其次，基于共线方程分别求解出左右两台摄像机的直线元素X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺治国，叶一群，林颖典，王立忠，王鑫宇，
申请(专利权)人：浙江大学海南研究院，
类型：发明
国别省市：