基于任意已知运动的单目摄像机标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机视觉检测和图像处理领域，涉及大型锻件尺寸测量系统中单目 摄像机的标定方法，具体是指一种基于任意已知运动的单目摄像机标定方法。
【背景技术】
[0002] 视觉测量的基本任务之一是根据被测物体二维图像信息恢复三维几何信息，求取 尺寸等几何参数。要实现利用图像点求取相应的空间物体表面点的任务，需要确定摄像机 成像几何模型，该几何模型的参数称为摄像机参数。摄像机内参数为摄像机自身的与几何 和光学特性有关的参数，外参数为摄像机相对于世界坐标系的三维位置和方向。
[0003] 影响摄像机标定精度的主要因素包括：标定特征点的精确、鲁棒提取。确定摄像机 内、外参数的过程称为摄像机标定，标定方法的精度直接影响到计算机视觉测量的精度。因 此，对摄像机进行快速、简捷、精准标定的研宄无疑具有重大的意义。
[0004] 目前根据摄像机标定方式的不同，可以分为传统标定法、摄像机自标定法和基于 主动视觉的摄像机标定方法。张正友提出了一种基于平面已知标记点的摄像机标定方法， 该方法标定精度较高，但是标定过程复杂，不易于实现在应用现场实时标定。摄像机自标定 方法能够实现摄像机在线标定，但是由于其标定过程没有准确的标记点，因此标定精度低， 鲁棒性差。基于主动视觉标定方法通过高精度电控平台控制两正交平移导轨拍摄正交运 动的图像，利用多视几何原理标定摄像机的参数，该方法稳定性和鲁棒性高。但是电控平台 的导轨并非绝对正交，导轨的误差会降低标定的精度。
【发明内容】
[0005] 本发明采取的技术方案是，一种基于任意已知运动的单目摄像机标定方法，通常 主动视觉标定过程利用高精度电控平台实现，但是标定过程中电控平台两平移导轨并非完 全正交，而标定只是盲目选择精度高的电控平台近似认为其正交，因此提出一种通过利用 三坐标测量机进行已知运动，标定单目像机参数，包括主点坐标（叫，vd、尺度因子f x、fy，从 而实现单目摄像机参数标定方法。具体步骤如下：
[0006] 步骤1 :利用三坐标测量仪的实现靶标的已知运动获取靶标图像
[0007] 控制三坐标测量仪带动革E1标的做四组运动，每组运动含有X方向和Y方向两次纯 平移，纯平移运动方向位移为％，摄像机在每次运动中停留三个位置，其中摄像机光心位置 分别为〇〇, 〇i，〇2，进而得到三张图像1〇, Ip 12，而且在确保靶标在视场内的前提下，每组正交 运动之间摄像机均有不小于5度的俯仰角度或扫视角度，通过四组的两次纯平移运动得到 共12张靶标图像。根据三坐标测量仪运动位置的三维坐标计算每组运动中两次纯平移运 动的夹角 0 i, i = 1，2, 3, 4。
[0008] 步骤2 :消隐点的鲁棒估计
[0009] 对纯平移运动前、后摄取的两幅图像中的特征点的像点进行畸变校正后，采取由 交于同一点的"拟合直线簇"来确定消隐点和对应像点连线的最大似然估计。
[0010] 设定消隐点坐标为V = (Ux，vx)，则经过消隐点的"拟合直线簇" 1的方程为：
[0011] y-vx= k j (x-ux) (1)
[0012] 其中，kj为对应像点A」=(Uj，Vj)、A，』=(u，」，v'」）连线的最大似然估计（即 "拟合直线"）所对应的斜率，则对应像点到"拟合直线"的距离之和表示如下：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于任意已知运动的单目摄像机标定方法，其特征是，标定方法利用四组已知 运动获取12张图像，然后根据12张图像求取摄像机参数，包括主点坐标（ U(l，Vtl)、尺度因子 fx、fy;具体步骤如下： 步骤1 :利用三坐标测量仪的实现靶标的已知运动获取靶标图像 控制三坐标测量仪带动靶标的做四组运动，每组运动含有X方向和Y方向两次纯平移， 纯平移运动方向位移为Dtl，摄像机在每次运动中停留三个位置，其中摄像机光心位置分别 为Otl, O1, O2，进而得到三张图像Itl, I1, I2，而且在确保靶标在视场内的前提下，每组正交运动 之间摄像机均有不小于5度的俯仰角度或扫视角度，通过四组的两次纯平移运动得到共12 张靶标图像；根据三坐标测量仪运动位置的三维坐标计算每组运动中两次纯平移运动的夹 角 Θ i，i = 1，2,3,4 ; 步骤2 :消隐点的鲁棒估计 对纯平移运动前、后摄取的两幅图像中的特征点的像点进行畸变校正后，采取由交于 同一点的"拟合直线簇"来确定消隐点和对应像点连线的最大似然估计； 设定消隐点坐标为V = (ux，vx)，则经过消隐点的"拟合直线簇" Ii的方程为： y-vx= k j(x-ux) (I) 其中，kj为对应像点A』=(u』，Vj)、A'」=(u'」，V j)连线的最大似然估计（即"拟 合直线"）所对应的斜率，则对应像点到"拟合直线"的距离之和表示如下：
采用最优化方法获取消隐点和"拟合直线簇"，最优化目标为最小化所有像点到相应 "拟合直线"距离之和，见式（3);优化变量为消隐点坐标分量以及各"拟合直线"的斜率；
其中，η为"拟合直线簇"中直线的数目；采用该方法分别计算4组运动的消隐点； 步骤3:标定单目摄像机 采用步骤2的方法，将畸变校正后的12张图像分组进行消隐点估计，每组3张图像中 对应点连线得到2个消隐点，4组共8个消隐点；将得到的8个消隐点坐标、主点坐标以及 两平移运动度带入下式中：
其中，Θ为第i组运动中两平移运动之间的角度，Vil、Vi2为第i组正交运动下的两次 平移运动获取的消隐点对的像素坐标（齐次形式），w = ITtIT1是绝对二次曲线的图像，其 具体形式如下：
通过公式（4)、（5)以及八个消隐点坐标得到包含四个非线性方程的二元方程组，用非 线性最小二乘法迭代求解出尺度因子f，fy和主点坐标（Utl, Vtl);因此，得到单目摄像机参 数主点坐标（Uci, Vci)、尺度因子fx、fy，最终完成标定过程。
【专利摘要】本发明基于任意已知运动的单目摄像机标定方法属于计算机视觉检测和图像处理领域，涉及大型锻件尺寸测量系统中单目摄像机的标定方法，具体是指一种基于任意已知运动的单目摄像机标定方法。标定方法利用四组已知运动获取12张图像，然后根据12张图像求取摄像机参数，包括主点坐标和尺度因子；首先，利用三坐标测量仪的实现靶标的已知运动获取靶标图像；再将畸变校正后的12张图像分组进行消隐点估计；采用最优化方法获取消隐点和“拟合直线簇”，标定单目摄像机。本发明基于极大似然估计的消隐点鲁棒性算法，提高消隐点估计的稳定性，是一种简单易实现的标定方法，特别适用于快速准确实现实验现场的标定。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104751452
【申请号】CN201510101366
【发明人】贾振元, 刘巍, 樊超楠, 杨景豪, 王灵丽, 刘阳
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月8日