專利名稱：：一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及攝像機標(biāo)定技術(shù)，具體涉及一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：攝像機模型反映的是物體空間和圖像平面的映射關(guān)系，而攝像機標(biāo)定即確定反映攝像機幾何特性和光學(xué)特性的內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)。其中，內(nèi)部參數(shù)為攝像機固有參數(shù)，不會因為攝像機位置變化等原因而改變；而外參數(shù)反映的是攝像機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系，會因為攝像機位置變化等原因而發(fā)生變化。對于以攝像機為主要測量設(shè)備的視覺測量系統(tǒng)來說，攝像機標(biāo)定結(jié)果直接影響著視覺測量系統(tǒng)的精度。目前，人們主要依靠形狀與尺寸已知的靶標(biāo)對攝像機進行標(biāo)定，例如:TSAIRY.在文章"Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh-accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff-the-shelftvcamerasandlenses.IEEEJournalofRoboticsandAutomation,1987，3(4):323-344"中提出的基于三維立體靶標(biāo)的Tsai方法，又叫RAC兩步法，該方法利用三維立體靶標(biāo)分別求取外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)。雖然標(biāo)定結(jié)果精度較高，但是，三維立體靶標(biāo)存在自身遮擋，不太容易獲得高質(zhì)量的靶標(biāo)圖像，而且三維立體靶標(biāo)加工難度較大、加工費用較高。ZHANGZY.在文章"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[J]IEEETrans,onPatternAnalysisandMachineIntelligence"中提出的基于二維平面靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，攝像機與平面靶標(biāo)都可以自由移動，不需要知道運動參數(shù)。雖然標(biāo)定過程靈活、二維靶標(biāo)加工容易、可以獲得高質(zhì)量的靶標(biāo)圖像、標(biāo)定精度較高，但是，由于二維靶標(biāo)的靶標(biāo)面積不宜過大，所以該方法在二維靶標(biāo)相對視場較小時標(biāo)定結(jié)果欠佳。ZHANGZY.在文章"Cameracalibrationwithone-dimensionalobjects[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2004,26(7):892-899"中提出的基于一維靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，雖然一維靶標(biāo)加工容易、標(biāo)定精度較高，但在標(biāo)定過程中需要將一維靶標(biāo)的一端固定，再轉(zhuǎn)動時很難保證固定端絕對固定，所以會影響標(biāo)定精度。WUFC,HUZY,ZHUHJ.在文章"Cameracalibrationwithmovingone-dimensionalobjects[J].PatternRecognition,2005,38(5):755-765，，中提出的基于平面運動一維靶標(biāo)的標(biāo)定方法，雖然不需要將一維靶標(biāo)一端固定，但在標(biāo)定過程中需要運動平臺的支持。還有王亮等在文章"基于一維標(biāo)定物的多攝像機標(biāo)定[J].自動化學(xué)報，2007,33(3):225-231"中提出的基于一維靶標(biāo)的多攝像機標(biāo)定方法雖然不需要輔助設(shè)備的支持，但是，由于釆用一維靶標(biāo)對單一攝像機進行標(biāo)定時，解方程的自由度不夠，而一維靶標(biāo)同時對多個攝像機進行標(biāo)定時，能夠滿足解方程的自由度要求，所以，該方法需要同時對多個攝像機進行標(biāo)定，應(yīng)用范圍較小。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，不需要輔助設(shè)備的支持，且標(biāo)定精度較高、標(biāo)定范圍較大。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，該方法包括a、組合柔性立體靶標(biāo)，并建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系；b、放置攝像機在至少兩個不同的位置拍攝柔性立體靶標(biāo)圖像，獲取每個位置下所有耙標(biāo)特征點在對應(yīng)圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，求解各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的單應(yīng)矩陣；c、根據(jù)步驟b獲取的單應(yīng)矩陣，求解攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。所述步驟c之后進一步包括對步驟c求得的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行非線性優(yōu)化。步驟a所述組合柔性立體靶標(biāo)為根據(jù)攝像機的視場范圍，將各個靶標(biāo)擺放在攝像機視場區(qū)域的周邊。步驟a所述建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系為以柔性立體靶標(biāo)中任一子靶標(biāo)坐標(biāo)系作為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系。步驟b所述拍攝的柔性立體靶標(biāo)圖像包括所有子平面靶標(biāo)的靶標(biāo)特征點。所述非線性優(yōu)化為以重投影誤差為最小的目標(biāo)函數(shù)，釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法進行非線性優(yōu)化。本發(fā)明提出的基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，根據(jù)攝像機的視場范圍，在攝像機視場區(qū)域的周邊擺放多個平面靶標(biāo)，組成柔性立體靶標(biāo)，通過變換攝像機的位置拍攝不同角度的靶標(biāo)圖像，從而對攝像機進行標(biāo)定。對于大視場的攝像機，本發(fā)明提出的標(biāo)定方法只需通過若干個小面積的平面靶標(biāo)即可進行標(biāo)定，不需要用到大面積的平面靶標(biāo)，所以，靶標(biāo)加工容易，且標(biāo)定精度較高。而且，本發(fā)明提出的標(biāo)定方法，可以只對一個攝像機進行標(biāo)定，所以，應(yīng)用范圍較大。圖l為本發(fā)明基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法流程圖2為本實施例柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系示意圖3為實施例中柔性立體靶標(biāo)示意圖4為實施例中攝像機拍攝的柔性立體靶標(biāo)圖像。具體實施例方式本發(fā)明的基本思想是根據(jù)攝像機的視場范圍，在攝像機視場區(qū)域的周邊擺放多個平面靶標(biāo)，組成柔性立體靶標(biāo)，通過變換攝像機的位置，拍攝不同角度的靶標(biāo)圖像，從而對攝像機進行標(biāo)定。下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1為本發(fā)明基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法流程圖，如圖1所示，本發(fā)明基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法包括以下步驟步驟ll:組合柔性立體靶標(biāo)，并建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系。這里，柔性立體靶標(biāo)由至少兩個平面靶標(biāo)組成，其中，所謂柔性就是靈活，即指可以根據(jù)攝像機視場區(qū)域靈活擺放子平面靶標(biāo)；所謂立體是相對平面而言，即指組成柔性立體靶標(biāo)的子平面靶標(biāo)可以不在同一個平面上。組合柔性立體靶標(biāo)時，根據(jù)攝像機的視場范圍，盡量將各個靶標(biāo)擺放在攝像機視場區(qū)域的周邊，這樣就可以形成比較大的靶標(biāo)區(qū)域，從而提高標(biāo)定精度。這里，以柔性立體靶標(biāo)中任一子靶標(biāo)坐標(biāo)系作為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系，圖2為本實施例柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系示意圖。如圖2所示，如果柔性立體靶標(biāo)由平面靶標(biāo)1~平面靶標(biāo)4組成，四個子平面靶標(biāo)的靶標(biāo)坐標(biāo)系分別為O^^Z,、02X2Y2Z2、03X3Y3Z3、04X4Y4Z4，則可以任意一子靶標(biāo)坐標(biāo)系作為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系，如以(^X,Y^作為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系。步驟12:用攝像機拍攝柔性立體靶標(biāo)圖像，并提取所拍攝靶標(biāo)圖像中所有靶標(biāo)特征點在圖像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。這里，攝像機拍攝的柔性立體靶標(biāo)圖像需要包括所有子平面靶標(biāo)的靶標(biāo)特征點。步驟13:根據(jù)步驟12獲取的靶標(biāo)特征點坐標(biāo)，求解各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的單應(yīng)矩陣H。單應(yīng)矩陣H的求解方法在ZHANGZY的文章"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[J],IEEETrans,onPatternAnalysisandMachineIntelligence,2000，22(11):1330-1334"中有詳細描述。步驟14:變換攝像機的位置至少一次，并求每個位置下各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的單應(yīng)矩陣，即重復(fù)執(zhí)行步驟12~步驟13至少一次。步驟15:根據(jù)步驟13~步驟14獲取的單應(yīng)矩陣，求解攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。由旋轉(zhuǎn)矩陣的正交性分解單應(yīng)矩陣H,構(gòu)成一個包含攝像機內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的超定方程，通過奇異值分解及一系列變換得到攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。具體求解方法在ZHANGZY的文章"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[J]IEEETrans,onPatternAnalysisandMachineIntelligence,2000，22(11):1330-1334"中有詳細描述。這里，外部參數(shù)為攝像機坐標(biāo)系與各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣A可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，a,分別為圖像平面坐標(biāo)系兩坐標(biāo)軸的尺度因子，"是兩坐標(biāo)軸的不垂直因子，("。,v。)為攝像機主點坐標(biāo)。步驟16:求解各個子平面耙標(biāo)坐標(biāo)系與柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。這里，以步驟15獲取的攝像機外部參數(shù)，即攝像機坐標(biāo)系與子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，以攝像機坐標(biāo)系為中介，便可求出各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R,和平移向量Ti，變換關(guān)系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，R〖,T。T為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移向量，R'。，T:為第i個子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移步驟17:對步驟15獲取的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行非線性優(yōu)化。假設(shè)噪聲服從零均值的高斯分布且獨立分布，為了得到在最大似然準(zhǔn)則下攝像機內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的最優(yōu)解，需要建立以重投影誤差為最小目標(biāo)函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中，a-[A^,k2,RpT;…R^…R^,T^,R,Ti"…R:J,T…R:n,Tf],其中，A為攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣，k,，k2為徑向畸變系數(shù)，R,，T,(i=l...m-l)為各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；RJJ,T,為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量；"為柔性立體靶標(biāo)在攝像機前擺放位置的次數(shù)；/為柔性立體靶標(biāo)中特征點總個數(shù)；p,為第j個擺放位置處，靶標(biāo)特征點在圖像平面坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；p"為第j個擺放位置處，靶標(biāo)特征點轉(zhuǎn)換為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PT,后，在圖像平面坐標(biāo)系下的帶有鏡頭畸變的重投影圖像齊次坐標(biāo)。這里，如果p,為子靶標(biāo)特征點尸在子靶標(biāo)坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)，Pru=K，、,ir為尸轉(zhuǎn)換為柔性立體靶標(biāo)系下坐標(biāo)PT,后，在攝像機圖像坐標(biāo)下的重投影理想圖像齊次坐標(biāo)，p^K,^,ir為相應(yīng)的帶有鏡頭畸變的重投影圖像齊次坐標(biāo)，則以上參數(shù)具體變關(guān)系換如公式(3):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，A為攝像機內(nèi)部參數(shù)，^為任意非零常數(shù)。具體P^與Ptv的變換關(guān)系在ZHANGZY的文章"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[J].IEEETrans,onPatternAnalysisandMachineIntelligence,2000,22(11):1330-1334"中有詳細描述。結(jié)合步驟16獲取的各個子平面耙標(biāo)坐標(biāo)系與柔性立體耙標(biāo)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，根據(jù)公式(3)便可求出Pn<，再根據(jù)畸變校正方法得到P。最后，釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法對公式(2)所示的目標(biāo)函數(shù)進行非線性優(yōu)化，既可得到攝像機內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)在最大似然準(zhǔn)則下的最優(yōu)解。具體地，如果視覺傳感器的攝像機為鏡頭為50亳米的Canon5D數(shù)碼攝像機，其圖像分辨率為4369象素x2912象素，攝像機視場范圍為1100mmx900mm,工作距離為1800mm。那么，根據(jù)步驟11所述的方法組合柔性立體靶標(biāo)，圖3為實施例中柔性立體靶標(biāo)示意圖，如圖3所示，柔性立體靶標(biāo)包括四個子平面靶標(biāo)，子平面靶標(biāo)間橫向距離為700mm，縱向距離為150mm,并且每個子平面耙標(biāo)有IOO個耙標(biāo)特征點，特征點間距為10.3mm。然后，根據(jù)步驟12所述的方法拍攝柔性立體靶標(biāo)圖像，如圖4所示。由于攝像機標(biāo)定過程中外部參數(shù)數(shù)據(jù)量龐大，且一般攝像機標(biāo)定主要是為了標(biāo)定內(nèi)部參數(shù)，所以，下面僅給出內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定值。根據(jù)步驟13~步驟15所述的方法計算得到攝像機的內(nèi)部參數(shù)如表一所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>最后，根據(jù)步驟17所述的方法，對攝像機內(nèi)部參數(shù)進行非線性優(yōu)化，得到結(jié)果如表二所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表二以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求1、一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，其特征在于，該方法包括a、組合柔性立體靶標(biāo)，并建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系；b、放置攝像機在至少兩個不同的位置拍攝柔性立體靶標(biāo)圖像，獲取每個位置下所有靶標(biāo)特征點在對應(yīng)圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，求解各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的單應(yīng)矩陣；c、根據(jù)步驟b獲取的單應(yīng)矩陣，求解攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟c之后進一步包括:對步驟c求得的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行非線性優(yōu)化。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟a所述組合柔性立體靶標(biāo)為根據(jù)攝像機的視場范圍，將各個靶標(biāo)擺放在攝像機視場區(qū)域的周邊。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟a所述建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系為以柔性立體靶標(biāo)中任一子靶標(biāo)坐標(biāo)系作為柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，步驟b所述拍攝的柔性立體靶標(biāo)圖像包括所有子平面靶標(biāo)的靶標(biāo)特征點。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述非線性優(yōu)化為以重投影誤差為最小的目標(biāo)函數(shù)，釆用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法進行非線性優(yōu)化。全文摘要本發(fā)明公開一種基于柔性立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法，該方法包括組合柔性立體靶標(biāo)，并建立柔性立體靶標(biāo)坐標(biāo)系；放置攝像機在至少兩個不同的位置拍攝柔性立體靶標(biāo)圖像，并求解每個位置下各子平面靶標(biāo)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系之間的單應(yīng)矩陣；由獲取的單應(yīng)矩陣，求解攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)；根據(jù)子靶標(biāo)之間位置關(guān)系不變性，通過非線性優(yōu)化方法得出攝像機內(nèi)外部參數(shù)的最優(yōu)解。本發(fā)明提出的標(biāo)定方法不需要用到大面積的平面靶標(biāo)，只需要若干個小面積的平面靶標(biāo)即可完成大視場攝像機的準(zhǔn)確標(biāo)定。文檔編號G06T7/00GK101286235SQ20081011460公開日2008年10月15日申請日期2008年6月10日優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日發(fā)明者震劉,孫軍華,張廣軍,魏振忠申請人:北京航空航天大學(xué)