空間四條不平行直線的像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用空間中四條不平行直線的像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法?？臻g中直線的拋物折反射圖像是二次曲線，首先從空間的四條不平行且不交于一點(diǎn)的直線在拋物折反射攝像機(jī)的像上提取像點(diǎn)，擬合二次曲線方程并求解每?jī)蓷l曲線的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)交點(diǎn)并過投影圓心。然后計(jì)算四個(gè)二次曲面像中的12組正交方向隱消點(diǎn)，再利用隱消點(diǎn)的約束線性求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。利用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)標(biāo)定，減少了標(biāo)定過程中由測(cè)量引起的誤差。由于直線是一種更簡(jiǎn)潔更全局化的基元，在拋物折反射攝像機(jī)標(biāo)定過程中提高了標(biāo)定精度。
【專利說明】 空間四條不平行直線的像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，涉及一種用于求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法。利用空間中四條不平行且不交于一點(diǎn)的直線作為標(biāo)定模板，利用二次曲線的性質(zhì)得到12組正交方向隱消點(diǎn)的像，線性地確定拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)算機(jī)視覺的基本任務(wù)之一，就是從攝像機(jī)獲得的二維圖像信息出發(fā)恢復(fù)物體在三維空間中的幾何信息,從而識(shí)別和重建三維空間中物體的幾何形狀。在此過程中必須確定空間物體點(diǎn)的三維幾何位置與其圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，而這種關(guān)系又由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型的參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，這就是攝像機(jī)標(biāo)定。它一般分為傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法，無(wú)論哪種標(biāo)定方法，標(biāo)定物體都是采用一些特殊的幾何模型，例如:平面正方形、三角形、圓、空間立方體及圓柱等等。如何建立這些幾何模型與攝像機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系尤其是某種線性的關(guān)系，是目前攝像機(jī)標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
[0003]拋物折反射攝像機(jī)由一個(gè)拋物鏡面和一個(gè)正交攝像機(jī)組成，可視范圍大且保持單視點(diǎn)約束，是現(xiàn)代視覺領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)“Plane-based calibration ofcentral catadioptric cameras，，，(S.Gasparini, P.Sturm, J.P.Barreto, IEEE 12thInternational Conference on Computer Vision, pp.1195-1202，2009)要用到有控制點(diǎn)的二維模板，這些控制點(diǎn)可以是角點(diǎn)、畫上去的點(diǎn)或者任何容易由圖像上提取的點(diǎn)，但是這種方法需要用迭代的方法求解內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。文獻(xiàn)“Calibration of centralcatadioptric cameras using a DLT-1ike approach，，(L.Puig, Y.Bastanlar, P.Sturm,J.J.Guerrero, J.Barreto, International journal of Computer Vision, vol.93,PP.101-114，2011)提出基于三維點(diǎn)的標(biāo)定，這種方法需要知道單幅圖像上三維點(diǎn)的位置。文獻(xiàn)“Generic self-calibration of central cameras，，(S.Ramalingam, P.Sturm,S.K.Lodha, Computer Vision and Image Understanding, vol.114, pp.210—219，2010)提出一種自標(biāo)定方法，無(wú)需知道點(diǎn)的空間位置及攝像機(jī)位置，但要利用多幅圖像上點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0004]直線是場(chǎng)景最常見的幾何元素，且直線的拋物折反射成像一般是二次曲線，二次曲線在攝像機(jī)標(biāo)定過程中有很多良好的性質(zhì)，利用直線的拋物折反射投影進(jìn)行標(biāo)定，方法簡(jiǎn)便易行，因而就不需要特殊的標(biāo)定模板。文獻(xiàn)“Paracatadioptric camera calibration”(C.Geyer, K.Daniilidis, IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, vol.24，N0.5, pp.687-695，2002)用三條直線的圖像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)。文獻(xiàn)“Geometric properties of central catadioptric line images and thereapplication in calibration，，(1.P.Barreto, H.Araujo, IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence, vol.27, N0.8, pp.1327-1333，2005)研究了中心折反射模型下直線圖像的幾何性質(zhì)，并提出了適用于任何類型的中心折反射系統(tǒng)的標(biāo)定方法。文獻(xiàn)“Catadioptric camera calibration using geometric invariants，，(X.Ying,Z.Hu, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.26,N0.10, pp.1260-1271, 2004)分析了折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)與球的成像輪廓之間的關(guān)系，他們利用直線和球的投影進(jìn)行標(biāo)定，直線提供了三個(gè)不變量，球提供了兩個(gè)不變量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種用于求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，該方法由空間中四條不平行的直線構(gòu)成，直線的拋物折反射圖像是二次曲線。在求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的過程中，只需使用拋物折反射攝像機(jī)拍攝I幅圖像就可以線性求解出拋物折反射攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明是由空間中四條不平行的直線構(gòu)成的用于求解拋物折反射攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。具體的步驟包括:首先從拋物折反射攝像機(jī)的圖像上提取像點(diǎn)，擬合出二次曲線方程并求解每?jī)蓷l曲線的交點(diǎn)，連接交點(diǎn)然后計(jì)算四條二次曲線內(nèi)的12組正交方向隱消點(diǎn)，再利用隱消點(diǎn)的約束線性求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
[0007]1.擬合圖像中曲線方程
利用Matlab程序中的函數(shù)提取出圖像特征點(diǎn)的坐標(biāo)，并用最小二乘算法擬合出圖像中的曲線，得到圖像上四條二次曲線方程。
[0008]2.計(jì)算每?jī)蓷l二次曲線的交點(diǎn) 設(shè)空間中有四條直線
A.4-4-4 (如圖1)，直線在單位球上的投影為大圓G…4 ,每?jī)蓚€(gè)圓的交點(diǎn)
記為~和^ ,其中j = I, 2, 3, 4; j = 1,2, 3, 4; ifj。大圓在折反射圖像平面上的投影為曲線A ,交點(diǎn)分別為4和鳥。單位球上四個(gè)大圓C1, C2, C3, C4為空間四條直線在單位球上的投影(如圖2)，只考慮一個(gè)平面，即大圓C1所在平面。C2, C3 , C4與C1交點(diǎn)分別為4和4 ,1 =1 , J = 2,3,4。, Ω2, Q3 , Q4分別為C1, C2, C3 , C4在折反射圖像平面上的成像
(如圖3)，曲線的交點(diǎn)馬和馬分別為巧.和的投影，就有鳥,馬= ?.?。
[0009]3.計(jì)算四個(gè)二次曲線成像平面內(nèi)的12組正交方向隱消點(diǎn)
單位球上的曰^與其它三個(gè)圓分別交于單位球上的六個(gè)點(diǎn)(如圖2)，對(duì)應(yīng)圓交點(diǎn)的連線為圓C1的直徑，兩直徑在的圓上的四點(diǎn)所形成鄰邊互相垂直，對(duì)邊互相平行，可以確定一組正交方向，三條直徑每?jī)山M可以確定一組正交方向，共三組。經(jīng)過拋物折反射后A，O2, Q3，fi4分別為C1 ,c2, Cy c;在圖像平面上的成像(如圖3)，即“4Λ所成的
像。在曲線A所在的投影中，共可以確定三組正交方向隱消點(diǎn)。在曲線所在的投影中，也可以分別確定三組正交方向的隱消點(diǎn)，所以，四個(gè)成像平面內(nèi)共有12組正交方向的隱消點(diǎn)。4A，^在拋物折反射攝像機(jī)的成像為4，4,?，在成像G1中，4和4的父點(diǎn)為B'】，F(xiàn)u , Q1和Ω3的父點(diǎn)為P^3 ;直線和^--分別為過大圓圓心O像的直線，則對(duì)應(yīng)直線H與直線H交于點(diǎn)夕23 ,有P1Ii = -^2-^311-- ;對(duì)應(yīng)直線羅 12君 13與直線巧3爲(wèi)2父于點(diǎn)<?33，有= ^2?*-- , P23和*?23就是一組正父方向隱消點(diǎn)；Pm和奪》是直線4,4在4成像A上的一組正交方向隱消點(diǎn)，Pm和是4在4成像A上的另一組正父方向隱消點(diǎn)，共二組正父方向隱消點(diǎn)。加上在*^2的像4在*^
的像4和在4的像4所形成的隱消點(diǎn)，總共可以求出12組隱消點(diǎn)。
[0010]4.求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
使用拋物折反射攝像機(jī)拍攝1幅圖像，由正交方向的隱消點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線的像 的約束，線性求解出拋物折反射攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
【權(quán)利要求】
1.一種利用空間中四條不平行直線的像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，其特征在于只利用直線元素；直線的拋物折反射圖像是二次曲線，首先從圖像上提取像點(diǎn)，擬合曲線方程并求解每?jī)蓷l二次曲線的交點(diǎn)，然后計(jì)算四條二次曲線內(nèi)的12組正交方向隱消點(diǎn)，再利用隱消點(diǎn)的對(duì)絕對(duì)二次曲線的約束線性求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；具體步驟包括:擬合圖像中曲線方程，求解每?jī)蓷l二次曲線的交點(diǎn)和四個(gè)二次曲線成像平面內(nèi)的12組正交方向的隱消點(diǎn)，求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣中的S,fa,/V,u0,v0 等 5 個(gè)參數(shù)； (1)計(jì)算每?jī)蓷l二次曲線的交點(diǎn) 設(shè)空間中有四條直線直線在單位球上的投影為大圓q ,2 = 1義…4 ,大圓在折反射圖像平面上的投影為曲線A ’交點(diǎn)分別為％和鳥.，其中？ = I, 2,3,4; J = 1，2, 3, 4;I ^ j，有 F每，B每=Oj* Qy ； (2)計(jì)算四個(gè)二次曲線成像平面內(nèi)的12組正交方向隱消點(diǎn) 單位球上的圓Cf1與其它三個(gè)圓分別交于單位球上的六個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圓交點(diǎn)的連線為圓C1的直徑，兩直徑在的圓上的四點(diǎn)所形成鄰邊互相垂直，對(duì)邊互相平行，可以確定一組正交方向，三條直徑每?jī)山M可以確定一組正交方向，共三組；經(jīng)過拋物折反射投影后A , Q2 ,ω3 , 分別為C1, C2, C3, C4在圖像平面上的成像，在曲線A所在的投影中，共可以確定三組正交方向隱消點(diǎn)； 在曲線?2, , 所在的投影中，也可以分別確定三組正交方向的隱消點(diǎn)，所以，四個(gè)成像二次曲面內(nèi)共有12組正交方向的隱消點(diǎn)；在拋物折反射攝像機(jī)的成像為Q3, Q3，在成像中，Q1和Ω2的交點(diǎn)為爲(wèi)2，Zp12, 和Ω3的交點(diǎn)為爲(wèi)3, ;直線爲(wèi)2?和分別為過大圓圓心O像的直線，則對(duì)應(yīng)直線巧3巧3與直線ByiB1J父于點(diǎn).?23，有P2-1 ~ ^12?*-- ;對(duì)應(yīng)直線與直線FriBrj交于點(diǎn)fs，有《33 二 -1-- '--- , JpSB和就是一組正交方向隱消點(diǎn)；P24和/4是直線A在4成像Α上的一組正交方向隱消點(diǎn)，Pm和知是^?在4成像Ω?上的另一組正交方向隱消點(diǎn)，共三組正交方向隱消點(diǎn)；加上L2，Z5,H4在Zia的像Ω2 , LlrL^tLi在￡j的像?3和~在4的像?4所形成的隱消點(diǎn)，總共可以求出12組隱消點(diǎn)； (3)求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù) 使用拋物折反射攝像機(jī)拍攝I幅圖像，由正交方向的隱消點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線的像


的約束，線性求解出拋物折反射攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103810697SQ201310531024
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】趙越, 羅歡, 李聰, 陳旭 申請(qǐng)人:云南大學(xué)