[发明专利]基于分块的摄像机标定方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理和计算机视觉检测领域，特别涉及大型锻件尺寸测量系统中摄像机内、外参数的现场标定方法。

背景技术

计算机视觉处理的基本任务之一是根据二维图像信息恢复物体的三维几何信息。要实现利用图像点求取相应的空间物体表面点的任务，需要确定摄像机参数，即对摄像机进行标定。摄像机标定过程是建立摄像机所拍摄场景中物体上特征点的图像坐标与物体上特征点世界坐标的关系。测量系统中需标定的摄像机参数分为摄像机的畸变等内参数和被测平面相对于摄像机坐标系的外参数，其中内参数包括摄像机的主点坐标以及尺度因子，外参数包括两摄像机间的旋转矩阵和平移矢量。标定时，由场景中已知特征点的图像坐标和世界坐标即可求解摄像机的内外参数。摄像机标定是构建测量系统地一项关键技术，标定结果对系统的测量准确度及效果有至关重要的作用。

摄像机的标定方法较多，Tsai提出的基于径向约束的两步法及张正友提出的基于棋盘格靶标标定方法均可以获得较高的精度。但是对于大视场下的摄像机标定而言，由于传统标定方法所占有视场较小，导致特征点提取误差大，通过标定获得的摄像机内参数存在误差，并对外参数的标定精度产生影响。在实际的成像系统中，由于系统复杂非线性的影响，在视场的不同区域，畸变参数并不一致，用单一的一组内外参数表示被测平面相对于摄像机的姿态进行平面图像测量，获得的测量结果精度较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，针对在锻造现场传动标定方法精度较差的问题，发明一种基于分块的摄像机标定方法。根据实际成像系统非线性畸变的特点，将整个视场划分为n×n个子空间，该方法首先求取主点坐标，利用分块的思想将视场划分成n×n个子空间，而后分别对n×n个子空间进行标定：利用标定模板特征点计算图像的正交消隐点，并计算相机的尺度因子，最后，以基本矩阵和本质矩阵分别得出n×n个子空间的参数。在每个子空间上利用基于主动视觉系统的摄像机标定方法分别进行其余内参数和外参数的标定，能较好地补偿实际成像系统中存在的误差，并取得较高的图像测量精度。所以，这种标定方法有效提高了标定的精度。

本发明采用的技术方案是一种基于分块的摄像机标定方法，其特征是，标定方法首先利用变焦的方法计算出摄像机主点坐标，在不同焦距下拍摄标定模板的7幅图像，通过缩比不变性求得摄像机主点坐标，而后将大视场划分成n×n个子空间，分别对每个区域进行标定，具体标定方法如下：在测量所需的焦距下拍摄标定模不同方位的图像，然后对模板图像进行直线提取；利用所得直线求取对应正交消隐点，即可求得摄像机内参数；最后，同时标定双目视觉测量系统的外参数，具体步骤如下：

步骤1：求取摄像机主点坐标

摄像机标定实际上是要求出内参数矩阵K，两摄像机间的旋转矩阵R和平移矢量t。通用的摄像机模型可表示为：

其中，(X_w,Y_w,Z_w,1)^T为空间点在世界坐标系下的齐次坐标，(x,y,1)^T为空间点在图像坐标系下的对应像点坐标，f_x，f_y为摄像机尺度因子，(u₀,v₀)为像机的主点坐标，z为比例因子。

(1)采集变焦距图像

在待测目标的同一侧布置两台摄像机构成双目视觉测量系统，按照摄像的位置关系，分别为左摄像机2a和右摄像机2b；标定左摄像机2a时，调整标定模板的位置，保证标定模板在不同拍摄焦距时，均在摄像机视场内，在最大焦距下，对摄像机合焦。标定模板静止，逐渐减小摄像机焦距，在不同焦距下拍摄7幅模板图像。使用同样的方法采集右摄像机2b的7张图像。

(2)计算摄像机主点坐标

改变焦距时，摄像机视场呈现比例扩缩现象，因此在不同焦距拍摄的图像中，特征点连线的交点即为主点。计算摄像机主点坐标，利用拍摄的七张图片，将不同图像上标定模板相同特征点对应的7个像点采用线性回归的方法拟合成m条直线，第i条直线的拟合方程为：

l_i:a_iu+b_iv+c_i＝0,(i＝1,2...n)(2)

以到像点连线距离平方和最小为目标函数S，其中，