[发明专利]校准装置、校准方法、光学装置、摄影装置、投影装置、测量系统以及测量方法

说明书

以短时间且高精度地求出摄像机参数为目的，本发明所涉及的校准装置(1)是具备二维的图像变换元件和光学系统的光学装置(2)的校准装置(1)，其中，该二维的图像变换元件具有多个像素，该光学系统在图像变换元件与三维的世界坐标空间之间形成成像关系，该校准装置具备：校准数据获取部(8)，其获取表示图像变换元件的二维的像素坐标与世界坐标空间的三维的世界坐标之间的对应关系的校准数据；以及参数计算部(7)，其对由校准数据获取部(8)获取到的校准数据应用摄像机模型来计算摄像机模型的参数，该摄像机模型是将三维的世界坐标中的两个坐标值表示为其余一个世界坐标的坐标值和二维的像素坐标的两个坐标值的函数的模型。

技术领域

本发明涉及一种校准装置、校准方法、光学装置、摄影装置、投影装置、测量系统以及测量方法。

背景技术

以往，公知一种进行摄影装置、投影装置的摄像机校准的校准装置(例如参照专利文献1)。摄像机模型包括多个未知的参数(摄像机参数)，通过事先利用校准装置求出这些摄像机参数，能够以数学方式获得与图像的二维坐标对应的现实世界的逆投影直线。

在此，对专利文献1和非专利文献1中公开的以往的摄像机校准进行说明。使用数学方式的摄像机模型通过以下的过程来进行摄像机校准，该数学方式的摄像机模型表现了利用摄像机拍摄现实世界的三维坐标来将其变换为图像的二维坐标的过程。首先，使用数式1将现实世界的三维坐标(以下，称为世界坐标)(x，y，z)投影成归一化图像平面坐标(u_p，v_p)。

[数式1]

[数式2]

其中，数式2的旋转矩阵R和平移向量T表示从世界坐标向摄像机坐标的三维的坐标变换。这些数据是表示摄像机的相对于世界坐标的位置和姿势的值，被称为外部参数。

此外，数式1是基于所有的逆投影直线在摄像机的光学中心处相交这一设想的式子。接着，使用数式3求出对归一化图像平面坐标(u_p，v_p)施加畸变像差后的(u_d，v_d)。

[数式3]

其中，(g₁、g₂、g₃、g₄、k₁)是畸变参数。并且，使用数式4将施加畸变像差而得到的归一化图像平面坐标(u_d，v_d)变换为像素单位的像素坐标(u，v)。

[数式4]

像这样用数式1至数式4来表示从摄像机的摄像得到的世界坐标(x，y，z)向像素坐标(u，v)的变换的模型是标准的摄像机模型。此外，数式3和数式4的参数(α_u、α_v、u₀、v₀、g₁、g₂、g₃、g₄、k₁)表示摄像机自身的性质，因此被称为内部参数。

关于畸变参数，根据用途进行各种各样的定义。例如，数式3是考虑到3阶的畸变像差的模型，但是还能够使用追加了5阶、7阶……之类高阶的项的模型。其中，代表性的畸变模型为数式5所示的非专利文献2的布朗模型。

[数式5]

其中r_p²＝u_p²+v_p²