[发明专利]一种单帧图像的相机标定方法、标定操作方法及标定装置

权利要求书

1.一种标定装置，包括标定基板（1），所述标定基板（1）上设置有若干个标志结构（3），若干个所述标志结构（3）被排列形成具有固定距离的阵列结构（6），其特征在于：所述阵列结构（6）的四角外侧均设置有至少两个球状标定件（2），所述球状标定件（2）和所述标志结构（3）处于同一可视面，至少八个所述球状标定件（2）在相机的成像中投影为椭圆状图像，且至少八个所述椭圆状图像的长轴线相交。

2.根据权利要求1所述的一种标定装置，其特征在于：所述阵列结构（6）的四角中，每个角的两侧均设置有至少一个球状标定件（2）。

3.一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：

获取一帧由待标定相机面向一个标定装置采集的标定图像，所述标定图像中包括具有固定间距的阵列图像和多个位于阵列图像四角外侧的由球状标定件形成的椭圆状图像；

对所述标定图像进行二值化处理，得到二值图像；

在所述二值图像中，提取连通区域，根据连通区域的形状指标和面积指标，确定椭圆状候选区域；

对所述椭圆状候选区域提取椭圆，通过每个椭圆的长轴线，计算待标定相机的主点坐标参数，进行相机标定。

4.根据权利要求3所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于：

对所述椭圆状候选区域提取椭圆，计算每个椭圆的椭圆参数，所述椭圆参数包括椭圆中心坐标、长半轴、短半轴及旋转角度，得到各个椭圆的长轴方程，确定每个椭圆的长轴线。

5.根据权利要求4所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于：计算待标定相机的主点坐标参数的过程为：

① 设迭代计数k=1；

② 从所有的椭圆长轴线中随机选择两条求其交点；

③ 计算所述交点到其余每条长轴线之间的距离；

④ 计算距离在给定偏差ε内的长轴数，并将距离在给定偏差ε内的长轴线作为待处理长轴集合，如果长轴数大于阈值t，则根据所述待处理长轴集合，联立长轴方程组，并使用最小二乘法求得方程组的解，即求得待标定相机的主点坐标参数；否则继续执行⑤ ；

⑤ 设迭代计数k=k+1，如果k小于一个预设计数值K，则转到②，否则对长轴数最大的待处理长轴集合，联立长轴方程组，使用最小二乘求得方程组的解，即求得待标定相机的主点坐标参数。

6.根据权利要求4所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于，计算待标定相机的主点坐标参数的过程为：

求每个椭圆的长半轴与短半轴的的比例ρ，根据比例ρ对椭圆进行筛选，将筛选后的椭圆的长轴集合联立长轴方程组，并使用最小二乘法求得方程组的解，即求得待标定相机的主点坐标参数。

7.根据权利要求3所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于：

所述标定方法还包括内参标定步骤：通过待标定相机所拍摄的标定图像与所述标定装置之间的单应性矩阵计算约束关系；根据所述主点坐标参数和约束关系，计算待标定相机的内参数；

所述标定方法还包括外参数标定步骤：根据所述主点坐标参数和所述内参数，以及所述图像阵列的角点信息，计算待标定相机的外参数。

8.根据权利要求7所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括径向畸变和切向畸变的处理步骤：通过非线性最小二乘法对待标定相机的内参数和外参数进行非线性优化。

9.根据权利要求8所述的一种基于单帧图像的相机标定方法，其特征在于，所述标定方法还包括参数优化步骤：通过非线性最小二乘法对待标定相机的内参数、外参数和畸变系数进行非线性优化。

10.一种基于单帧图像的相机标定操作方法，其特征在于，所述标定操作方法包括以下步骤：

在一个具有若干个标志结构（3）的标定基板（1）的四角均设置至少两个球状标定件（2），所述球状标定件（2）和所述标志结构（3）处于同一可视面，且若干个所述标志结构（3）被排列形成具有固定距离的阵列结构（6），每个球状标定件（2）位于阵列结构（6）四角的外侧；

待标定相机面向所述标定装置采集一帧标定图像，每个所述球状标定件（2）在待标定相机的成像中投影为椭圆状图像，所述标定图像中包括具有固定间距的阵列图像和至少八个所述椭圆状图像，且至少八个所述椭圆状图像的长轴线相交；

待标定相机将所述标定图像传输至标定处理主机；

所述标定处理主机从所述标定图像中提取所有所述椭圆状图像，并计算每个所述椭圆状图像的长轴线，通过每个所述椭圆状图像的长轴线的交点计算所述待标定相机的主点坐标参数。