[发明专利]基于分块的摄像机标定方法

摘要

本发明基于分块的摄像机标定方法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。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；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，再标定双目视觉测量系统的外参数。本发明解决了摄像机图像不同区域标定与校正参数不一致的难题，有效提高了标定的精度，特别适用于锻造现场的准确标定。

主权项

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；在测量所需的焦距下拍摄标定模板不同方位的图像，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，再标定双目视觉测量系统的外参数，标定方法的具体步骤如下：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，(Xw,Yw,Zw,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，fx，fy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)分别计算左、右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：li:aiu+biv+ci＝0,i＝1,2…m  (2)以到像点连线距离平方和最小为目标函数S，其中，S=Σi=1m(aiu0+biv0+ci)2ai2+bi2---(3)]]>计算主点坐标(u0,v0)，分别求出左、右摄像机的主点坐标(ul0,vl0)和(ur0,vr0)；其中ai,bi,ci为拟合直线所得参数，(u,v)为拟合所需点的像素坐标；步骤2：大视场子空间划分将双目测量系统中的左、右摄像机合理放置，调整摄像机的视场，使左、右摄像机视场重叠，并根据测量距离选择合适的焦距，进行合焦操作；按照分块的思想，将大视场划分成n×n个等分，得到n×n个子空间，按照行列子空间分别编号为Spq,p＝1,2…n,q＝1,2…n，其中，p为子空间所在的行，q为子空间所在的列；步骤3：单个子空间标定根据变焦距计算的主点坐标，分别在各个子空间标定出尺度因子和摄像机的外部参数；(1)求取摄像机尺度因子利用已经得出的主点坐标，基于正交消隐点计算摄像机的尺度因子fx和fy，左像机标定的具体过程：(a)图像采集，分别在每个子空间Spq,p＝1,2…n,q＝1,2…n区域内，拍摄标定模板在不同位姿下的图像10张，作为求取摄像机尺度因子的图像；(b)根据拍摄得到标定模板的不同方位的图像，分别求出左摄像机的10组正交消隐点对Pj(uPj,vPj),Qj(uQj,vQj),j＝1,2…10；(c)将10组正交消隐点对分别代入非线性方程：1fx2(uPj-ul0)(uQj-ul0)+1fy2(vPj-vl0)(vQj-vl0)+1=0,j=1,2...10---(4)]]>其中，(uPj,vPj)、(uQj,vQj)分别为第j幅图像的正交消隐点对，联立方程组，利用非线性最小二乘方法迭代求解非线性方程组获得尺度因子，即fy,fx；其中，(ul0,vl0)为左摄像机的主点坐标，fy,fx为摄像机等效焦距，由此可得左摄像机内参数矩阵KL：KL=fx0ul00fyvl0001---(5)]]>采用相同的步骤(a)、(b)和(c)可得到右摄像机的尺度因子，由步骤1中的主点坐标构成右摄像机的内参数矩阵KR；(2)求取摄像机的外参数利用基本矩阵求取摄像机的外参数，首先在子空间区域摆放两次标定模板，并拍摄图像，摄像机间外部参数的标定的具体步骤如下：(a)求取基本矩阵f，根据拍摄的两张图像，提取对应像点坐标，利用对应像点的齐次坐标获得线性方程：[uu′,vu′,u′,uv′,vv′,v′,u,v,1]f＝0  (6)其中，(u,v),(u′,v′)分别为左右摄像机图像中对应的像点坐标，f为9维列向量，f＝[f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33]T；提取所采集的两幅图像中d≥8组对应点构成对应点矩阵A：A=u1u1′v1u1′u1′u1v1′v1v1′v1′u1v11...........................udud′vnud′ud′udvd′vdvd′vd′udvd1---(7)]]>其中，(u,v),(u′,v′)为两幅图像中对应点坐标；利用Af＝0，即可求得基本矩阵f；(b)根据左、右摄像机的内参数矩阵KL,KR，由公式(8)即可得到本质矩阵E；E＝KRTfKL  (8)(c)本质矩阵由双目立体视觉的内外参数决定，对公式(8)中得到的本质矩阵E进行奇异值分解：E＝Udiag(σ1,σ2,σ3)VT  (9)其中，σ1,σ2,σ3为特征值且σ1≤σ2≤σ3；从本质矩阵算出摄像机间的外部参数其中，z为相差的比例因子，t为平移矢量；外部参数具有下述4种组合：[UWVT|u3]；[UWVT|‑u3]；[UWTVT|u3]；[UWTVT|‑u3]  (10)其中，U和V为分解出的矩阵，u3为U的第3列向量，对以上4种参数组合进行判断，方法如下：由于重建点应在两台摄像机前方，因此将世界坐标系分别与左、右摄像机坐标系重合，重建出的点应取三维坐标中Z向分量均应为正值的组合；由上述参数组合的形式判断，计算出旋转矩阵R和单位平移矢量(d)计算摄像机的比例因子，采用长度为L的高精度标尺作为长度基准，使用上述双目测量系统对其进行拍摄并重建出三维长度l，则摄像机的比例因子根据确定平移矢量t，就得到左右摄像机的外参数；通过上述步骤3计算出双目视觉测量系统的内外参数，完成对单个子空间的标定过程；步骤4：大视场整体标定按照步骤3中的标定方法，分别对n×n个子空间进行标定，确定每个分块子空间的内外参数，将所得的内外参数对应其所在子空间进行记录；在双目视觉测量的后续工作中，根据拍摄特征所在大视场中子空间的位置对内外参数进行调用。