CN102005048A

CN102005048A - 基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法

Info

Publication number: CN102005048A
Application number: CN2010105460696A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 关钰; 林武康
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2011-04-06

Abstract

基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法，本发明涉及一种摄像机标定方法。用于数据标定。解决了传统的标定加工难度大、加工精度不易保证、模板制作成本高和使用受限制的问题。它包括如下步骤：利用标定平面上位于两两相交的三条直线交点处的特征点，分别通过任意两个特征点再做射线，从而把每两条射线的交点处作为扩展特征点；求取从标定平面上摄录到摄像机中的图像因镜头所造成的实物坐标系与图像坐标系之间的一阶径向畸变系数；利用获得的一阶径向畸变系数修正在图像坐标系中的坐标步骤一构造的九个特征点的图像坐标及扩展标定点的图像坐标；把得到的九个特征点及扩展标定点的图像坐标作为标定点进行摄像机标定。

Description

基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法

技术领域

本发明涉及一种摄像机标定方法。

背景技术

准确的摄像机标定是精确测量目标物体位姿的必要前提。进行摄像机标定时，通常希望标定点能布满整个标定平面，传统的标定模板一般都要设置几十个甚至上百个的高精度标定点，这在工程实际中将遇到以下问题：(1)加工难度大、加工精度不易保证：由于加工的不确定性，对大量特征点的加工一致性和稳定性不易保证，从而难以保证整个标定模板的精度，同时加工大量的标定点也增加了加工难度；(2)模板制作成本高：为了在模板中放置大量的特征点，需要扩大模板的尺寸或标定点的密度，增加了模板的制作复杂程度，进而增加了制作成本；(3)使用受限制：扩大模板尺寸，不便于放置标定模板，而增加标定点的密度，在摄像机分辨率较低或角度较大时，又容易出现分辨不清的情况，使得特征点不易提取，不利于标定过程的自动化。对于大视场测量系统，视场宽度通常能达到十几米甚至几十米，在这么大的视场中安装几十个甚至上百个的标定点，不但难度大，而且精度不易保证，整个标定过程费时费力。在大视场标定中，通常使用激光跟踪仪在幕墙上设置标定点，从而大大增加了摄像机标定的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法，以解决传统的标定模板需要设置几十个甚至上百个的高精度标定点，在工程实际中将遇到加工难度大、加工精度不易保证、模板制作成本高和使用受限制的问题。它包括如下步骤：

一、利用标定平面上位于两两相交的三条直线交点处的一号特征点1、二号特征点2、三号特征点3、四号特征点4、五号特征点5、六号特征点6、七号特征点7、八号特征点8和九号特征点9，分别通过任意两个特征点再做射线，从而把每两条射线的交点处作为扩展特征点；上述九个特征点的坐标为已知；

二、求取从标定平面上摄录到摄像机中的图像因镜头所造成的实物坐标系与图像坐标系之间的一阶径向畸变系数k₁；

三、利用步骤二获得的一阶径向畸变系数k₁修正在图像坐标系中的坐标步骤一构造的九个特征点的图像坐标及扩展标定点的图像坐标；

四、把步骤三得到的九个特征点的图像坐标及扩展标定点的图像坐标作为标定点进行摄像机标定。

本发明的标定方法考虑了摄像机畸变对特征点构造的影响，使用九个满足特定几何约束(即两两相交的三条直线)的原始特征点，标定结果接近经典的Tsai两步法，在物距为13m的条件下，重构精度在3mm以内，可满足较高的精度要求。本发明可以大大降低大视场标定的复杂度，降低标定成本，提高标定效率和可靠性，降低了模板制作成本，使用上不受限制，具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明方法第一步骤的示意图，虚线的交点为扩展特征点；图2为实验中使用87个特征点的传统Tsai方法标定的结果示意图；图3为实验中仅使用九个标定点的传统Tsai方法标定的结果示意图；图4为实验中使用本发明方法得到的标定结果示意图，图5为实施方式一中计算一阶径向畸变系数

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至4具体说明本实施方式。本实施方式包括如下步骤：

性能实验结果如下：图2为实际实验中使用87个特征点的传统Tsai方法标定的结果；图3为实际实验中使用9个标定点的传统Tsai方法标定的结果；图4为实际实验中使用本实施方式方法得到的标定结果。

从上述实验结果可以得到如下结论：使用发明所述的方法标定，在物距为13m的条件下，重构误差在3mm以内，与使用245个点的Tsai方法标定结果接近，并且与只使用9个点的Tsai方法标定的结果相比，重构精度显著提高。本发明使用较少的特征点，取得了接近经典两步法的标定精度，降低了标定模板的加工难度，可以应用于对精度有较高要求的场合。特别是在大视场这种物理空间较大，不适宜或不方便放置较多特征点的场合，使用本方法可以大大降低靶标加工安置的难度，降低标定成本。

具体实施方式二：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同在于具体限定了步骤二中：计算步骤一的特征点中所有共线四点的交比，应用交比不变性原理求取一阶径向畸变系数k₁；具体过程如下：

设空间直线L上的四个点P_w1、P_w2、P_w3、P_w4的交比为(P_w1，P_w2；P_w3，P_w4)，其在L₁和L₂上的对应点分别为P₁、P₂、P₃、P₄和P`₁、P`₂、P`₃、P`₄，由交比不变性原理得

(P_w1，P_w2；P_w3，P_w4)＝(P₁，P₂；P₃，P₄) (1)

其中，P₁、P₂、P₃、P₄的交比定义为

(p_{1}, p_{2}; p_{3}, p_{4}) = \frac{\det ({\hat{p}}_{1}, {\hat{p}}_{3})}{\det ({\hat{p}}_{2}, {\hat{p}}_{3})} : \frac{\det ({\hat{p}}_{1}, {\hat{p}}_{4})}{\det ({\hat{p}}_{2}, {\hat{p}}_{4})}

又，L₁上的点P_i与L₂上点P′_i的对应关系为

\{\begin{matrix} x_{Pi} = x_{P^{'} i} (1 + k_{1} r^{2}) \\ x_{Pi} = x_{P^{'} i} (1 + k_{1} r^{2}) \end{matrix},

r = \sqrt{{x_{P^{'} i}}^{2} + {y_{P^{'} i}}^{2}} - - - (2)

将式(1)和(2)联立方程组即可求出一阶径向畸变系数k₁。如果已知多组共线点坐标及其交比，利用上面的方程组可以求得一阶径向畸变系数k₁的最小二乘解。

Claims

1.基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法，其特征在于它包括如下步骤：

一、利用标定平面上位于两两相交的三条直线交点处的一号特征点(1)、二号特征点(2)、三号特征点(3)、四号特征点(4)、五号特征点(5)、六号特征点(6)、七号特征点(7)、八号特征点(8)和九号特征点(9)，分别通过任意两个特征点再做射线，从而把每两条射线的交点处作为扩展特征点；上述九个特征点的坐标为已知；

二、求取从标定平面上摄录到摄像机中的图像因镜头所造成的实物坐标系与图像坐标系之间的一阶径向畸变系数(k₁)；

三、利用步骤二获得的一阶径向畸变系数(k₁)修正在图像坐标系中的坐标步骤一构造的九个特征点的图像坐标及扩展标定点的图像坐标；

2.根据权利要求1所述的基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法，其特征在于计算步骤一的特征点中所有共线四点的交比，应用交比不变性原理求取一阶径向畸变系数(k₁)。

3.根据权利要求2所述的基于平面上固定特征点的大视场摄像机现场标定方法，其特征在于求取一阶径向畸变系数(k₁)的具体过程如下：

(P_w1，P_w2；P_w3，P_w4)＝(P₁，P₂；P₃，P₄) (1)

其中，P₁、P₂、P₃、P₄的交比定义为

(p_{1}, p_{2}; p_{3}, p_{4}) = \frac{\det ({\hat{p}}_{1}, {\hat{p}}_{3})}{\det ({\hat{p}}_{2}, {\hat{p}}_{3})} : \frac{\det ({\hat{p}}_{1}, {\hat{p}}_{4})}{\det ({\hat{p}}_{2}, {\hat{p}}_{4})}

又，L₁上的点P_i与L₂上点P′_i的对应关系为

\{\begin{matrix} x_{Pi} = x_{P^{'} i} (1 + k_{1} r^{2}) \\ x_{Pi} = x_{P^{'} i} (1 + k_{1} r^{2}) \end{matrix},

r = \sqrt{{x_{P^{'} i}}^{2} + {y_{P^{'} i}}^{2}} - - - (2)

将式(1)和(2)联立方程组即可求出一阶径向畸变系数(k₁)；如果已知多组共线点坐标及其交比，利用上面的方程组可以求得一阶径向畸变系数(k₁)的最小二乘解。