CN104408730A - 鱼眼镜头的标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了鱼眼镜头的标定装置，包括，标定箱体，标定板、鱼眼图像采集器及标定处理器；鱼眼图像采集器对标定板的图像进行采集，鱼眼图像采集器的输出端与标定处理器的输入端连接，标定处理器从鱼眼图像采集器接收当前标定板图像，根据当前标定板图像的多条经线及纬线信息，对当前标定板图像信息标定。从而解决了鱼眼图像标定精度低，标定失真大的问题。本发明中的鱼眼镜头的标定装置，操作简单、方便、快捷，每次对鱼眼镜头进行标定仅需用数据线连接电路板并固定即可一次完成，处理过程快，适合于大批量生产及使用中的鱼眼镜头标定。

Description

鱼眼镜头的标定装置

技术领域

本发明涉及图形识别及数字图像处理技术领域，尤其涉及鱼眼镜头的标定装置。 

背景技术

相比于普通镜头，鱼眼镜头有着更大的视场，被广泛应用于机器人导航、视频监视以及三维重建等领域。然而，鱼眼镜头会产生很大的径向畸变，导致真实世界中的直线在图像中会产生弯曲，影响后续的目标识别和匹配等。因此，有必要对鱼眼镜头进行标定，即获取镜头的畸变参数以便对图像进行校正。 

现有的鱼眼镜头标定过程通常包含两个步骤，第一步是选择畸变的数学模型，第二步是估计模型中的参数值。已有的一些标定方法大都是基于，例如圆柱投影模型，立方体透视投影模型，半单位球面模型等数学模型做出的。根据不同场合选择不同的数学模型，从而在该种方式的实施过程中，需要对数学模型给予判断，如果数学模型的选择出现偏差，将直接会造成标定产生错误。已有的鱼眼镜头标定方法不够精确并需要繁琐的操作，冗长的过程，以及较低的成功率，不利于对批量生产的鱼眼镜头进行标定。同时，在现有技术中没有专用的鱼眼镜头标定装置，从而降低了鱼眼镜头在标定过程中的准确性及一致性。因此，降低了鱼眼镜头图像的失真还原效果，提高了图像处理的误差率。 

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明所提供的鱼眼镜头的标定装置，解决了鱼眼图像标定精度低，标定失真大的问题。 

本发明中的鱼眼镜头的标定装置包括，标定箱体，标定板、鱼眼图像采集器及标定处理器；在所述标定箱体的箱内底部设置所述标定板，箱内顶部设置所述鱼眼图像采集器，使所述鱼眼图像采集器的采集端与所述标定板相对，对所述标定板的图像进行采集，所述鱼眼图像采集器的输出端与所述标定处理器的输入端连接，所述标定处理器从所述鱼眼图像采集器接收当前标定板图像，根据所述当前标定板图像的多条经线及纬线信息，对所述当前标定板图像信息标定。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述标定箱体的侧壁开设鱼眼图像采集器调节孔。 

作为本发明中一种优选的实施方式，补光灯及感光传感器；所述补光灯与所述箱内底部或箱内顶部固定连接，所述感光传感器固定于所述箱内顶部固定连接，位于所述鱼眼图像采集器的一侧，输出端与所述标定控制器连接，所述标定控制器的输出端与所述补光灯连接，当接收到的感光传感器的感应值低于设定感应值时，驱动所述补光灯点亮。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述箱内底部通过滑槽与所述标定板固定连接。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述标定处理器根据所述当前标定板图像的多条经线及纬线信息，对所述当前标定板图像信息标定包括： 

所述标定处理器从所述当前标定板图像中提取出多条经线图像及纬线图像； 

根据所述多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标；根据所述多条纬 线图像获取多条纬线的纬向交汇点坐标； 

根据所述纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx,根据所述经向交汇点坐标获取经向焦距fy； 

根据所述纬向交汇点坐标及所述经向交汇点坐标获取鱼眼镜头的光心； 

根据所述纬向焦距fx、经向焦距fy及所述光心对当前鱼眼镜头图像进行标定，获取处理后图像。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述从所述当前标定板图像中提取出多条经线图像及纬线图像的步骤包括： 

对所述当前标定板图像中进行边缘检测获取多个标定单元区域； 

根据所述多个标定单元区域进行标记后合并，提取出多条经线图像及纬线图像。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述根据所述多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条经线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条经线的经向交汇点坐标。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述根据所述多条纬线图像获取多条纬线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条纬线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条纬线的纬向交汇点坐标。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述根据所述纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx的步骤包括， 

根据所述纬向交汇点坐标v_x1和v_x2及 

$f_x=\frac{|v_{x1}-v_{x2}|}{\mathrm{\π}}$

获取纬向焦距fx。 

作为本发明中一种优选的实施方式，所述根据所述经向交汇点坐标获取经 向焦距fy的步骤包括， 

根据所述经向交汇点坐标v_y1和v_y2及 

$f_y=\frac{|v_{y1}-v_{y2}|}{\mathrm{\π}}.$

获取纬向焦距fy。 

由此可知，本发明的的有益效果为：本发明中的鱼眼镜头的标定装置，操作简单、方便、快捷，每次对鱼眼镜头进行标定仅需用数据线连接电路板并固定即可一次完成，处理过程快，适合于大批量生产及使用中的鱼眼镜头标定。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明一种实施方式中，鱼眼镜头的标定装置的内部结构示意图； 

图2为本发明另一种实施方式中，鱼眼镜头的标定装置的内部结构示意图； 

图3为本发明又一种实施方式中，鱼眼镜头的标定装置的内部结构示意图； 

图4为本发明另一种实施方式中，鱼眼镜头的标定装置的内部立体示意图； 

图5为本发明另一种实施方式中，建立坐标系示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

在本发明的一种实施方式中，鱼眼镜头的标定装置的主体结构为，在方形标定箱体10内腔11的底部固定标定板20，在标定箱体10的开口处设置箱盖12。在该箱盖12的底部开设固定槽121，该固定槽121所开设的内腔与待安装鱼眼图像采集器30的外安装尺寸及形状相对应，从而可通过多种固定连接方式，将鱼眼图像采集器30固定于固定槽121中，即，使鱼眼图像采集器30的采集端31与标定板20的上表面相对，对标定板20的图像进行采集。鱼眼图像采集器30的输出端与标定处理器40的输入端连接，通过引线42向外接收或发送信息。标定处理器40从鱼眼图像采集器30接收当前标定板20的当前图像，并根据当前标定板20图像的多条经线及纬线信息，对当前标定板20图像信息标定。上述鱼眼图像采集器30可采用鱼眼摄像机或鱼眼照相机给予实现。 

为便于对鱼眼图像采集器30(鱼眼摄像机或鱼眼照相机)的鱼眼采集镜头进调节，从而实现对标定板20图像的清晰采集，如图2所示，在本发明的一种实施方式中，在标定箱体10的对应侧壁上开设鱼眼图像采集器调节孔13、14。从而更便于双手对鱼眼图像采集器30的鱼眼镜头进行对焦。 

为了便于本装置在光照不足时使用，如图3所示,在箱盖12的底部还帖服固定补光灯50，并在箱体10内壁上固定感光传感器。同时，该补光灯50还可与箱内底部或箱内顶部固定连接，感光传感器还固定于箱内顶部固定连接(图中未示出)，位于鱼眼图像采集器30的一侧，输出端与标定处理器40连接，标定处理器40的输出端与补光灯50连接，当接收到的感光传感器的感应值低于设定感应值时，驱动补光灯50点亮。从而可在环境光较暗时进行使用。 

为便于标定板20拆卸或更换，在本发明的一种实施方式中，在箱内底部设 有滑槽，使箱内底板通过滑槽与标定板20固定连接。 

在本发明的一种实施方式中，标定处理器40根据当前标定板20图像的多条经线及纬线信息，对当前标定板20图像信息标定的过程为： 

标定处理器40从当前标定板20图像中提取出多条经线图像及纬线图像； 

根据多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标；根据多条纬线图像获取多条纬线的纬向交汇点坐标； 

根据纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx,根据经向交汇点坐标获取经向焦距fy； 

根据纬向交汇点坐标及经向交汇点坐标获取鱼眼镜头的光心； 

根据纬向焦距fx、经向焦距fy及光心对当前鱼眼镜头图像进行标定，获取处理后图像。 

上述从当前标定板20图像中提取出多条经线图像及纬线图像的步骤包括： 

对当前标定板20图像中进行边缘检测获取多个标定单元区域； 

根据多个标定单元区域进行标记后合并，提取出多条经线图像及纬线图像。 

上述根据多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条经线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条经线的经向交汇点坐标。 

上述根据多条纬线图像获取多条纬线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条纬线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条纬线的纬向交汇点坐标。 

上述根据纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx的步骤包括， 

根据纬向交汇点坐标v_x1和v_x2及 

$f_x=\frac{|v_{x1}-v_{x2}|}{\mathrm{\π}}$

获取纬向焦距fx。 

其中，根据经向交汇点坐标获取经向焦距fy的步骤包括， 

根据经向交汇点坐标v_y1和v_y2及 

$f_y=\frac{|v_{y1}-v_{y2}|}{\mathrm{\π}}.$

获取纬向焦距fy。 

在本发明的一种实施方式中，标定处理器40根据当前标定板20图像的多条经线及纬线信息，对当前标定板20图像信息标定的过程为： 

设定理想的鱼眼镜头满足等距投影模型。在该模型中，投影点到图像中光心的距离，与光线的入射角成正比，比例因子称为焦距。其投影公式为 

r_d＝fθ                (1) 

其中r^d表示图像上的投影点到光心的径向距离，θ表示空间中该点的入射角。 

首先为一组圆心共线圆建立模型。假设圆心共线圆相交于两个消失点v₁和v₂，经过平移T＝T(x,y)和旋转R＝R(θ)，定义线段的中点为原点，v₁和v₂确定的直线为X轴，如图5所示。此时对于圆C_i，其圆心位于点(0,b_i)，消失点v₁和v₂的坐标分别为(-a,0)和(a,0)。圆C_i的方程可以表示为 

x²+(y-b_i)²＝r_i ²,                  (2) 

其半径为： 

$r_i=\sqrt{a^2+b_i^2}.---\left(3\right)$

若要估计N个圆的参数，需要估计N+4个参数，即x,y,θ,a,b₁,…,b_N。 

经过平移T和旋转R，点p从(m,n)移动到(m',n')，满足 

$\left[\begin{array}{c}{m}^{\′}\\ n^{\′}\end{array}\right]=R(P-T)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}m-x\\ n-y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(m-x)\cos \mathrm{\θ}-(n-y)\sin \mathrm{\θ}\\ (m-x)\sin \mathrm{\θ}+(n-y)\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

如果有N_i个点属于圆C_i，并且移动后的点p'_i,k到该圆的距离为 

$d_{i,k}=\left|\right|{P^{\′}}_{i,k}-C_i\left|\right|=\sqrt{{\left({m^{\′}}_{i,k}\right)}^2+{({n^{\′}}_{i,k}-b_i)}^2},---\left(5\right)$

那么圆C_i的拟合误差可以表示为 

$f_i=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(d_{i,k}-r_i)}^2=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{{\left({m^{\′}}_{i,k}\right)}^2+{({n^{\′}}_{i,k}-b)}^2}-\sqrt{a^2+b_i^2})}^2,---\left(6\right)$

所有数据的拟合误差为 

$F=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(d_{i,k}-r_i)}^2.---\left(7\right)$

将公式(4)和(6)代入(7)，得到 

$F=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\Σ}}}{(\sqrt{{(m_{i,k}-x)}^2+{(n_{i,k}-y)}^2+b_i^2-2b_i(m_{i,k}-x)\sin \mathrm{\θ}-2b_i(n_{i,k}-y)\cos \mathrm{\θ}}-\sqrt{a^2+b_i^2})}^2---\left(8\right)$

这样就将一组圆的拟合问题形式化为非线性最小二乘问题。 

LM算法是一种求解非线性最小二乘问题的非常有效的方法。为了应用LM算法，首先需要推导出公式(8)相对于各个变量的偏导数。经过一些数学推导，得到下列公式： 

$\frac{\∂f_i}{\∂x}=\frac{-(m-x)+b_i\sin \mathrm{\θ}}{d}$

$\frac{\∂f_i}{\∂y}=\frac{-(n-y)+b_i\cos \mathrm{\θ}}{d}$

$\frac{\∂f_i}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{b_i}{d}(-(m-x)\cos \mathrm{\θ}+(n-y)\sin \mathrm{\θ})---\left(9\right)$

$\frac{\∂f_i}{\∂a}=-\frac{a}{r_i}$

$\frac{\∂f_i}{\∂b_j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{b_i-(m-x)\sin \mathrm{\θ}-(n-y)\cos \mathrm{\θ}}{d}-\frac{b_i}{r_i}& \mathrm{ifi}=j\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

这样，就可以应用LM算法进行一组圆心共线圆的拟合了。步骤如下： 

(1)将数据点分组，每组分别用一个圆拟合； 

(2)找出两个半径最小的圆，计算其交点； 

(3)计算初始的参数值x,y,θ,a,b₁,…,b_N. 

(4)采用LM算法迭代直至收敛； 

(5)根据这些参数的值，计算各个圆的参数。 

经过拟合之后，可以计算出水平消失点v_x1和v_x2以及竖直消失点v_y1和v_y2的位置。令l_x表示连接v_x1和v_x2的直线，l_y表示连接v_y1和v_y2的直线，则两条直线的交点即为光心，水平方向和竖直方向的焦距表示为 

$f_x=\frac{|v_{x1}-v_{x2}|}{\mathrm{\π}}---\left(10\right)$

$f_y=\frac{|v_{y1}-v_{y2}|}{\mathrm{\π}}.---\left(11\right)$

此时得到的光心和焦距即为标定结果。 

最后进行图像畸变矫正：根据上述计算获得的光心和焦距等参数，利用公式(1)的逆变换，就可以实现图像的畸变矫正。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 

Claims (10)

1.鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，包括，标定箱体，标定板、鱼眼图像采集器及标定处理器；在所述标定箱体的箱内底部设置所述标定板，箱内顶部设置所述鱼眼图像采集器，使所述鱼眼图像采集器的采集端与所述标定板相对，对所述标定板的图像进行采集，所述鱼眼图像采集器的输出端与所述标定处理器的输入端连接，所述标定处理器从所述鱼眼图像采集器接收当前标定板图像，根据所述当前标定板图像的多条经线及纬线信息，对所述当前标定板图像信息标定。

2.根据权利要求1所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述标定箱体的侧壁开设鱼眼图像采集器调节孔。

3.根据权利要求1或2所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，还包括，补光灯及感光传感器；所述补光灯与所述箱内底部或箱内顶部固定连接，所述感光传感器固定于所述箱内顶部固定连接，位于所述鱼眼图像采集器的一侧，输出端与所述标定控制器连接，所述标定控制器的输出端与所述补光灯连接，当接收到的感光传感器的感应值低于设定感应值时，驱动所述补光灯点亮。

4.根据权利要求3所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述箱内底板通过滑槽与所述标定板固定连接。

5.根据权利要求1或4所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述标定处理器根据所述当前标定板图像的多条经线及纬线信息，对所述当前标定板图像信息标定包括：

所述标定处理器从所述当前标定板图像中提取出多条经线图像及纬线图像；

根据所述多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标；根据所述多条纬线图像获取多条纬线的纬向交汇点坐标；

根据所述纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx,根据所述经向交汇点坐标获取经向焦距fy；

根据所述纬向交汇点坐标及所述经向交汇点坐标获取鱼眼镜头的光心；

根据所述纬向焦距fx、经向焦距fy及所述光心对当前鱼眼镜头图像进行标定，获取处理后图像。

6.根据权利要求5所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述从所述当前标定板图像中提取出多条经线图像及纬线图像的步骤包括：

对所述当前标定板图像中进行边缘检测获取多个标定单元区域；

根据所述多个标定单元区域进行标记后合并，提取出多条经线图像及纬线图像。

7.根据权利要求6所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述根据所述多条经线图像获取多条经线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条经线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条经线的经向交汇点坐标。

8.根据权利要求7所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述根据所述多条纬线图像获取多条纬线的经向交汇点坐标的步骤包括，根据多条纬线图像，进行圆心共线圆拟合获取多条纬线的纬向交汇点坐标。

9.根据权利要求7或8所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述根据所述纬向交汇点坐标获取纬向焦距fx的步骤包括，

根据所述纬向交汇点坐标v_x1和v_x2及

$f_x=\frac{|v_{x1}-v_{x2}|}{\mathrm{\π}}$

获取纬向焦距fx。

10.根据权利要求9所述的鱼眼镜头的标定装置，其特征在于，所述根据所述经向交汇点坐标获取经向焦距fy的步骤包括，

根据所述经向交汇点坐标v_y1和v_y2及

$f_y=\frac{|v_{y1}-v_{y2}|}{\mathrm{\π}}.$

获取纬向焦距fy。