CN104637042A - 一种基于圆形参照物的摄像机标定方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆形参照物的摄像机标定方法与系统，该方法包括：步骤一，将圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内，获取该圆形参照物的半径、该摄像机的实际高度；步骤二，将圆形参照物的位置调整至该摄像机的图像中央，使得圆形参照物变成椭圆形；步骤三，获取该椭圆形的最大半径与最小半径，根据该最大半径与该最小半径获取该摄像机的当前倾斜角度；步骤四，根据该摄像机的实际高度、该圆形参照物的半径与成像信息以及该摄像机的当前倾斜角度获取该摄像机的参数。该方法解决了现有技术中无法有效的得到所有前端摄像机设备的参数的缺陷。

Description

一种基于圆形参照物的摄像机标定方法及其系统

技术领域

本发明属于多媒体通信领域，特别涉及一种基于圆形参照物的摄像机标定方法及其系统。

背景技术

在当前视频监控行业，前段监控摄像机的数量越来越庞大，同时对于摄像机的使用方式越来越精细化、多样化，例如传统的监控行业仅要求能够对摄像机实时视频的显示，但随着行业的发展，这种方式已不能满足当前的应用需要。

当前的视频监控应用需求越来越多，如能够对所有摄像机的可视范围进行精确的计算、对摄像机的云镜控制能够更加精细化、数字化。这些需求都要求得到摄像机的内部参数，以此为依据进行数字化计算、及控制。虽然当前监控行业已开始大量部署发展数字摄像机，能够满足当前监控需求。但是当前前端摄像机的大部分仍然是由传统的老旧模拟摄像机组成，同时由于部署时间较长等原因，对于自身的内部参数已无数据可查询。因此如何在当前大量老旧摄像机的基础上满足当前用户的需求是一个非常大的难题。可以说目前视频监控领域的摄像机精细化控制存在以下问题：目前大部分的前端摄像机参数已无数据可查，这样就造成了难以对该摄像机进行精细化控制与管理，这使得视频监控系统中对摄像机的精细化管理要求陷入瓶颈，造成监控模糊，控制不准确的问题。

如何有效的得到所有前端摄像机设备的参数，是一个急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于圆形参照物的摄像机标定方法及其系统，用于解决现有技术中无法有效的得到所有前端摄像机设备的参数的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，包括：

步骤一，将圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内，获取该圆形参照物的半径、该摄像机的实际高度；

步骤二，将圆形参照物的位置调整至该摄像机的图像中央，使得圆形参照物变成椭圆形；

步骤三，获取该椭圆形的最大半径与最小半径，根据该最大半径与该最小半径获取该摄像机的当前倾斜角度；

步骤四，根据该摄像机的实际高度、该圆形参照物的半径与成像信息以及该摄像机的当前倾斜角度获取该摄像机的参数。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其中，所述步骤三中，包括：根据如下公式获得该摄像机的当前倾斜角度：

α=arccos(r/R)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

r为椭圆形的最小半径，单位毫米mm；

R为椭圆形的最大半径，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其中，所述步骤四中，包括：根据该摄像机的实际高度以及当前倾斜角度获取该摄像机的当前物距，公式如下：

MO=H/cos(α)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

H为摄像机的实际高度，单位毫米mm；

MO为摄像机的当前物距，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其中，所述步骤四中，包括：根据该圆形参照物的靶标水平成像与水平投影以及该摄像机的当前物距获取该摄像机的当前焦距，公式如下：

其中，f为摄像机的当前焦距，单位毫米mm；

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像，单位毫米mm；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其中，所述步骤四中，包括：以如下公式获取该摄像机当前的水平视角及垂直视角：

$\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{view}\_\mathrm{width}}=\frac{L}{\mathrm{XY}}$

$\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{view}\_\mathrm{height}}=\frac{L}{\mathrm{PQ}}$

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

$\mathrm{vAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

其中，

hAngleView为摄像机当前的水平视角，单位度(°)；

vAngleView为摄像机当前的垂直视角，单位度(°)；

MO为摄像机的当前物距，单位毫米mm；

XY为摄像机的水平视野物理宽度，单位毫米mm；

PQ为摄像机的垂直视野物理宽度，单位毫米mm；

AB为椭圆形的最大半径，单位毫米mm；

EF为椭圆形的最大半径，单位毫米mm；

L为圆形参照物的半径，单位毫米mm；

view_width为摄像机的水平视角成像宽度，单位像素；

view_height为摄像机的垂直视角成像宽度，单位像素。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，包括：

参照物放置模块，用于将圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内；

数据获取模块，用于获取该圆形参照物的半径及该摄像机的实际高度；

位置调整模块，连接参照物放置模块，用于将圆形参照物的位置调整至该摄像机的图像中央，使得圆形参照物变成椭圆形；

半径获取模块，连接位置调整模块，用于获取该椭圆形的最大半径与最小半径；

角度获取模块，连接半径获取模块，用于根据该最大半径与该最小半径获取该摄像机的当前倾斜角度；

参数获取模块，连接数据获取模块、半径获取模块、角度获取模块，用于根据该摄像机的实际高度、该圆形参照物的半径与成像信息以及该摄像机的当前倾斜角度获取该摄像机的参数。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其中，所述角度获取模块根据如下公式获得该摄像机的当前倾斜角度：

α=arccos(r/R)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

r为椭圆形的最小半径，单位毫米mm；

R为椭圆形的最大半径，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其中，所述参数获取模块根据该摄像机的实际高度以及当前倾斜角度获取该摄像机的当前物距，公式如下：

MO=H/cos(α)其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

H为摄像机的实际高度，单位毫米mm；

MO为摄像机的当前物距，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其中，所述参数获取模块根据该圆形参照物的靶标水平成像与水平投影以及该摄像机的当前物距获取该摄像机的当前焦距，公式如下：

其中，f为摄像机的当前焦距，单位毫米mm；

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像，单位毫米mm；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像，单位毫米mm。

所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其中，所述参数获取模块以如下公式获取该摄像机当前的水平视角及垂直视角：

$\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{view}\_\mathrm{width}}=\frac{L}{\mathrm{XY}}$

$\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{view}\_\mathrm{height}}=\frac{L}{\mathrm{PQ}}$

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

其中，

hAngleView为摄像机当前的水平视角，单位度(°)；

vAngleView为摄像机当前的垂直视角，单位度(°)；

MO为摄像机的当前物距，单位毫米mm；

XY为摄像机的水平视野物理宽度，单位毫米mm；

PQ为摄像机的垂直视野物理宽度，单位毫米mm；

AB为椭圆形的最大半径，单位毫米mm；

EF为椭圆形的最大半径，单位毫米mm；

L为圆形参照物的半径，单位毫米mm；

view_width为摄像机的水平视角成像宽度，单位像素；

view_height为摄像机的垂直视角成像宽度，单位像素。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明提供一种圆形参照物，以及一种基于该圆形参照物的摄像机标定方法，该方法解决了现有技术中无法有效的得到所有前端摄像机设备的参数的缺陷。

附图说明

图1是本发明的基于参照物的摄像机标定方法流程图；

图2是本发明的基于参照物的摄像机标定原理示意图；

图3是本发明的针孔成像前投影模型示意图；

图4是本发明的参照物及参照物投影效果图；

图5是本发明的垂直方向上靶标投影关系示意图；

图6是本发明的水平方向上靶标投影关系示意图；

图7是本发明的基于参照物的摄像机标定系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，是本发明的基于参照物的摄像机标定方法流程图，图2是本发明的基于参照物的摄像机标定原理示意图，图3是本发明的针孔成像前投影模型示意图，图4是本发明的参照物及参照物投影效果图，图5是本发明的垂直方向上靶标投影关系示意图，图6是本发明的水平方向上靶标投影关系示意图。

结合图1，该方法包括如下步骤：

步骤101，圆形参照物是由一个圆型靶标组成，设定半径为L，进行测量时将该圆形参照物水平放在待测量摄像机的可视范围内；

步骤102，测量该圆形参照物的半径；

步骤103，测量该摄像机的实际高度，设为H，单位毫米mm；

步骤104，通过计算机调看该摄像机的图像，将圆形参照物位置调整至该摄像机的图像中央，此时从图像中看到的圆形参照物已变成椭圆形；

步骤105，测量图像中该椭圆形的最大半径R与最小半径r的像素值，如图4所示；

步骤106，通过摄像机坐标系与图像坐标系的转换，计算得到摄像机当前倾斜角度α，α=arccos(r/R)；

如图5、图6所示，OD=OR1=OR2=L表示未发生投影时圆形参照物的实际半径，单位毫米mm，进行投影成像后，由于倾斜角度原因，圆形参照物投影后变成椭圆形，并且由于倾斜方向是垂直方向，垂直倾斜角度越大，垂直方向的半径越小，而水平方向的半径不变，故AB表示最小半径r，AB=r，EF表示最大半径R，EF=R。

CR1是由垂直半径OR1进行倾斜投影后得到的投影半径，CR1/OR1的比例关系，就表示垂直倾斜角度α，单位度(°)。

α=arccos(CR1/OR1)    (1)

步骤107，通过摄像机坐标系三角变换原理，计算出摄像机的参数，如当前焦距、物距、水平视角、垂直视角等参数。

下面结合图2-6进一步描述基于参照物的摄像机标定的工作原理：

在图像测量过程以及机器视觉应用中，常常会涉及到这样一个概念，即利用摄像机所拍摄到的图像来还原空间中的物体。在这里，不妨假设摄像机所拍摄到的图像与三维空间中的物体之间存在以下一种简单的线性关系：

[像]=M[物]

这里，矩阵M可以看成是摄像机成像的几何模型。矩阵M中的参数是摄像机参数。通常，这些参数需要通过实验与计算来得到。这个求解这些参数的过程称为摄像机标定。

图像是空间物体通过成像系统在像平面上的反映，即空间物体在像平面上的投影。图像上每一个像素点的灰度反映了空间物体表面某点的反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面对应点的几何位置有关。这些位置的相互关系，由摄像机成像系统的几何投影模型所决定，理想的投影成像模型是光学中的中心投影，也称为针孔模型，如图3所示。

在图3中，(X_c,Y_c,Z_c)为以透镜中心即光学中心为坐标原点的三维坐标系，P1'(x,y,-f)、P2'(x,y,-f)为像点坐标，P1(X,Y,Z)、P2(X,Y,Z)为投影点坐标，成像面与投影面平行于平面X_cY_c，其中成像面距光心距离为焦距f，单位毫米mm，投影面距光心距离为物距Z，单位毫米mm。根据模型，可得到以下公式（2）：

圆形参照物是由一个圆型靶标组成，设定实际半径为L，进行测量时该圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内。测量该摄像机的实际高度，设为H，单位毫米mm。

参见图2、图3所示，圆形靶标位于水平地面上，摄像机距离地面的高度为H，同时摄像机镜头中心点要求正对圆形靶标的中心点。

如图5所示，是本发明的垂直方向上靶标投影关系示意图。

在图5中，AB表示靶标半径在靶面上的成像半径，根据公式（2）可知垂直方向上的CR1表示AB的投影。

如图6所示，是本发明的水平方向上靶标投影关系示意图。

在图6中，镜头中心点与靶标的中心点都位于o点，OD表示靶标半径，β表示摄像机镜头的水平视角，β是需要计算的参数之一，β=hAngleView。EF表示靶标半径OD在靶面上的成像大小，根据公式（2）可知水平方向上的OD表示EF的投影。

由公式（2）可得到以下公式（3）：

根据图5、图6可得到以下公式（4）：

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像，单位毫米mm；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像，单位毫米mm；

靶标_垂直成像为该圆形参照物的靶标垂直成像，单位毫米mm；

靶标_垂直投影为该圆形参照物的靶标垂直投影成像，单位毫米mm。

转换成实际参数可得到以下公式（5）：

$\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{AB}}=\frac{\mathrm{OD}}{\mathrm{CR}1}---\left(5\right)$

由于OD=OR1，因此根据公式（1）、（5），可得到以下公式（6）

$\cos \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{CR}1}{\mathrm{OR}1}=\frac{\mathrm{CR}1}{\mathrm{OD}}=\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{EF}}=\frac{r}{R}---\left(6\right)$

根据摄像机的倾斜角度计算物距MO，单位毫米mm：

MO=H/cos(α)    (7)

根据公式（2）计算当前焦距f，单位毫米mm：

根据图4，根据图像分辨率可得到摄像机的水平视角成像宽度view_width、垂直视角成像宽度view_height，单位像素，view_width与view_height按照16:9或4:3或其他实际需要的比例关系自行设定，如可设定为view_width=400个像素，view_height=300个像素。

根据图5、图6，通过三角换算可得摄像机的水平视野物理宽度XY、垂直视野物理宽度PQ，单位毫米mm，计算公式如下：

得到摄像机的水平视野物理宽度XY、垂直视野物理宽度PQ后，同样通过三角换算可得摄像机的水平视角hAngleView，垂直视角vAngleView，计算公式如下：

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{vAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)---\left(12\right)$

如图7所示，是本发明的基于参照物的摄像机标定系统结构图。结合图1-6，该系统700包括：

参照物放置模块71，用于将进行测量时该圆形参照物水平放在待测量摄像机的可视范围内，该圆形参照物是由一个圆型靶标组成，设定半径为L；

高度获取模块72，用于测量该摄像机的实际高度，设为H；

位置调整模块73，连接参照物放置模块71，用于通过计算机调看该摄像机的图像，将圆形参照物的位置调整至图像中央，此时从图像中看到的圆形参照物已变成椭圆形；

半径获取模块74，连接位置调整模块73，用于测量图像中该椭圆形的最大半径R与最小半径r，单位毫米mm；

角度获取模块75，连接半径获取模块74，用于通过转换摄像机坐标系与图像坐标系，计算出摄像机当前倾斜角度α，单位度(°)，α=arcsin（r/R）；

参数获取模块76，连接数据获取模块72、半径获取模块74、角度获取模块75，用于根据摄像机坐标系三角变换原理，计算出摄像机当前焦距、物距、水平视角、垂直视角等参数。

进一步地，角度获取模块75根据如下公式获得该摄像机的当前倾斜角度：

α=arccos(r/R)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

r为椭圆形的最小半径，单位毫米mm；

R为椭圆形的最大半径，单位毫米mm。

进一步地，参数获取模块76根据该摄像机的实际高度以及当前倾斜角度获取该摄像机的当前物距，公式如下：

MO=H/cos(α)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度，单位度(°)；

H为摄像机的实际高度，单位毫米mm；

MO为摄像机的当前物距，单位毫米mm。

进一步地，参数获取模块76根据该圆形参照物的靶标水平成像与水平投影以及该摄像机的当前物距获取该摄像机的当前焦距，公式如下：

其中，f为摄像机的当前焦距，单位毫米mm；

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像。

进一步地，参数获取模块76以如下公式获取该摄像机当前的水平视角及垂直视角：

得到摄像机的水平视野物理宽度XY、垂直视野物理宽度PQ，单位毫米mm后，同样通过三角换算可得摄像机的水平视角hAngleView，垂直视角vAngleView，计算公式如下：

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{vAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)---\left(12\right)$

本发明提供了一种圆形参照物，以及一种基于该圆形参照物的摄像机标定方法，该方法解决了现有技术中无法有效的得到所有前端摄像机设备的参数的缺陷。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，包括：

步骤一，将圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内，获取该圆形参照物的半径、该摄像机的实际高度；

步骤二，将圆形参照物的位置调整至该摄像机的图像中央，使得圆形参照物变成椭圆形；

步骤三，获取该椭圆形的最大半径与最小半径，根据该最大半径与该最小半径获取该摄像机的当前倾斜角度；

步骤四，根据该摄像机的实际高度、该圆形参照物的半径与成像信息以及该摄像机的当前倾斜角度获取该摄像机的参数。

2.根据权利要求1所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤三中，包括：根据如下公式获得该摄像机的当前倾斜角度：

α=arccos(r/R)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度；

r为椭圆形的最小半径；

R为椭圆形的最大半径。

3.根据权利要求1或2所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤四中，包括：根据该摄像机的实际高度以及当前倾斜角度获取该摄像机的当前物距，公式如下：

MO=H/cos(α)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度；

H为摄像机的实际高度；

MO为摄像机的当前物距。

4.根据权利要求3所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤四中，包括：根据该圆形参照物的靶标水平成像与水平投影以及该摄像机的当前物距获取该摄像机的当前焦距，公式如下：

其中，f为摄像机的当前焦距；

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像。

5.根据权利要求1、2或4所述的基于圆形参照物的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤四中，包括：以如下公式获取该摄像机当前的水平视角及垂直视角：

$\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{view}\_\mathrm{width}}=\frac{L}{\mathrm{XY}}$

$\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{view}\_\mathrm{height}}=\frac{L}{\mathrm{PQ}}$

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

$\mathrm{vAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

其中，

hAngleView为摄像机当前的水平视角；

vAngleView为摄像机当前的垂直视角；

MO为摄像机的当前物距；

XY为摄像机的水平视野物理宽度；

PQ为摄像机的垂直视野物理宽度；

AB为椭圆形的最大半径；

EF为椭圆形的最大半径；

L为圆形参照物的半径；

view_width为摄像机的水平视角成像宽度；

view_height为摄像机的垂直视角成像宽度。

6.一种基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，包括：

参照物放置模块，用于将圆形参照物水平放置在待测量摄像机的可视范围内；

数据获取模块，用于获取该圆形参照物的半径及该摄像机的实际高度；

位置调整模块，连接参照物放置模块，用于将圆形参照物的位置调整至该摄像机的图像中央，使得圆形参照物变成椭圆形；

半径获取模块，连接位置调整模块，用于获取该椭圆形的最大半径与最小半径；

角度获取模块，连接半径获取模块，用于根据该最大半径与该最小半径获取该摄像机的当前倾斜角度；

参数获取模块，连接数据获取模块、半径获取模块、角度获取模块，用于根据该摄像机的实际高度、该圆形参照物的半径与成像信息以及该摄像机的当前倾斜角度获取该摄像机的参数。

7.根据权利要求6所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，所述角度获取模块根据如下公式获得该摄像机的当前倾斜角度：

α=arccos(r/R)

其中，α为摄像机的当前倾斜角度；

r为椭圆形的最小半径；

R为椭圆形的最大半径。

8.根据权利要求6或7所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，所述参数获取模块根据该摄像机的实际高度以及当前倾斜角度获取该摄像机的当前物距，公式如下：

MO=H/cos(α)其中，α为摄像机的当前倾斜角度；

H为摄像机的实际高度；

MO为摄像机的当前物距。

9.根据权利要求8所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，所述参数获取模块根据该圆形参照物的靶标水平成像与水平投影以及该摄像机的当前物距获取该摄像机的当前焦距，公式如下：

其中，f为摄像机的当前焦距；

靶标_水平成像为该圆形参照物的靶标水平成像；

靶标_水平投影为该圆形参照物的靶标水平投影成像。

10.根据权利要求6、7或9所述的基于圆形参照物的摄像机标定系统，其特征在于，所述参数获取模块以如下公式获取该摄像机当前的水平视角及垂直视角：

$\frac{\mathrm{EF}}{\mathrm{view}\_\mathrm{width}}=\frac{L}{\mathrm{XY}}$

$\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{view}\_\mathrm{height}}=\frac{L}{\mathrm{PQ}}$

$\mathrm{hAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{XY}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

$\mathrm{vAngleView}=2*\arctan \left(\frac{\mathrm{PQ}}{2*\mathrm{MO}}\right)$

其中，

hAngleView为摄像机当前的水平视角；

vAngleView为摄像机当前的垂直视角；

MO为摄像机的当前物距；

XY为摄像机的水平视野物理宽度；

PQ为摄像机的垂直视野物理宽度；

AB为椭圆形的最大半径；

EF为椭圆形的最大半径；

L为圆形参照物的半径；

view_width为摄像机的水平视角成像宽度；

view_height为摄像机的垂直视角成像宽度。