CN105809697B - 一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置及其定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置及其定标方法，仅有两个标志点的一维摄像机定标装置包括连轴和两个具有相同尺寸的标志点，所述标志点固定于连轴两端，所述连轴平滑无弯曲，且其长度固定，本发明提出的摄像机定标方法，是通过仅有两个标志点的一维摄像机定标装置在平面上任意放置的五个互不平行的位置的滚动图像，确定摄像机五个未知内参数的摄像机定标方法。与现有的、至少需要三个标志点的一维摄像机定标装置进行摄像机定标的方法相比，本发明仅需具有两个相同尺寸标志点的一维摄像机定标装置即可完成定标，该摄像机定标装置和方法可以快速、高效、准确的对摄像机进行定标，有效降低成本。

Description

一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置及其定标方法

技术领域

本发明涉及一种摄像机定标装置和方法，尤其涉及一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置及其定标方法。

背景技术

计算机视觉的主要任务就是使用计算机、摄像机等设备，通过对采集的二维图像进行处理获得相应场景的三维信息，摄像机定标是计算机视觉从二维图像得到变换信息所必需的步骤，并在计算机视觉中已经得到深入研究。

计算机视觉的广泛应用就要求摄像机定标越简单、越精确越好。摄像机定标就是利用摄像机获取的二维图像通过一系列的转换得到在三维空间中对应的信息，这个转换过程中用到的几何模型参数就是摄像机的参数，而求解参数的过程就是摄像机定标的过程，精确的定标结果对计算机视觉的应用是至关重要的。

用X表示世界坐标点，对应的小写字母x表示该点的图像坐标点，是3D世界坐标系中某点的齐次坐标，为该点在图像平面坐标系下的齐次坐标，根据摄像机模型，从3D世界坐标系到其图像坐标系之间的映射关系可以表示如下：

，其中

上式中，是点的深度信息，K是摄像机内参矩阵，和分别是在图像水平u轴和垂直v轴的尺度因子，是图像水平和垂直坐标系的倾斜因子，[u₀, v₀]^T是图像主点坐标，[R t ]是从世界坐标系到图像坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵t，摄像机定标的最终目标就是找出矩阵K中的五个未知参数。

在2010年8月13日由武汉大学申请的公开号为CN101957990Ａ的中国发明专利中，公开了一种摄像机定标方法，在摄像机定标步骤中采用的是粒子群智能算法，该方法需要大量粒子作为定标物的标志点，且在摄像机定标过程中需要经过获取模板图像、分配参数、计算适应值等步骤将摄像机定标问题转化为参数优化问题，虽然可以减少对定标环境和定标时间的要求，提高了定标精度，但其实现过程复杂。

目前在技术界内，已有文献中用来进行摄像机定标的一维定标物需要至少三个标志点，定标过程复杂、定标效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置及其定标方法，该方法只需要具有两个相同尺寸标志点的定标物即可进行摄像机定标，定标简单、精确度高，提高计算机视觉的图像信息处理效果。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置，其特征在于：包括连轴和两个具有相同尺寸的标志点，所述标志点固定于连轴两端，所述连轴平滑无弯曲，且其长度固定。

一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将仅有两个标志点的一维摄像机定标装置在平板上滚动，通过几何关系得到定标装置两个定标点所在平面的无穷远隐消线l _v ；

步骤2：把定标装置在平板上任意放置五个互不平行的位置，并用待定标的摄像机记录这五个位置的图像信息；

步骤3：通过一维摄像机定标装置的图像信息之间的平移和几何关系，按照具体算法得到满足求解摄像机五个未知参数的五个方程，求解五个未知参数，即可完成摄像机定标。

所述步骤1中通过仅有两个标志点的一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得平面无穷远隐消线l _v 的方法，包括如下步骤：

步骤1-1：把仅有两个标志点的一维摄像机定标装置放置在平板上，推动定标物的中间令其滚动；

步骤1-2：用摄像头记录定标装置的滚动的过程；

步骤1-3：选择摄像机记录下来的推动过程中的任意两帧图像；

步骤1-4：在这两帧图像中，进一步分别得到平面水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标，利用这两个齐次坐标进行差乘得到平面的无穷远隐消线方程。

所述步骤1-4中分别得到水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标的方法为：

步骤1-4-1：令一维摄像机定标装置初始位置为A₀B₀，在被滚动过程中抓取的两张图中，此时定标物件分别处于A_iB_i和A_jB_j位置；

步骤1-4-2：由于一维摄像机定标装置两端标志点尺寸相同，因此A_iA_jB_jB_i是一个矩形，可以得出A_iA_j//B_iB_j，直线A_iA_j和B_iB_j的交点，即水平无穷远隐消点P_h的位置就可以得到；同理，可以得到直线A_iB_i和A_jB_j的垂直无穷远隐消点P_v。

所述步骤3中的具体算法包括如下步骤：

步骤3-1：把定标装置放在平板上，至少放置在任意五个相互间不平行的位置并用待定标摄像机依次拍照；

步骤3-2：通过任一一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得两个标志点所在平面的无穷远隐消线lv；

步骤3-3：任选两帧照片，一维摄像机定标装置所处的位置分别是线段A₀B₀和A_iB_i，从摄像机采集的图像得到3D 点A₀，B₀，A_i，B_i的图像坐标a₀，b₀，a_i，b_i，分别得到线a_ib_i和线a₀a_i与l_v的交点p_i和p；

步骤3-4：将A_iB_i平移到A_i和A₀重合，得到的A₀A_iB_iB_i’是一个平行四边形，接着找到B₀相对于点A₀对称的对称虚拟点B₀’、B₀、B_i’和B₀’三个点就可以完全确定一个半径为 L且圆心为A₀的圆，所述L为一维摄像机定标装置的长度，分别计算出 B₀B_i’和 B_i’B₀’的无穷远隐消点和；

步骤3-5：由经过圆心的圆内接三角形均是直角三角形的性质可知，B₀B_i’和 B_i’B₀’相互垂直，因而这两条直线的两个无穷远隐消点和也相互垂直，可以得到公式，因此通过五个互不平行位置的帧图像，可以得到五对满足公式的和，从而求解出内参矩阵中的五个未知参数。

摄像机的五个未知参数还可以通过一维摄像机定标装置的多组互不平行的位置图像，得到若干组满足求解摄像机五个未知参数的的方程，再利用最小二乘法得到更为精确的摄像机参数。

本发明具有的有益效果：本发明采用更少的标志点对摄像机进行定标，使摄像机定标方法更为简洁、精确，有效降低成本、提高效率，提高计算机视觉的图像信息处理效果。

附图说明

以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。

图1为本发明一维摄像机定标装置的结构示意图；

图2为一维摄像机定标装置在平面滚动的示意图；

图3为兴趣平面和桌面平面示意图；

图4为一维摄像机定标装置的五个互不平行位置示意图；

图5为一维摄像机定标装置的原理证明图；

图6为3D标志点的图像点几何关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图进一步阐述本发明。

如图1所示，一种仅有两个标志点的一维摄像机定标装置，其特征在于：包括连轴1和两个具有相同尺寸的标志点2，所述标志点2固定于连轴1两端，所述连轴1平滑无弯曲，且其长度固定。

一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将仅有两个标志点的一维摄像机定标装置在平板上滚动，通过几何关系得到定标装置两个定标点所在平面的无穷远隐消线l _v ；

步骤2：把定标装置在平板上任意放置五个互不平行的位置，并用待定标的摄像机记录这五个位置的图像信息；

步骤3：通过一维摄像机定标装置的图像信息之间的平移和几何关系，按照具体算法得到满足求解摄像机五个未知参数的五个方程，求解五个未知参数，即可完成摄像机定标。

一种通过仅有两个标志点的一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得平面无穷远隐消线的方法，包括如下步骤：

步骤1-1：把仅有两个标志点的一维摄像机定标装置放置在平板上，推动定标物的中间令其滚动；

步骤1-2：用摄像头记录一维摄像机定标装置的滚动的过程；

步骤1-3：选择摄像机记录下来的推动过程中的任意两帧图像；

步骤1-4：在这两帧图像中，进一步分别得到水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标，利用这两个齐次坐标进行差乘得到平面的无穷远隐消线方程。

如图2所示，分别得到水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标的方法如下：

一维定标物件初始位置为A₀B₀，在被滚动过程中抓取两张图中，定标物件分别处于A_iB_i和A_jB_j由于一维定标物两端同样大小，因此A_iA_jB_jB_i是一个矩形，可以得出A_iA_j//B_iB_j。直线A_iA_j和B_iB_j的交点，即水平无穷远隐消点P_h的位置就可以得到；同理，可以得到直线A_iB_i和A_jB_j的无穷远垂直隐消点P_v。至此，就得到了平面的隐消线L_v，即直线P_hP_v，同时得到了L_v对应的图像坐标系下的隐消线l _v 。

上述通过任意两帧图像确定平面隐消线的完整过程实施详细步骤为：

步骤一：由图像得到3D 点A_i、A_j、B_i和B_j的图像坐标a_i、a_j、b_i、b_j；

步骤二：直线a_ia_j和直线b_ib_j的交点p_h，即水平无穷远隐消点P_h对应的图像点位置坐标；

步骤三：直线a_ib_i和直线a_jb_j的交点p_v，即垂直无穷远隐消点P_v对应的图像点位置坐标；

步骤四：将p_h和p_v的齐次坐标进行差乘，得到平面无穷远隐消线方程l_v，

如图3，实际上，我们得到的平面不是真正的桌子平面，这两个平面互相平行且距离为标志点半径，不过，对定标而言，我们不用关心标志点半径和，只要得到平面的无穷远隐消线方程l _v 就可以继续我们的定标。

如图4~6所示，所述步骤3中具体算法包括如下步骤：

步骤3-1：把定标装置放在平板上，至少放置在任意五个相互间不平行的位置并用待定标摄像机依次拍照；

步骤3-2：通过任一一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得两个标志点所在平面的无穷远隐消线lv；

步骤3-3：任选两帧照片，一维摄像机定标装置所处的位置分别是线段A₀B₀和A_iB_i，从摄像机采集的图像得到3D 点A₀，B₀，A_i，B_i的图像坐标a₀，b₀，a_i，b_i，分别得到线a_ib_i和线a₀a_i与l_v的交点p_i和p；

步骤3-4：将A_iB_i平移到A_i和A₀重合，得到的A₀A_iB_iB_i’是一个平行四边形，接着找到B₀相对于点A₀对称的对称虚拟点B₀’、B₀、B_i’和B₀’三个点就可以完全确定一个半径为 L且圆心为A₀的圆，所述L为一维摄像机定标装置的长度，分别计算出 B₀B_i’和 B_i’B₀’的无穷远隐消点和；

步骤3-5：由经过圆心的圆内接三角形均是直角三角形的性质可知，B₀B_i’和 B_i’B₀’相互垂直，因而这两条直线的两个无穷远隐消点和也相互垂直，可以得到公式，因此通过五个互不平行位置的帧图像，可以得到五对满足公式的和，从而求解出内参矩阵中的五个未知参数。

上述通过至少5个相互之间不平行的位置得到摄像机五个未知参数过程的详细实施步骤为：

1）获得平面的隐消线l_v；

2）直接从摄像机采集的图像得到3D 点A₀、B₀、A_i、B_i的图像坐标a₀、 b₀、a_i、b_i；

3）得到线a_ib_i和l_v的交点p_i；

4）得到线a₀a_i和l_v的交点p；

5）得到b_i’：因为A_iB_i与A₀B_i’平行，可以得到b_i’在 a₀p_i上，并且p_i一定也是线a_i’b_i’的隐消点，已经得到的点p也必是线b_ib_i’的隐消点，因此b_i’也一定在线b_ip上，故可很容易通过a₀ p_i和b_ip的交点得到点b_i’；

6）得到 b₀’：因为A₀是线段B₀B₀’的中点，所以必定有正交关系，并且可以通过a₀b₀和 l_v的交点很容易得到点，再结合已经得到的a₀、b₀和正交关系，就可以得到b₀’。

上述步骤完成后，得到了三个重要的点 b₀ , b₀’和 b_i’，它们是一个圆上三个不同的像点，由于 b₀b_i’和b₀’b_i’正交，因此它们的隐消点p_i1和 p_i2也一定正交，可以得到内参的约束公式：。由于将一维定标物任意放在平板上五个互相不平行的位置，就可以得到五对和，从而求解出摄像机五个未知参数，完成摄像机定标。

公式中，K是摄像机内参矩阵，具体为：

其中，和分别是在图像水平u轴和垂直v轴的尺度因子，是图像水平和垂直坐标系的倾斜因子，[u₀, v₀]^T是图像主点坐标，求解出内参矩阵中的上述五个未知参数即完成对摄像机的定标。

需要说明的是，摄像机的五个未知参数还可以通过一维摄像机定标装置的多组互不平行的位置图像，得到若干组满足求解摄像机五个未知参数的方程，再利用最小二乘法得到更为精确的摄像机参数。

本实用新型所举实施方式或者实施例对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将仅有两个标志点的一维摄像机定标装置在平板上滚动，通过几何关系得到定标装置两个定标点所在平面π的无穷远隐消线l_v；

步骤2：把定标装置在平面上任意放置五个互不平行的位置，并用待定标的摄像机记录这五个位置的图像信息；

步骤3：通过一维摄像机定标装置的图像信息之间的平移和几何关系，按照具体算法得到满足求解摄像机五个未知参数的五个方程，求解五个未知参数，即可完成摄像机定标；

所述步骤3中具体算法包括如下步骤：

步骤3-1：把定标装置放在平面上，至少放置在任意五个相互间不平行的位置并用待定标摄像机依次拍照；

步骤3-2：通过任一一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得两个标志点所在平面π的无穷远隐消线lv；

步骤3-3：任选两帧照片，一维摄像机定标装置所处的位置分别是线段A₀B₀和A_iB_i，从摄像机采集的图像得到3D点A₀，B₀，A_i，B_i的图像坐标a₀，b₀，a_i，b_i，分别得到线a_ib_i和线a₀a_i与l_v的交点p_i和p；

步骤3-4：将A_iB_i平移到A_i和A₀重合，得到的A₀A_iB_iB_i’是一个平行四边形，Bi’为AiBi平移到Ai和A0重合时，Bi对应的点，接着找到B₀相对于点A₀对称的对称虚拟点B₀’、B₀、B_i’和B₀’三个点就可以完全确定一个半径为L且圆心为A₀的圆，所述L为一维摄像机定标装置的长度，分别计算出B₀B_i’和B_i’B₀’的无穷远隐消点和

步骤3-5：由经过圆心的圆内接三角形均是直角三角形的性质可知，B₀B_i’和B_iB₀相互垂直，因而这两条直线的两个无穷远隐消点和与Bi’的连线也相互垂直，可以得到公式因此通过五个互不平行位置的帧图像，可以得到五对满足公式的和从而求解出内参矩阵中的五个未知参数。

2.根据权利要求1所述的一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于：步骤1中通过仅有两个标志点的一维摄像机定标装置的图像位置坐标获得平面π无穷远隐消线l_v的方法，包括如下步骤：

步骤1-1：把仅有两个标志点的一维摄像机定标装置放置在平面上，推动定标物的中间令其滚动；

步骤1-2：用摄像头记录定标装置的滚动的过程；

步骤1-3：选择摄像机记录下来的推动过程中的任意两帧图像；

步骤1-4：在这两帧图像中，进一步分别得到水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标，利用这两个齐次坐标进行差乘得到平面的无穷远隐消线方程。

3.根据权利要求2所述的一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于：所述步骤1-4中分别得到水平无穷远隐消点的图像位置坐标和垂直无穷远隐消点的图像位置坐标的方法为：

步骤1-4-1：令定标装置初始位置为A₀B₀，在被滚动过程中抓取的两张图中，此时定标物件分别处于A_iB_i和A_jB_j位置；

步骤1-4-2：由于定标装置两端标志点尺寸相同，因此A_iA_jB_jB_i是一个矩形，可以得出A_iA_j//B_iB_j，直线A_iA_j和B_iB_j的交点，即水平无穷远隐消点P_h的位置就可以得到；同理，可以得到直线A_iB_i和A_jB_j的垂直无穷远隐消点P_v。

4.根据权利要求1所述的一种确定摄像机内参数的定标方法，其特征在于：摄像机的五个未知参数还可以通过定标装置的多组互不平行的位置图像，得到若干组满足求解摄像机五个未知参数的的方程，再利用最小二乘法得到更为精确的摄像机参数。