CN106408614B - 适于现场应用的摄像机内参数标校方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摄像机内参数标校方法和系统，首先将内参数标定装置上电；将摄像机、加固计算机与标定计算机终端相互连接并上电；标定计算机终端通过加固计算机给摄像机发送拍摄并导出左舷或右舷摄像机图像的指令；根据指令，左舷或右舷摄像机拍摄内参数标定装置的图像，并将图像发送给加固计算机的图像数据处理单元；图像数据处理单元接收图像进行处理并发送给标定计算机终端；标定计算机终端根据摄像机图像对摄像机内参数进行标定；再由摄像机进行内参数装订；最后利用摄像机的内参数实时对目标位置点进行畸变校正。本发明的实现不需要精密复杂的设备，适于现场应用。
Description
技术领域
本发明涉及摄像机标定技术领域，尤其涉及一种适于现场应用的摄像机内参数标校方法和系统。
背景技术
摄像机标定是从二维图像提取三维空间信息的前提，是三维重建、立体视觉的关键步骤。摄像机标定的结果直接影响三维测量和重建的精度。摄像机标定的实质是求解摄像机成像的几何模型参数，亦称摄像机内部参数。该几何模型决定了空间物体表面某几点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系。标定过程就是利用这种相互关系确定摄像机内参数。摄像机内参数具体包括焦距、光学主点、像元尺寸、畸变系数等，是机器视觉所需的关键参数。摄像机内参数对位置解算精度有着直接的影响，为了使跟踪设备“尺子”功能量的更准，就要把摄像机内参数标定的精度更高。光学计量单位的内参标定采用星点检测及精密测角法，一般采用精密转台加平行光管的方法获取一定数量不同入射角下的星点成像位置坐标，再通过多项式拟合径向畸变及数值优化，计算出摄像机的焦距、主点、畸变系数等内参数。已标定摄像机在使用中因振动等原因结构发生变化会引起内参数变化，经常需要现场标定。然而，现有的摄像机标定方法需要精密复杂的设备，不适于现场应用。因此，本发明提供一种适于现场应用的摄像机内参数标校方法。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种摄像机内参数标校方法和系统，用以解决现有方法需要精密复杂设备的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
提供了一种摄像机内参数标校方法，包括以下步骤：
步骤S1.将内参数标定装置上电；将摄像机、加固计算机与标定计算机终端相互连接并上电；所述摄像机包括左舷和右舷摄像机，加固计算机包括航插座、CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元；
步骤S2.标定计算机终端通过加固计算机给摄像机发送拍摄并导出左舷或右舷摄像机图像的指令；根据指令，左舷或右舷摄像机拍摄内参数标定装置的图像，并将图像发送给图像数据处理单元；图像数据处理单元接收图像进行处理并发送给标定计算机终端；
步骤S3.标定计算机终端根据摄像机图像对摄像机内参数进行标定；
步骤S4.摄像机进行内参数装订；
步骤S5.利用摄像机的内参数实时对目标位置点进行畸变校正。
其中，内参数标定装置包括铝合金光学平板和全光谱发光灯具；铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，圆形通孔在摄像机成像中呈现椭圆形；全光谱发光灯具为主动发光阵列，圆形通孔阵列和主动发光阵列的行、列数目相同；全光谱发光灯具从铝合金光学平板后表面，即背对摄像机的一面插入圆形通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面。且全光谱发光灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制主动发光阵列的亮度。
优选的，左舷、右舷两路摄像机，以内参数标定装置上的主动发光阵列作为标定控制点，各采取至少2个不同位置和姿态拍摄至少5张内参数标定装置的图像。
步骤S3中的标定步骤进一步包括：
S31.对摄像机图像进行自适应阈值分割后，再利用形心法提取标定控制点的椭圆图形的中心坐标，得到标定控制点在内参数标定装置平面上的二维物理坐标；
S32.利用标定控制点的二维物理坐标与三维物理坐标一一对应关系，利用直接线性变换或透视变换矩阵方法线性求取摄像机的初始标定参数；
S33.将初始标定参数重投影回三维空间，最小化重投影坐标与三维物理坐标的差异，进行非线性优化求解摄像机内参数，所述内参数具体包括x、y方向的有效焦距、图像中心、畸变系数；
S34.将标定控制点的三维物理坐标利用解算出的摄像机内参数反投影到图像平面，与原始标定控制点的图像坐标比对，计算反投影误差，评估摄像机内参标定的精度；如果精度满足要求，则进行下一步骤；如果精度不满足要求，则重新进行标定。
步骤S4中的装订步骤进一步包括：
S41.标定计算机终端把内参数以UDP报文格式发给加固计算机CPU板；
S42.CPU板把内参数据装订指令封装成协议，发给图像数据处理单元；
S43.图像数据处理单元收到内参数装订指令后，把新的装订数据写入参数flash，写入完成后从flash中把装订数据读出，并按协议格式发给加固计算机CPU板；
S44.加固计算机CPU板以UDP报文格式把图像数据处理单元发给加固计算机CPU板的数据给标定计算机终端发送；
S45.标定计算机终端经对比装订无误后，给加固计算机CPU板发送装订正常指令；如果标定计算机终端经对比确定装订有问题后，则重新进行S41～S45步骤；
S46.如果标定计算机终端经对比确定装订没有问题后，加固计算机CPU板发出数据处理正常指令给图像数据处理单元，图像数据处理单元接收到正常指令后进行软重启；
S47.加固计算机CPU板进行软重启。
本发明还提供了一种摄像机内参数标校系统，包括：内参数标定装置、摄像机、加固计算机与标定计算机终端；其中，加固计算机包括航插座、加固计算机CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元，图像数据处理单元与CPU板通过加固计算机底板进行CPCI通信；标定计算机终端通过网线连接到加固计算机上的航插座，在航插座内部与加固计算机CPU板相连；摄像机通过光纤与加固计算机上的航插座相连，在航插座内部与加固计算机的图像数据处理单元相连。
其中，内参数标定装置包括铝合金光学平板和全光谱发光灯具；铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，通孔在摄像机成像中的明亮区域为完整的椭圆形，其他区域为黑色；所述全光谱发光灯具为主动发光阵列，从铝合金光学平板后表面插入圆形通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面，主动发光阵列与圆形通孔阵列的行、列数量相同。全光谱发光灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制主动发光阵列的亮度。
本发明有益效果如下：能方便快捷的通过获取摄像机参数标定板的图像对摄像机参数进行标校，不需要精密复杂的标校设备，适于现场应用。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为摄像机内参数标校方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的一个具体实施例，公开了一种摄像机内参数标校方法，如图1，具体包括步骤：
步骤S1.将内参数标定装置上电；将摄像机、加固计算机与标定计算机终端相互连接并上电。
具体地，所述内参数标定装置包括：铝合金光学平板和全光谱发光灯具。铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，通孔在摄像机成像中的明亮区域为完整的椭圆形，其他区域为黑色。所述全光谱发光灯具为主动发光阵列，从铝合金光学平板后表面，即背对摄像机的一面插入圆形通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面。灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制主动发光阵列的亮度，使得通孔所呈现的椭圆边缘清晰。在一个优选实施例中，所述圆形通孔直径8mm，圆形通孔阵列为7×8的阵列，所述全光谱发光灯具为7×8的主动发光阵列。在另一个优选实施例中，通过调节电压在标定可见光摄像机或近红外摄像机时，黑色区域所呈现的背景图像灰度值小于平均灰度值10％，椭圆形的明亮区域大于平均灰度值20％，这样通孔所呈现的椭圆边缘清晰。
所述加固计算机包括航插座、加固计算机CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元。加固计算机的图像数据处理单元与CPU板通过加固计算机底板进行CPCI通信。
标定计算机终端通过网线连接到加固计算机上的航插座，在航插座内部与加固计算机CPU板相连。
摄像机通过光纤与加固计算机上的航插座相连，在航插座内部与加固计算机的图像数据处理单元相连。
本实施例中摄像机每秒可以发送30帧分辨率为768像素×768像素的图像给图像数据处理单元，所述图像可以包含遥测信息(如温度等)；图像数据处理单元可以给摄像机发送控制指令帧，以控制摄像机休眠/唤醒等。
步骤S2.标定计算机终端通过加固计算机给摄像机发送拍摄并导出左舷或右舷摄像机图像的指令；根据指令，左舷或右舷摄像机拍摄内参数标定装置的图像，并将图像发送给图像数据处理单元；图像数据处理单元接收图像进行处理并发送给标定计算机终端。其中，通过拍摄并导出左舷或右舷摄像机图像指令，可以避免标定后的摄像机内参数与摄像机不对应。
左舷或右舷两路摄像机采取不同位置和姿态拍摄内参数标定装置的图像，具体地，在上述优选实施例中，以内参数标定装置上的7×8主动发光阵列作为标定控制点，在至少两个不同方向、各拍摄至少5张内参数标定装置的控制点图像。
图像数据处理单元实时接收两路摄像机发送的图像，图像传输速度为100MHz；图像数据处理单元根据摄像机图像中的标识，识别出对应摄像机的图像，并把图像缓存到SDRAM中。由于加固计算机中的图像数据处理单元与CPU板进行CPCI通信的速度为33MHz，而图像数据处理单元以100MHz的速度接收图像，因此图像数据处理单元不能实时把摄像机图像发送给加固计算机的CPU板，图像数据处理单元采取将后续接收的图像不缓存、直到缓存的数据发送完毕的方式；以及采取将缓存的摄像机图像数据经过重新组织后，按每次发送64行图像数据给加固计算机CPU板，将一幅图像分12次发送给加固计算机CPU板的方式，这样每秒可发送一帧图像。标定计算机终端再通过加固计算机CPU板接收图像并存储。
步骤S3.标定计算机终端根据摄像机图像对摄像机内参数进行标定。
具体步骤包括：
a.对图像进行自适应阈值分割后，再利用形心法提取标定控制点的椭圆图像的中心坐标，得到标定控制点在内参数标定装置平面上的二维物理坐标；
b.假设标定用光学平板在世界坐标系中Z＝0，单个像素点在摄像机上是正方形的，且没有任何镜头畸变；利用标定控制点的二维物理坐标与三维物理坐标一一对应关系，根据小孔成像模型和特征点共面的约束条件，即利用直接线性变换或透视变换矩阵方法线性求取摄像机的初始标定参数；
c.将初始标定参数重投影回三维空间，最小化重投影坐标与三维物理坐标的差异，进行非线性优化求解摄像机内参数，所述内参数具体包括x、y方向的有效焦距、图像中心、畸变系数等；
d.将标定控制点坐标的三维物理坐标利用解算出的摄像机内参数反投影到图像平面，与原始标定控制点的图像坐标比对，计算反投影误差，评估摄像机内参标定的精度；如果精度满足要求，则进行下一步骤；如果精度不满足要求，则重新进行标定。
步骤S4.摄像机进行内参数装订。
摄像机内参数标定结束后将求解出的摄像机内参数装订到图像数据处理单元的flash(断电数据保持)中。所述摄像机内参数装订进一步包括以下步骤：
a.标定计算机终端标把内参数以UDP报文格式发给加固计算机CPU板；
b. CPU板把内参数据装订指令封装成协议形式发给图像数据处理单元；
c.图像数据处理单元收到内参数装订指令数据后，把新的装订数据写入参数flash，写入完成后从flash中把装订数据读出，并按协议格式发给加固计算机CPU板；
d.加固计算机CPU板以UDP报文格式把图像数据处理单元发给加固计算机CPU板的数据给标定计算机终端发送；
e.标定计算机终端经对比装订无误后，给加固计算机CPU板发送装订正常指令；如果标定计算机终端经对比装订有问题后，根据提示操作重新进行上述a～e步骤；
f.加固计算机CPU板发出数据处理正常指令给图像数据处理单元，图像数据处理单元接收到正常指令后进行软重启；
g.加固计算机CPU板进行软重启。
步骤S5.图像数据处理单元利用摄像机的内参数实时的对目标位置点进行畸变校正。
由于相机镜头是90度的广角镜头，从图像上提取到的目标位置是畸变后的位置，距离实际位置差别大，图像数据处理单元利用相机的畸变参数和内参数实时对目标位置点进行畸变校正。进一步的，校正可以进行视觉定位等应用。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种摄像机内参数标校系统，包括：内参数标定装置、摄像机、加固计算机与标定计算机终端。
其中，所述内参数标定装置包括铝合金光学平板和全光谱发光灯具。铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，通孔在摄像机成像中的明亮区域为完整的椭圆形，其他区域为黑色。所述全光谱发光灯具为主动发光阵列，位于铝合金光学平板后表面，从背对摄像机的一面插入通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面。主动发光阵列与圆形通孔阵列的行、列数量相同。全光谱发光灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制发光点的亮度。在一个优选实施例中，所述圆形通孔直径8mm、组成7×8的阵列，所述全光谱发光灯具为7×8的主动发光阵列。
加固计算机包括航插座、加固计算机CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元。加固计算机的图像数据处理单元与CPU板通过加固计算机底板进行CPCI通信。
标定计算机终端通过网线连接到加固计算机上的航插座，在航插座内部与加固计算机CPU板相连。
摄像机通过光纤与加固计算机上的航插座相连，在航插座内部与加固计算机的图像数据处理单元相连。
摄像机内参数标校系统的运行方式如下：标定计算机终端通过加固计算机给摄像机发送拍摄和导出左舷或右舷摄像机图像的指令；摄像机接受指令后，通过摄像机给内参数标定装置拍摄图像，所述图像来源于左舷或右舷摄像机；再将摄像机图像发送给图像数据处理单元；图像数据处理单元接收图像、经过处理后发送给标定计算机终端；由标定计算机终端根据摄像机图像对摄像机内参数进行标定，具体标定方法如步骤S3所述；根据标定的内参数，对摄像机进行内参数装订；再由图像数据处理单元利用内参数实时的对目标位置点进行畸变校正。
综上所述，本实施例公开了一种摄像机参数标校方法和系统，能方便快捷的通过获取摄像机参数标定板的图像对摄像机参数进行标校，不需要精密复杂的标校设备。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种摄像机内参数标校方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1.将内参数标定装置上电；将摄像机、加固计算机与标定计算机终端相互连接并上电；所述摄像机包括左舷和右舷摄像机，加固计算机包括航插座、CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元；
步骤S2.标定计算机终端通过加固计算机给摄像机发送拍摄并导出左舷或右舷摄像机图像的指令；根据指令，左舷或右舷摄像机拍摄内参数标定装置的图像，并将图像发送给图像数据处理单元；图像数据处理单元接收图像进行处理并发送给标定计算机终端；
步骤S3.标定计算机终端根据摄像机图像对摄像机内参数进行标定；
步骤S4.摄像机进行内参数装订；
步骤S5.利用摄像机的内参数实时对目标位置点进行畸变校正；
内参数标定装置包括铝合金光学平板和全光谱发光灯具，全光谱发光灯具为主动发光阵列；以内参数标定装置上的主动发光阵列作为标定控制点；
上述步骤S3中的标定步骤具体包括：
S31.对摄像机图像进行自适应阈值分割后，再利用形心法提取标定控制点的椭圆图形的中心坐标，得到标定控制点在内参数标定装置平面上的二维物理坐标；
S32.利用标定控制点的二维物理坐标与三维物理坐标一一对应关系，利用直接线性变换或透视变换矩阵方法线性求取摄像机的初始标定参数；
S33.将初始标定参数重投影回三维空间，最小化重投影坐标与三维物理坐标的差异，进行非线性优化求解摄像机内参数；
S34.将标定控制点的三维物理坐标利用解算出的摄像机内参数反投影到图像平面，与原始标定控制点的图像坐标比对，计算反投影误差，评估摄像机内参标定的精度；如果精度满足要求，则进行下一步骤；如果精度不满足要求，则重新进行标定。
2.根据权利要求1所述的摄像机内参数标校方法，其特征在于，铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，圆形通孔在摄像机成像中呈现椭圆形；圆形通孔阵列和主动发光阵列的行、列数目相同；全光谱发光灯具从铝合金光学平板后表面，即背对摄像机的一面插入圆形通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面。
3.根据权利要求2所述的摄像机内参数标校方法，其特征在于，全光谱发光灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制主动发光阵列的亮度。
4.根据权利要求1所述的摄像机内参数标校方法，其特征在于，步骤S2中，左舷、右舷两路摄像机，各采取至少2个不同位置和姿态拍摄至少5张内参数标定装置的图像。
5.根据权利要求1所述的摄像机内参数标校方法，其特征在于，步骤S4中的装订步骤具体包括：
S41.标定计算机终端把内参数以UDP报文格式发给加固计算机CPU板；
S42.CPU板把内参数据装订指令封装成协议，发给图像数据处理单元；
S43.图像数据处理单元收到内参数装订指令后，把新的装订数据写入参数flash，写入完成后从flash中把装订数据读出，并按协议格式发给加固计算机CPU板；
S44.加固计算机CPU板以UDP报文格式把图像数据处理单元发给加固计算机CPU板的数据给标定计算机终端发送；
S45.标定计算机终端经对比装订无误后，给加固计算机CPU板发送装订正常指令；如果标定计算机终端经对比确定装订有问题后，则重新进行S41～S45步骤；
S46.如果标定计算机终端经对比确定装订没有问题后，加固计算机CPU板发出数据处理正常指令给图像数据处理单元，图像数据处理单元接收到正常指令后进行软重启；
S47.加固计算机CPU板进行软重启。
6.一种摄像机内参数标校系统，其特征在于，包括：内参数标定装置、摄像机、加固计算机与标定计算机终端；其中，加固计算机包括航插座、加固计算机CPU板、加固计算机底板和图像数据处理单元，图像数据处理单元与CPU板通过加固计算机底板进行CPCI通信；标定计算机终端通过网线连接到加固计算机上的航插座，在航插座内部与加固计算机CPU板相连；摄像机通过光纤与加固计算机上的航插座相连，在航插座内部与加固计算机的图像数据处理单元相连；
内参数标定装置包括铝合金光学平板和全光谱发光灯具，全光谱发光灯具为主动发光阵列；以内参数标定装置上的主动发光阵列作为标定控制点；
上述内参数标定装置的标定步骤具体包括：
S31.对摄像机图像进行自适应阈值分割后，再利用形心法提取标定控制点的椭圆图形的中心坐标，得到标定控制点在内参数标定装置平面上的二维物理坐标；
S32.利用标定控制点的二维物理坐标与三维物理坐标一一对应关系，利用直接线性变换或透视变换矩阵方法线性求取摄像机的初始标定参数；
S33.将初始标定参数重投影回三维空间，最小化重投影坐标与三维物理坐标的差异，进行非线性优化求解摄像机内参数；
S34.将标定控制点的三维物理坐标利用解算出的摄像机内参数反投影到图像平面，与原始标定控制点的图像坐标比对，计算反投影误差，评估摄像机内参标定的精度；如果精度满足要求，则进行下一步骤；如果精度不满足要求，则重新进行标定。
7.根据权利要求6所述的摄像机内参数标校系统，其特征在于，其中，铝合金光学平板上具有圆形通孔阵列，通孔在摄像机成像中的明亮区域为完整的椭圆形，其他区域为黑色；从铝合金光学平板后表面插入圆形通孔阵列并固定，灯具不露出铝合金光学平板前表面，主动发光阵列与圆形通孔阵列的行、列数量相同。
8.根据权利要求7所述的摄像机内参数标校系统，其特征在于，全光谱发光灯具两端的电压可调，通过调节该电压来控制主动发光阵列的亮度。
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