CN106600653B - 一种变倍相机光心标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变倍相机光心标定方法，包括获取标定板图像序列，标定板图像中具有黑白交替方形窗格图案；顶点坐标定位、直线拟合、求交、计算光心坐标等步骤，本发明利用图像处理方法对变倍相机光心进行准确定位，为电力巡检机器人准确完成仪表图像识别任务提供技术支撑，标定过程仅需要一种简单的2x2黑白交替方形窗格图案标定板，操作过程简单高效，具有较强的实用性，更方便地应用于光学仪器领域或机器人产品。

Description

一种变倍相机光心标定方法

技术领域

本发明涉及一种变倍相机光心标定方法。

背景技术

电力巡检机器人在进行仪表图像识别过程中，首先，根据事先标定的云台参数，相机倍率、焦距参数获取仪表设备的全景图像；其次，利用匹配搜索方法定位到仪表设备在全景图中的位置；最后，当定位到仪表设备后，计算云台角度偏差并调整，使得相机光心与仪表区域图像中心点重合，再根据预设的相机倍率、焦距进行调整，以获取放大的、清晰的仪表设备图，便于仪表设备的图像识别。

在此过程中，相机的光心参数至关重要，若相机的光心参数不准，在进行二次对焦过程中，拍摄到的仪表在整个图像中将会出现一定的位置偏移，甚至偏出整个图像，进而影响整个仪表设备的图像识别。在理想情况下，相机光心的图像坐标点为相机成像平面的中心坐标点，然而在实际情况中，由于镜头加工误差、CCD接口误差等因素，使得这二者往往存在一定的像素偏差，而且每一台出厂相机的误差都不一样，因而，设计一种高效率的变倍相机光心标定方法，实现一种便捷实用的变倍相机光心标定系统具有重要的现实意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种变倍相机光心标定方法，利用图像处理方法对变倍相机光心进行准确定位，简单高效，能够准确获取变倍相机光心参数。

本发明提供的变倍相机光心标定方法，包括以下步骤：

(1)获取标定板图像序列，标定板图像中具有2X2黑白交替方形窗格图案2X2黑白交替方形窗格图案是指，一个方形区域被相互垂直的两条直线分割成四个区域，处于对角线上的两个区域的颜色为白色/黑色，另两个区域的颜色为黑色/白色；

(2)顶点坐标定位：利用矩形检测算法获取标定板图像中的黑白交替方形窗格图案的多组顶点坐标；

(3)直线拟合：对步骤(2)中获取的多组顶点坐标中的每一组顶点坐标进行最小二乘直线拟合，得到多组拟合直线；

(4)直线求交：对步骤(3)中的多组拟合直线进行两两求交点，得到多组交点坐标；

(5)计算光心坐标：对步骤(4)中的多组交点坐标计算平均值，并以此平均值作为变倍相机的光心图像坐标点。

优选地，获取标定板图像序列具体为，利用变倍相机抓取不同倍率下的标定板图像，得到标定板图像序列，标定板上设置有黑白交替方形窗格图案。

优选地，顶点坐标定位具体包括：

(2.1)检测区域设定：对标定板图像设置待检测区域；

(2.2)直线段边缘逼近：对待检测区域进行Canny算子边缘检测，进而对每一条边缘进行直线段逼近，得到一系列边缘直线段l；

(2.3)水平竖直边缘段过滤：计算边缘直线段l的水平方向梯度dx和垂直方向梯度dy，表示为(dx,dy)＝p_e-p_s，其中，p_s、p_e为边缘直线l的首、末端点，如果边缘直线段l满足|dx|≤δ_x且|dy|≤δ_y，则保留该边缘直线段，否则将该边缘直线段滤除，得到一系列水平方向上的边缘直线段l_u与及竖直方向上的边缘直线段l_v；

(2.4)黑白交替方形窗格定位：首先对水平方向上的边缘直线段l_u与竖直方向上的边缘直线段l_v进行直角边组合，直角边组合的条件是：水平方向上的边缘直线段l_u与竖直方向上的边缘直线段l_v在一定距离范围之内，即||l_u-l_v||≤δ_l，其中直线段距离定义为两直线段首末端点的最短距离，δ_l为设定阈值；其次对包含共有边缘的直角边进行组合，直角边组合的直角结果是一个完整的方形；最后对所有完整的方形进行共顶点检测，即方形顶点之间的最短距离小于阈值δ_r，最终得到的黑白交替方形窗格图案顶点坐标。其中，δ_x＝δ_y＝6.0，δ_l＝5.0，δ_r＝3.0。

为提高效率，检测区域设定具体为，设置标定板图像序列的其中一张标定板图像的待检测区域，并记录该标定板图像对应的倍率参数，其余标定板图像的待检测区域通过该标定板图像的倍率参数与所述其中一张标定板图像的倍率参数的比例关系转换得到。

优选地，2X2黑白交替方形窗格图案设置在白色背景中，即，在白色背景中仅看到黑色方形窗格。那么，所述步骤(2)中，顶点坐标定位是指，利用矩形检测算法获取标定板图像中的黑白交替方形窗格图案的黑色方形窗格的顶点坐标。这么设计的好处是在检测方形顶点时只检测黑色方形顶点，避免中间重复的顶点情况，减少计算复杂度。

本发明为了实现变倍相机光心参数地准确获取，提出一种高效实用的变倍相机光心标定方法和系统，利用图像处理方法对变倍相机光心进行准确定位，为电力巡检机器人准确完成仪表图像识别任务提供技术支撑。本发明为了实现标定方法的实用性和高效性，标定过程仅需要一种简单的2x2黑白交替方形窗格图案标定板，操作过程简单高效，具有较强的实用性，更方便地应用于光学仪器领域或机器人产品。本发明操作过程简单高效，能够准确获取变倍相机光心参数；方便集成到电力巡检机器人核心功能模块；可成为光学仪器领域的独立产品，并作为PC端通用软件使用。

附图说明

图1为2x2黑白交替方形窗格图案标定板图像；

图2为黑色方形窗格图案检测及7个顶点坐标定位示意图；

图3为本发明流程图。

具体实施方式

本发明提供的变倍相机光心标定方法，按以下步骤进行：

1)标定板制作：如图1所示，利用标准A4纸张制作一种简单的2x2黑白交替方形窗格图案，2X2黑白交替方形窗格图案是指，用相互垂直的两条直线将方形分割成四个区域，位于对角线上的两个区域颜色一致，为黑色或白色，则另两个区域的颜色为白色或黑色，将包含该图案的A4纸张固定到平面板上，作为实验标定板；由于直接设置在A4纸上，所以白色区域与A4纸的白色为一体，这么设计的好处是在检测方形顶点时只检测黑色方形顶点，避免中间重复的顶点情况，方形可以是矩形也可以是正方形。

2)获取标定板图像序列：事先设定一组相机变倍参数σ_i(i＝1,2,…,n)，将标定板置于水平位置，调整相机位置并固定，使得标定板位于拍摄图像中心，抓取不同倍率下的标定板图像序列I_i(i＝1,2,…,n)；

3)顶点坐标定位：对不同标定板图像序列，利用矩形检测算法，获取黑白交替方形窗格图案的7组顶点坐标，黑白交替方形窗格图案矩形检测算法包括以下步骤：

3.1)待检测区域设定：对标定板图像I_i(i＝1,2,…,n)，首先设置标定板图像的待检测区域，目的是减少干扰，实施例中首先手动指定某一倍率参数下的检测区域，其余图像序列的待检测区域根据倍率参数比例换算得到；

3.2)直线段边缘逼近：对待检测区域进行Canny算子边缘检测，进而对每一条边缘进行直线段逼近，得到一系列边缘直线段l_j(j＝1,2,…,T)，T为边缘直线段总数；

3.3)水平竖直边缘段过滤：对边缘直线段l，设其首末端点分别为p_s、p_e，分别计算直线段l水平方向梯度dx与垂直方向梯度dy，表示为

(dx,dy)＝p_e-p_s，

由于标定板方形窗格图案处于水平方向，理论上，其方形边缘在水平方向上与垂直方向上的梯度幅值很小，即满足

|dx|≤δ_x且|dy|≤δ_y，

将不满足此条件的边缘直线段过滤掉，得到一系列水平方向上的边缘直线段l_u(u＝1,2,…,T₁)及竖直方向上的边缘直线段l_v(r＝1,2,…,T₂)；

3.4)黑白交替方形窗格定位：首先对l_u(u＝1,2,…,T₁)与l_v(r＝1,2,…,T₂)进行直角边组合，直角边组合的条件是：水平方向直线段l_u与竖直方向直线段l_v在一定距离范围之内，即

||l_u-l_v||≤δ_l，

其中直线段距离定义为两直线段首末端点的最短距离；其次对包含共有边缘的直角边进行组合，直角边组合的直角结果是一个完整的方形；最后对所有完整的方形进行共顶点检测，即方形顶点之间的最短距离小于阈值δ_r，最终得到的黑色方形窗格图案检测及7个顶点坐标定位结果如图2所示；

4)直线拟合，对步骤3)中提取得到的7组顶点坐标按照位置进行一一对应，对每一组顶点坐标进行最小二乘直线拟合，得到7组拟合直线ρ_k(k＝1,2,…,7)；

5)直线求交，对4)中的7组拟合直线ρ_k(k＝1,2,…,7)进行两两求交点，得到21个交点坐标p_t(t＝1,2,…,21)；

6)计算光心坐标，根据5)中的21组交点坐标p_t(t＝1,2,…,21)，计算变倍相机的光心图像坐标p_c，可以表示为

其中N＝21。

如图3所示，描述本发明的一个具体实施例，按以下步骤进行：

1)系统初始化，设置水平、竖直阈值δ_x＝δ_y＝6.0，直角边组合阈值δ_l＝5.0，方形共顶点阈值δ_r＝3.0，分配必须的变量和内存空间；

2)标定板图像序列读取：标定板图像序列已经事先利用变倍相机抓取完成并存储，变倍参数σ_i(i＝1,2,…,n)，n＝7。指定不同倍率下标定板图像序列的文件夹路径，按顺序读取图像文件，设置第一张图像的待检测区域，并记录其倍率参数，其余图像待检测区域可通过倍率参数比例转换得到；

3)顶点坐标定位：对不同图像序列，利用矩形检测算法，获取黑白交替方形窗格图案的7组顶点坐标；

4)直线拟合，对3)中的7组顶点坐标按位置关系一一对应，拟合出7组直线；

5)直线求交，对4)中的7组直线进行两两求交点，得到21组交点坐标；

6)计算光心坐标，对5)中的21组交点坐标计算平均值，以此作为变倍相机的光心图像坐标点；

本发明还可以有其它实施方法，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种变倍相机光心标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取标定板图像序列，标定板图像中具有2X2黑白交替方形窗格图案，2X2黑白交替方形窗格图案是指，一个方形区域被相互垂直的两条直线分割成四个区域，处于对角线上的两个区域的颜色为白色/黑色，另两个区域的颜色为黑色/白色；

(2)顶点坐标定位：利用矩形检测算法获取标定板图像中的黑白交替方形窗格图案的多组顶点坐标；

(3)直线拟合：对步骤(2)中获取的多组顶点坐标中的每一组顶点坐标进行最小二乘直线拟合，得到多组拟合直线；

(4)直线求交：对步骤(3)中的多组拟合直线进行两两求交点，得到多组交点坐标；

(5)计算光心坐标：对步骤(4)中的多组交点坐标计算平均值，并以此平均值作为变倍相机的光心图像坐标点；

顶点坐标定位具体包括：

(2.1)检测区域设定：对标定板图像设置待检测区域；

(2.2)直线段边缘逼近：对待检测区域进行Canny算子边缘检测，进而对每一条边缘进行直线段逼近，得到一系列边缘直线段l；

(2.3)水平竖直边缘段过滤：计算边缘直线段l的水平方向梯度dx和垂直方向梯度dy，表示为(dx,dy)＝p_e-p_s，其中，p_s、p_e为边缘直线l的首、末端点，如果边缘直线段l满足|dx|≤δ_x且|dy|≤δ_y，则保留该边缘直线段，否则将该边缘直线段滤除，得到一系列水平方向上的边缘直线段l_u与及竖直方向上的边缘直线段l_v；

(2.4)黑白交替方形窗格定位：首先对水平方向上的边缘直线段l_u与竖直方向上的边缘直线段l_v进行直角边组合，直角边组合的条件是：水平方向上的边缘直线段l_u与竖直方向上的边缘直线段l_v在一定距离范围之内，即||l_u-l_v||≤δ_l，其中直线段距离定义为两直线段首末端点的最短距离，δ_l为设定阈值；其次对包含共有边缘的直角边进行组合，直角边组合的直角结果是一个完整的方形；最后对所有完整的方形进行共顶点检测，即方形顶点之间的最短距离小于阈值δ_r，最终得到的黑白交替方形窗格图案顶点坐标。

2.如权利要求1所述的变倍相机光心标定方法，其特征在于，获取标定板图像序列具体为，利用变倍相机抓取不同倍率下的标定板图像，得到标定板图像序列，标定板上设置有黑白交替方形窗格图案。

3.如权利要求1所述的变倍相机光心标定方法，其特征在于，检测区域设定具体为，设置标定板图像序列的其中一张标定板图像的待检测区域，并记录该标定板图像对应的倍率参数，其余标定板图像的待检测区域通过该标定板图像的倍率参数与所述其中一张标定板图像的倍率参数的比例关系转换得到。

4.如权利要求1所述的变倍相机光心标定方法，其特征在于：δ_x＝δ_y＝6.0，δ_l＝5.0，δ_r＝3.0。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的变倍相机光心标定方法，其特征在于，2X2黑白交替方形窗格图案设置在白色背景中，即，在白色背景中仅看到黑色方形窗格。

6.如权利要求5所述的变倍相机光心标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，顶点坐标定位是指，利用矩形检测算法获取标定板图像中的黑白交替方形窗格图案的黑色方形窗格的顶点坐标。

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