CN107545588A - 校准照相机的计算机实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种对照相机进行校准的计算机实现方法，包括以下步骤：a.采集来自所述照相机(CAM)的视频流，并且将所述视频流显示在屏幕(DY)上；b.在所述屏幕上显示被叠加到所述视频流上的目标区(102)的表示；c.检测所述视频流中的校准图案(100)并周期性地检查所述校准图案是否适配到所述目标区内；d.在发现所述校准图案适配到所述目标区内时，从所述视频流提取出所述校准图案的图像；使用对应于携带所述校准图案的物理支撑物(101)的不同位置的相应的目标区将所述步骤a.到步骤d.重复执行多次；并且然后e.通过处理所存储的图像来估计所述照相机的固有校准参数。用于实施这种方法的计算机程序产品、计算机可读数据存储介质和计算机系统。

Description

校准照相机的计算机实现方法
技术领域
本发明涉及用于校准照相机的计算机实施方法。更确切地说，本发明涉及数字照相机的“固有”校准，即，涉及对参数的估计，从而确定其光学响应，包括焦距、主点和任选的失真参数。
背景技术
本发明适用于(例如)增强现实(AR)领域，其中，将表示虚拟对象的计算机生成的3D图像叠加在摄像机拍摄的图像顶上。为了使虚拟图像和真实图像按照最逼真的方式融合，需要对摄像机进行准确的校准。实际上，AR必需定义用于渲染虚拟3D对象的虚拟照相机。该虚拟照相机必须尽可能密切地匹配用于拍摄在背景中渲染的真实世界的真实照相机。照相机制造商提供的数据通常未能准确到给出令人满意的结果，因而必须借助于校准。
照相机校准都是关于准确性。如果没有良好校准的照相机，渲染的对象就不会使它们看起来是真实的，并且破坏了用户体验。
增强现实是要求特别严格的应用，但其并非是唯一一个需要准确的照相机校准的应用。其它应用包括(例如)3D体积重建，在这种情况下，照相机通常是深度照相机。
本发明不限于一个或几个具体应用；只要需要摄像机的准确校准就可以使用本发明。
已知用于执行照相机校准的最为普遍的技术是张氏算法并且在Z.Zhang的文章"AFlexible New Technique for Camera Calibration"IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence.Vol.22,No.11,2000,pp.1330–1334中描述。
为了使用该技术校准照相机，用户必须：
1.使用激光打印机打印校准图案(通常是黑白元素的规则排列)；
2.测量打印的图案，以确保其尺寸未被打印机缩放；
3.将该图案粘到刚性表面上，例如粘到刚性卡纸板、一块木头或者更好的是粘到玻璃上，以确保该图案保持平直(例如，通过检查纸和图案之间没有气泡)；
4.将图案定位在照相机前面并使其四处移动，以改变其取向和位置；
5.拍摄对应于该图案的几个不同位置和取向(“姿态”)的图像；以及
6.根据在上面提及的文章中详细描述的数学算法对图像进行处理。
处理步骤本身可以容易地使用现有软件来实施。制造校准图案可能是繁冗的，但其并不是特别困难。实际上，校准过程的最为困难并且耗时的部分是由步骤4和步骤5构成的，即，定位图案以及采集该图案的适当图像组。实际上，很难在考虑良好的图像分布的同时拍摄该图案的很多不同图片：图像太少将导致不正确的或者至少不准确的照相机校准，而类似姿态的图像太多则可能在参数估计中造成偏差。此外，存在图像中的很大份额变得不可被校准算法利用的风险，例如因为图案的一部分不可见，缩小了校准组的尺寸。因此，一般的建议是拍摄尽可能多的图片，希望在所述过程中使误差和偏差被平均化。而且，校准缺乏可重复性：两个用户对同一照相机进行校准(或者同一用户对照相机校准两次)将使用不同的姿态组，因此将得到略有不同的校准参数。
文献US 8106968还描述了通过检测图案的多个图像中的畸变来校准照相机的方法。
在没有富有经验的人指导的情况下，初学者用户将经常以不准确的照相机校准而告终，浪费了时间，并且产生挫败感。
而且，一个人很难单独执行校准。很多时候至少需要两个人：一个人使图案按照所需的姿态保持在照相机前面，而另一个人通过例如按下按键来触发图像的采集。一个人尝试同时执行两项任务可能最终导致在触发图像采集时偶然使图案发生移动。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的这些缺陷。其实现该目标的方式是提供照相机校准“向导”，即软件助手，其引导用户进行复杂的照相机校准过程。本发明不使用户拍摄尽可能多的姿态的图片并且之后舍弃被认为无效或者多余的图片，而是为用户提供预定的一组要求姿态，该组姿态通过计算机屏幕上顺次显示的目标区而实现。通过屏幕提供的视觉反馈帮助用户使实际校准图案与所显示的目标区对准；软件检测校准图案何时与当前显示的目标区正确对准，尔后再采集其图像，并且之后显示接下来的目标区。一旦显示了所有与相应姿态相关联的预定目标区并且采集了对应的图案图像，就可以像在现有技术中一样运行校准算法(步骤6)，只是有了使用适当的(通常为最佳或接近最佳的)校准组的保障。可以使用张氏算法或者任何其它适当方法执行适当校准。
本发明简化并且加速了校准过程，同时改善了其质量、可靠性和可重复性：
-通过保持对校准姿态和过程的完全控制，保证了各姿态是不同的，并且将针对所述姿态中的每者很好地检测图案。反过来，这可以确保校准结果是可靠的，并且校准质量是可预测的。
-用户预先知道在过程结束之前剩下多少步骤，从而避免挫败感。
-在图案处于正确的位置上(其与目标区适配)时自动触发图像采集，从而允许单个用户以最低的错误风险执行校准。
-由于姿态是由执行校准的计算机系统预定和建议的，因而用户不必具有任何特定的专门知识，并且校准的准确度在很大程度上是用户独立的。
-姿态的数量可以是相当低的，例如处于10和20之间，本发明人凭经验发现11个适当选择的姿态允许以0.01°的准确度校准照相机的焦距。因此，整个姿态采集过程可以仅用几分钟。
那么本发明的目的是校准照相机的计算机实现方法，其包括以下步骤：
a.由所述照相机采集视频流，并在屏幕上显示视频流；
b.在屏幕上显示叠加到视频流上的目标区的表示；
c.检测视频流中的校准图案并周期性地检查其是否适配到目标区内；
d.在发现校准图案适配到目标区内时，从视频流提取校准图案的图像并存储该图像；
使用互不相同并且对应于携带校准图案的物理支撑物在照相机的视场内的不同位置的相应的目标区将所述步骤a.到d.重复执行多次；并且之后
e.通过处理所存储的图像来估计照相机的固有校准参数。
根据本发明的特定实施例：
-所述步骤c.可以包括检查校准图案是否至少填充了目标区的预定份额。
-所述步骤c.可以包括检测校准图案的至少一个边缘并检查其与目标区的对应边缘的平行性。
-所述步骤c.可以包括检测校准图案的至少两个边缘，测量所述边缘之间的角度，并将其与目标区的两个对应边缘之间的角度进行比较。
-所述步骤c.可以包括检测校准图案的至少一个角，并检查其与目标区的对应角的接近度。
-所述方法还包括在所述屏幕上显示至少一个图形图案的步骤c'，所述至少一个图形图案指示以下至少其中之一：校准图案的点和目标区的对应点之间的距离；使校准图案的点与目标区的对应点重合所需的平移的方向；以及校准图案的几何元素和目标区的几何元素之间的对应性。
-可以使用对应于所述物理支撑物的不同位置的相应的目标区将步骤a.到d.重复执行包括在10和20之间的次数。
-物理支撑物的所述位置中的至少大多数位置可以既不与照相机的光轴垂直也不与之平行。
-所述校准图案可以是平面图案。
-可以使用张氏算法实施所述步骤e.。
本发明的另一目的是一种存储在计算机可读数据存储介质上的计算机程序产品，其包括用于使与照相机接口连接的计算机系统执行这种方法的计算机可执行指令。
本发明的另一目的是一种计算机可读数据存储介质，其包含用于使与照相机接口连接的计算机系统执行这种方法的计算机可执行指令。
本发明的又一目的是一种计算机系统，其包括耦合至存储器的处理器、屏幕和照相机，所述存储器存储使所述计算机系统通过实施这种方法而对照相机进行校准的计算机可执行指令。
附图说明
结合附图根据下面的描述，本发明的额外的特征和优点将变得显而易见，附图示出了：
-图1，现有技术已知的校准图案；
-图2，根据本发明的实施例的校准方法中使用的图1的校准图案的一组11个姿态；
-图3，显示由要校准的照相机采集的场景的计算机屏幕，示出了用户将根据图1的校准图案保持在照相机的前面以及叠加在该场景上的目标区；
-图4，图3的计算机屏幕，显示了类似场景，只是其中校准图案已经经过移动以适配目标区；
-图5，图3和图4的计算机屏幕，显示了类似场景，只是其中改变了目标区的外观，以通知用户已经采集了校准图像；
-图6，图3到图5的计算机屏幕，显示了与图3相同的场景，向该场景叠加了一组图形图案，从而辅助用户对校准图案定位；以及
-图7，适于实施根据本发明的实施例的方法的计算机系统的方框图。
具体实施方式
图1示出了通过白色背景上的黑色圆盘的规则排列形成的校准图案100。可以使用其它图案来实施本发明，例如棋盘或栅格，但是这一图案被证明尤其有利，因为其以最低数量的姿态提供了最佳的准确性，参见A.Datta等人的“Accurate Camera Calibrationusing Iterative Refinement of Control Points”IEEE 12th InternationalConference on Computer Vision Workshops(ICCV Workshops),2009。该图案由物理支撑物101携带，物理支撑物101可以是例如刚性卡片纸面板。也可以使用三维(即有意非平面的)校准图案，但不推荐。也可以使用“有源”校准图案，包括例如闪烁光源。
如上文所解释的，本发明的计算机程序引导用户将校准图案以几种不同的姿态放置到要校准的照相机的视场内。图2示出了图1的图案的一组11个姿态，其允许快速而准确地执行校准。第一姿态(虽然顺序并不重要)对应于图案在视场的中央面对照相机，图案的平面垂直于照相机的焦轴(以其它方式进行观察，该图案处于焦平面内，或者处于与其平行且接近的平面内)。第二和第三姿态是通过使图案在保持接近视场的中央的同时分别朝左以及朝右倾斜而获得的。第四(第五)姿态与第二(第三)姿态类似，只是图案转动得更多，而且朝视野的右侧(左侧)偏移。第六(第七)姿态是通过使图案向上(向下)转动并使其朝视野的底部(顶部)偏移而获得的。在第八、第九、第十和第十一姿态中，使图案朝视野(假想为方形)的各个角偏移，并使其朝该视场的中心倾斜。除了第一姿态以外的所有姿态都引起透视，因为图案与焦平面不平行；没有透视的第一姿态则可以用于估计镜头畸变。
可以使用其它组的姿态而不脱离本发明的范围。有利地，一组可以包括不少于10个(确保准确性)并且不多于20个(为了避免该过程持续过长时间)姿态，所有的姿态都互不相同。
根据本发明，用户使他/她自身定位在照相机前面，并保持携带校准图案100的物理支撑物101。照相机连接至计算机并放置在该计算机的屏幕(又称为监视器或显示器)附近(或者顶上，甚至与之集成)。照相机采集包括物理支撑物101并因此包括校准图案100的场景的一系列图像，并将它们转化为数字视频流。之后，计算机从照相机采集视频流，并驱动屏幕显示所述视频流；因此，用户就像照镜子一样看到自己和校准图案。屏幕还显示叠加在来自照相机的视频流上的由计算机生成并表示校准图案的目标区的几何形状102。更具体而言，该几何形状可以对应于在根据图2的所述组的姿态之一定位校准图案时照相机所看到的该校准图案的轮廓。这在图3上被图示。在该示例性实施例中，目标区102由虚线轮廓表示，但是其它表示也是可能的；例如，目标区可以是目标图案的半透明表示。
用户移动校准图案，尝试使计算机屏幕上显示的其图像与目标区适配(参考图4)。在该时间期间，计算机对视频流进行处理，以使用公知的图像处理算法检测图案，并且判断其是否与目标区适配。如果适配，那么计算机从视频流中提取该图案的图像并将其存储到计算机的存储器内，并且计算机还向用户提供可视反馈，以通知用户图像采集(在图5的示例中，目标区102的轮廓的外观被改变)，并开始显示对应于该组中的下一姿态的目标区(除非图像采集过程结束)。已经使用的目标区可以仍然显示为半透明外观，以使用户“看到”正在取得的进展。
替代地，用户保持照相机并使之围绕静态图案移动而不是移动所述图案可能更加方便。这典型的是在要校准的照相机处于平板电脑或者智能电话的背面时的情况。
可以使用已知算法实施对校准图案与目标区适当适配的确定。例如，计算机可以检查该图案(或者更确切地是照相机采集的该图案的图像)至少填充了目标区的表面的预定的最低份额，例如75％。替代地或此外，计算机可以检查校准图案和目标区的对应边缘之间的平行性。考虑到最常见的情况是在透视图中看到该图案，因而测量该图案的两条连续边缘之间的角度并将其与目标区的对应角度进行比较也可能是有用的。计算机还可以检查校准图案的角是否足够接近目标区的那些角。一种更准确但较不灵活的方案包括计算应当将图案的每一特征投影到目标区内的何处，并将这些投影的特征与实际检测到的特征进行比较。
根据本发明的特定实施例，计算机可以生成并在屏幕上显示帮助用户将校准图案与目标区对准的图形图案。图6示出了这些图案中的一些。在该图上，目标的四条边201可以具有不同的外观(在实际实施方式中，它们可以具有不同的颜色)。可以用类似的外观(相同的颜色)标识和显示校准图案的对应边202。计算机还可以画出将目标区的角205连接至校准图案的对应角206的线203、204。这些线的方向指示使两个角重合所需的平移的方向；线的外观可以指示对应角之间的距离(比较线203和204)。更一般而言，图形图案尤其可以指示：
-校准图案的点与目标区的对应点之间的距离；
-使校准图案的点与目标区的对应点重合所需的平移的方向；以及
-校准图案和目标区的几何元素之间的对应性。
参考图7描述适用于实施根据本发明的示例性实施例的方法的计算机。在图7中，计算机包括执行上文描述的过程的中央处理单元(CPU)P。所述过程可以作为可执行程序(即一组计算机可读指令)被存储在诸如RAM M1或ROM M2的存储器中，或者存储在硬盘驱动器(HDD)M3、DVD/CD驱动器M4上，或者可以被远程存储。校准图案的至少一个参考图像(参考图1)和对应于校准图案的不同预定姿态的一组目标区102(参考图2)被存储在存储器装置M1到M4中的一者或多者上，或者被远程存储。
所请求保护的本发明不受存储计算机可读指令和/或校准图案和该组目标区的计算机可读介质的形式的限制。例如，指令、校准参数的试验组和一个或多个数字模型可以存储到CD、DVD、闪速存储器、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、硬盘或者计算机辅助设计站与之通信的任何其它信息处理装置(例如服务器或计算机)中。程序、一个或多个校准图案和该组目标区可以存储到同一存储器上装置或者不同存储器装置上。
此外，可以将用于实施本发明的方法的计算机程序提供为结合CPU 800和操作系统执行的实用程序应用、后台守护程序或者操作系统的部件、或者它们的组合，所述操作系统例如为Microsoft VISTA、Microsoft Windows7、UNIX、Solaris、LINUX、Apple MAC-OS以及本领域技术人员已知的其它系统。
CPU P可以是来自美国Intel的Xenon处理器或者来自美国AMD的Opteron处理器，或者可以是其它处理器类型，例如来自美国Freescale公司的Freescale ColdFire、IMX或ARM处理器。替代地，CPU可以是诸如来自美国Intel公司的Core2Duo的处理器，或者可以实现在FPGA、ASIC、PLD上，或者可以使用分立逻辑电路来实现，如本领域普通技术人员能够认识到的。此外，可以将CPU实现为多个处理器，它们协同工作，以执行上文描述的本发明的过程的计算机可读指令。
图7中的计算机辅助设计站还包括用于与网络(例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、因特网等)接口连接的网络接口NI，例如来自美国Intel公司的Intel Ethernet PRO网络接口卡。计算机辅助设计站还包括用于与屏幕或显示器DY(例如Hewlett Packard HPL2445wLCD监视器)接口连接的显示器控制器DC，例如来自美国NVIDIA公司的NVIDIA GeForce GTX图形适配器。通用I/O接口IF与键盘KB和指针装置PD(例如滚动球、鼠标、触控板等)接口连接。显示器、键盘和指针装置与显示器控制器和I/O接口一起形成了图形用户接口。所有这些部件通过通信总线CBS相互连接，CBS可以是ISA、EISA、VESA、PCI或类似总线。此外，要校准的照相机CAM还连接至总线CBS，以便为CPU P提供视频流，CPU P按照上文的解释对视频流进行处理。
文中为了简便起见省略了对显示器、键盘、指针装置以及显示器控制器、磁盘控制器、网络接口和I/O接口的一般特征和功能的描述，因为这些特征是已知的。

Claims (13)

1.一种对照相机进行校准的计算机实现方法，包括以下步骤：
a.采集来自所述照相机(CAM)的视频流，并且将所述视频流显示在屏幕(DY)上；
b.在所述屏幕上显示被叠加到所述视频流上的目标区(102)的表示；
c.检测所述视频流中的校准图案(100)并周期性地检查所述校准图案是否适配到所述目标区内；
d.在发现所述校准图案适配到所述目标区内时，从所述视频流提取出所述校准图案的图像并存储所述图像；
使用互不相同的相应的目标区将所述步骤a.到步骤d.重复执行多次，每一个目标区对应于当携带所述校准图案的物理支撑物(101)占据照相机的视场内的相应位置时由所述照相机看到的所述校准图案的轮廓；并且然后
e.通过处理所存储的图像来估计所述照相机的固有校准参数。
2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中，所述步骤c.包括检查所述校准图案是否至少填充了所述目标区的预定份额。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述步骤c.包括检测所述校准图案的至少一个边缘(202)，并检查其与所述目标区的对应边缘(201)的平行性。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述步骤c.包括检测所述校准图案的至少两个边缘，测量所述边缘之间的角度，并将所述角度与所述目标区的两个对应边缘之间的角度进行比较。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述步骤c.包括检测所述校准图案的至少一个角(206)，并检查其与所述目标区的对应角(205)的接近度。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，还包括在所述屏幕上显示至少一个图形图案(203，204)的步骤c'，所述至少一个图形图案指示以下至少其中之一：
-所述校准图案的点与所述目标区的对应点之间的距离；
-使所述校准图案的点与所述目标区的对应点重合所需的平移的方向；以及
-所述校准图案和所述目标区的几何元素之间的对应性。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，使用对应于所述物理支撑物的不同位置的相应目标区将步骤a.到步骤d.重复执行包括在10和20之间的次数。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述物理支撑物的所述位置中的至少大多数位置既不与所述照相机的光轴垂直也不与所述照相机的光轴平行。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述校准图案是平面图案。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的计算机实现方法，其中，所述步骤e.是使用张氏算法实施的。
11.一种存储在计算机可读数据存储介质(M1，M2，M3，M4)上的计算机程序产品，包括用于使与照相机(CAM)接口连接的计算机系统实施根据前述权利要求中的任何一项所述的方法的计算机可执行指令。
12.一种计算机可读数据存储介质(M1，M2，M3，M4)，包含用于使与照相机接口连接的计算机系统实施根据权利要求1-10中的任何一项所述的方法的计算机可执行指令。
13.一种计算机系统，包括耦合至存储器(M1，M2，M3，M4)的处理器(P)、屏幕(DY)和照相机(CAM)，所述存储器存储用于使所述计算机系统通过实施根据权利要求1-10中的任何一项所述的方法而对所述照相机进行校准的计算机可执行指令。
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