CN108038888B - 混合相机系统的空间标定方法及装置 - Google Patents

混合相机系统的空间标定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合相机系统及其空间标定方法及装置，其中，方法包括：搭建混合相机系统，混合相机系统由event‑based相机、相机与分光片组成；通过分光片的反射对混合相机系统进行粗对齐，以通过混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据；最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取event‑based相机向相机投影的关系，进而完成空间标定。该方法可以准确的标定event‑based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性。

Description

混合相机系统的空间标定方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机视觉应用技术领域，特别涉及一种混合相机系统及其空间标定方法及装置。
背景技术
无人机在执行任务时，由于GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等辅助定位装置在城市环境内准确程度不高。解决GPS问题的最佳途径是视觉导航，也就是用依附在无人机上的摄像头连续地拍摄图像，通过对图像的处理来完成定位和导航工作。然而，仅仅依靠普通帧率的相机，在拍摄时容易因为无人机运动速度过快造成图像的运动模糊，导致位置估计结果偏差较大，可能引起无人机的飞行控制算法出现问题导致坠毁等事故。
现在的搭载视觉定位装置的无人机应用中，由于普通相机传感器自身的限制，避免运动模糊得方式只有提高快门速度，来减小拍摄时每一帧内高速运动的范围。但面临着两个问题，一方面，进光量会大幅减小，导致图像偏暗，可能导致视觉算法无法正常工作；另一方面，这种方式没有从根本上解决普通相机所导致的问题，无法达到本质上的性能提升。
随着传感器技术的发展，出现了一种新的event-based相机。当event-based相机的单个像素点接收的光强产生变化时，该像素点就会输出一个事件，这就保证了它对亮度变化十分敏感，可以感知高时间分辨率的光强变化，空间分辨率低，有待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种混合相机系统及其空间标定方法，该方法可以准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性。
本发明的另一个目的在于提出一种混合相机系统及其空间标定装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种混合相机系统及其空间标定方法，包括以下步骤：搭建混合相机系统，所述混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成；通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，以通过所述混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据；最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取所述event-based相机向所述相机投影的关系，进而完成空间标定。
本发明实施例的混合相机系统及其空间标定方法，可以结合高空间分辨率的普通相机和高时间分辨率的event-based相机的优点，构成一个高空间高时间分辨率的混合相机系统，并且准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性，若应用在无人机平台上可提高其飞行安全性。
另外，根据本发明上述实施例的混合相机系统及其空间标定方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述搭建混合相机系统，进一步包括：将所述 event-based相机、所述相机与所述分光片的空间位置pD，pC，pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z方向上的分量相同，所述event-based相机与所述相机位于所述分光片平面两侧。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，进一步包括：通过调整所述event-based相机与所述相机的位置，以及所述分光片的角度，使所述event-based相机经过所述分光片的反射像与所述相机重合，使得 pD’＝pC。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure GDA0002589688310000021
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述误差为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标sDi′＝(xDi′，yDi′)与对应的所述相机点列坐标sCi＝(xCi，yDi)之间的欧几里得距离di＝||s′Di-sCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，所述event-based相机向所述相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure GDA0002589688310000022
最小。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种混合相机系统及其空间标定装置，包括：搭建模块，用于搭建混合相机系统，所述混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成；粗对齐模块，用于通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，以通过所述混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据；空间标定模块，用于最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取所述event-based相机向所述相机投影的关系，进而完成空间标定。
本发明实施例的混合相机系统及其空间标定装置，可以结合高空间分辨率的普通相机和高时间分辨率的event-based相机的优点，构成一个高空间高时间分辨率的混合相机系统，并且准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性，若应用在无人机平台上可提高其飞行安全性。
另外，根据本发明上述实施例的混合相机系统及其空间标定装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述搭建混合相机系统，进一步包括：将所述 event-based相机、所述相机与所述分光片的空间位置pD，pC，pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z方向上的分量相同，所述event-based相机与所述相机位于所述分光片平面两侧。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述粗对齐模块，进一步包括：重合单元，用于通过调整所述event-based相机与所述相机的位置，以及所述分光片的角度，使所述event-based相机经过所述分光片的反射像与所述相机重合，使得pD’＝pC。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure GDA0002589688310000031
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述误差为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标sDi′＝(xDi′，yDi′)与对应的所述相机点列坐标sCi＝(xCi，yDi)之间的欧几里得距离di＝||s′Di-sCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，所述event-based相机向所述相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure GDA0002589688310000032
最小。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的混合相机系统及其空间标定方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的混合相机系统及其空间标定方法的流程图；
图3为根据本发明一个实施例的混合相机系统示意图；
图4为根据本发明实施例的混合相机系统标定图案示意图；
图5为根据本发明实施例的混合相机系统及其空间标定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的混合相机系统及其空间标定方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的混合相机系统及其空间标定方法。
图1是本发明实施例的混合相机系统及其空间标定方法的流程图。
如图1所示，该混合相机系统及其空间标定方法包括以下步骤：
在步骤S101中，搭建混合相机系统，混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，搭建混合相机系统，进一步包括：将event-based 相机、相机与分光片的空间位置pD，pC，pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z 方向上的分量相同，event-based相机与相机位于分光片平面两侧。
可以理解的是，结合图2和图3所示，本发明实施例首先搭建混合相机系统，将高时间分辨率的event-based相机和高空间分辨率的CMOS相机安装在光学平台上，保证 event-based相机、普通相机与分光片三者空间位置pD，pc，pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z方向上的分量相同，event-based相机与普通相机位于分光片平面两侧。
在步骤S102中，通过分光片的反射对混合相机系统进行粗对齐，以通过混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过分光片的反射对混合相机系统进行粗对齐，进一步包括：通过调整event-based相机与相机的位置，以及分光片的角度，使event-based 相机经过分光片的反射像与相机重合，使得pD’＝pC。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图4所示，标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure GDA0002589688310000041
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
可以理解的是，结合图2和图3所示，本发明实施例随后进行粗对齐，通过调整event-based相机与普通相机的位置，以及分光片的角度，先使分光片的角度接近45°，随后调节使event-based相机经过分光片的反射像与普通相机重合，即pD’＝pc。
然后，将30Hz闪烁的圆形点阵排列标定图案放在混合相机系统前，让其出现在event-based相机与普通相机的视野中。由此，可得标定图案中各点在event-based相机与普通相机中的坐标sD与sC。
然后，如图4所示，本发明实施例通过投影变换将event-based相机图像通过投影矩阵P变换到普通相机图像空间，变换关系为
Figure GDA0002589688310000051
其中Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
在步骤S103中，最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取event-based相机向相机投影的关系，进而完成空间标定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，误差为将event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标sDi′＝(xDi′，yDi′)与对应的相机点列坐标sCi＝(xCi，yDi)之间的欧几里得距离di＝||SDi′-SCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，event-based相机向相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure GDA0002589688310000052
最小。
可以理解的是，本发明实施例最后将最小化投影变换误差的投影矩阵Pf作为最终的相机空间关系。将event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标 sDi′＝(xDi′，yDi′)与对应的普通相机点列坐标sCi＝(xCi，yDi)之间的欧几里得距离 di＝||SDi′-SCi||2，下标i代表点列中第i个点。在所有投影矩阵{P}中使得
Figure GDA0002589688310000053
最小，即可得到投影矩阵Pf。
根据本发明实施例提出的混合相机系统及其空间标定方法，可以结合高空间分辨率的普通相机和高时间分辨率的event-based相机的优点，构成一个高空间高时间分辨率的混合相机系统，并且准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性，若应用在无人机平台上可提高其飞行安全性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的混合相机系统及其空间标定装置。
图5是本发明一个实施例的混合相机系统及其空间标定装置的结构示意图。
如图5所示，该混合相机系统及其空间标定装置10包括：搭建模块100、粗对齐模块200和空间标定模块300。
其中，搭建模块100用于搭建混合相机系统，混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成。粗对齐模块200用于通过分光片的反射对混合相机系统进行粗对齐，以通过混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据。空间标定模块300用于最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取event-based相机向相机投影的关系，进而完成空间标定。本发明实施例的装置10可以准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，搭建混合相机系统，进一步包括：将event-based 相机、相机与分光片的空间位置pD，pC，pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z 方向上的分量相同，event-based相机与相机位于分光片平面两侧。
进一步地，在本发明的一个实施例中，粗对齐模块，进一步包括：重合单元，用于通过调整event-based相机与相机的位置，以及分光片的角度，使event-based相机经过分光片的反射像与相机重合，使得pD’＝pC。
进一步地，在本发明的一个实施例中，标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure GDA0002589688310000061
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
进一步地，在本发明的一个实施例中，误差为将event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标sDi′＝(xDi′，yDi′)与对应的相机点列坐标sCi＝(xCi，yDi)之间的欧几里得距离di＝||SDi′-SCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，event-based相机向相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure GDA0002589688310000062
最小。
需要说明的是，前述对混合相机系统及其空间标定方法实施例的解释说明也适用于该实施例的混合相机系统及其空间标定装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的混合相机系统及其空间标定装置，可以结合高空间分辨率的普通相机和高时间分辨率的event-based相机的优点，构成一个高空间高时间分辨率的混合相机系统，并且准确的标定event-based相机与普通相机的空间关系，避免普通相机因运动模糊引起的信息丢失，可以大大提升视觉算法的鲁棒性，若应用在无人机平台上可提高其飞行安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种混合相机系统的空间标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建混合相机系统，所述混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成；
通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，以通过所述混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据；以及
最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取所述event-based相机向所述相机投影的关系，进而完成空间标定。
2.根据权利要求1所述的混合相机系统的空间标定方法，其特征在于，所述搭建混合相机系统，进一步包括：
将所述event-based相机、所述相机与所述分光片的空间位置pD,pC,pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z方向上的分量相同，所述event-based相机与所述相机位于所述分光片平面两侧。
3.根据权利要求2所述的混合相机系统的空间标定方法，其特征在于，所述通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，进一步包括：
通过调整所述event-based相机与所述相机的位置，以及所述分光片的角度，使所述event-based相机经过所述分光片的反射像与所述相机重合，使得pD’＝pC，pD’为event-based相机经过分光片的反射像。
4.根据权利要求1所述的混合相机系统的空间标定方法，其特征在于，所述标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure FDA0002608128430000011
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
5.根据权利要求1或4所述的混合相机系统的空间标定方法，其特征在于，所述误差为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标SDi ' ＝(xDi′,yDi′)与对应的所述相机点列坐标SCi＝(xCi,yDi)之间的欧几里得距离di＝||SDi′-SCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，所述event-based相机向所述相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure FDA0002608128430000012
最小，SDi'为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标。
6.一种混合相机系统的空间标定装置，其特征在于，包括：
搭建模块，用于搭建混合相机系统，所述混合相机系统由event-based相机、相机与分光片组成；
粗对齐模块，用于通过所述分光片的反射对所述混合相机系统进行粗对齐，以通过所述混合相机系统拍摄特定的标定图案，并记录数据；以及
空间标定模块，用于最小化相机拍摄图案之间的投影变换误差，并获取所述event-based相机向所述相机投影的关系，进而完成空间标定。
7.根据权利要求6所述的混合相机系统的空间标定装置，其特征在于，所述搭建混合相机系统，进一步包括：
将所述event-based相机、所述相机与所述分光片的空间位置pD,pC,pS在xy方向平面的投影构成等腰直角三角形，且z方向上的分量相同，所述event-based相机与所述相机位于所述分光片平面两侧。
8.根据权利要求7所述的混合相机系统的空间标定装置，其特征在于，所述粗对齐模块，进一步包括：
重合单元，用于通过调整所述event-based相机与所述相机的位置，以及所述分光片的角度，使所述event-based相机经过所述分光片的反射像与所述相机重合，使得pD’＝pC，其中，pD’为event-based相机经过分光片的反射像。
9.根据权利要求7所述的混合相机系统的空间标定装置，其特征在于，所述标定图案为以30Hz闪烁的圆形点阵排列图案，且投影变换为将原图像通过投影矩阵P变换到新图像，变换关系为：
Figure FDA0002608128430000021
其中，Pxy为P逆矩阵第x行第y列的元素。
10.根据权利要求6或9所述的混合相机系统的空间标定装置，其特征在于，所述误差为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标SDi' ＝(xDi′,yDi′)与对应的所述相机点列坐标SCi＝(xCi,yDi)之间的欧几里得距离di＝||SDi′-SCi||2，下标i代表点列中第i个点，其中，所述event-based相机向所述相机投影的关系是指最小化投影变换误差后获得的Pf，其在所有投影矩阵{P}中使得
Figure FDA0002608128430000022
最小，SDi'为将所述event-based相机采集的标定图案经投影变换后，所得点列坐标。
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