CN108156450B - 用于校准摄像机的方法、校准设备、校准系统以及机器可读的存储介质 - Google Patents

用于校准摄像机的方法、校准设备、校准系统以及机器可读的存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于校准摄像机(102)的方法，其中，所述方法具有读取的步骤和求取的步骤，其中，在读取的步骤中，读取在使用摄像机(102)的情况下检测的可运动的校准对象(106)的成像轨迹(110)和参考轨迹(116)，其中，所述成像轨迹(110)代表所述校准对象(106)在所述摄像机(102)的图像坐标中成像的轨迹(108)，所述参考轨迹(116)代表世界坐标中的轨迹(108)，在求取的步骤中，在使用所述成像轨迹(110)和所述参考轨迹(116)的情况下，求取用于所述摄像机(102)的至少一个校准参数(124)。

Description

用于校准摄像机的方法、校准设备、校准系统以及机器可读的 存储介质
技术领域
本发明从一种设备或一种方法出发。本发明的主题也是一种计算机程序
背景技术
在摄像机的图像平面中成像场景的情况下会导致像差(Abbildungsfehler)。例如对象的直线棱边可能会在图像平面中成像成弯曲的。在图像信息中，可以通过补偿参数在计算上对这种像差进行补偿。为了获得补偿参数，例如可以成像由直线构成的网格。在图像信息中，成像具有像差的网格。因为原始的网格是已知的，所以可以计算出补偿参数。
发明内容
在所述背景下，借助在此提出的方案，提出一种用于校准摄像机的方法、此外还提出一种使用所述方法的设备、一种校准系统以及最后提出一种计算机程序。还可以实现所述设备的有利的扩展方案和改善方案。
在在此提出的方案中，使用运动的对象作为参照。如果已知对象的运动轨道，则可以通过运动轨道的成像推断出补偿参数。
提出一种用于校准摄像机的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
读取在使用摄像机的情况下检测的运动的校准对象的成像轨迹和参考轨迹，其中，成像轨迹代表校准对象在摄像机的图像坐标中成像的轨迹，参考轨迹代表世界坐标中的轨迹；
在使用成像轨迹和参考轨迹的情况下，求取用于摄像机的至少一个校准参数。
摄像机可以理解为视频摄像机或普通的摄像机。摄像机尤其是动态视觉摄像机。动态视觉摄像机在其图像信息中仅成像其检测区域内的当前事件。在此，例如成像运动和亮度变化。不成像静态元素。轨迹可以是校准对象走过的运动轨道。图像坐标可以基于摄像机的传感器或者说成像平面。世界坐标可以具有相对于摄像机的固定关系。换句话说，摄像机可以在世界坐标中具有固定的坐标值以及固定的指向。可以通过合适的接口、例如通过到摄像机以及到独立于摄像机实施的检测装置的接口来读取成像轨迹和参考轨迹。成像轨迹可以是在使用摄像机的图像数据的情况下确定的轨迹。参考轨迹可以是在使用独立于摄像机实施的检测装置的数据的情况下确定的轨迹。在求取的步骤中，可以在使用合适的校准规则的情况下求取用于摄像机的校准参数。
可以在时间上同步地读取成像轨迹和参考轨迹。成像轨迹和参考轨迹可以涉及同一时间段。通过同步或时间上的关系，补偿参数的计算才有意义。
所述方法可以具有检测参考轨迹的步骤，其中，检测校准对象的至少一个加速度变化过程，以便获得参考轨迹。可以通过校准对象处的加速度传感器检测加速度。在不绝对地测量轨迹的情况下，由加速度可以计算出轨迹。
在检测的步骤中，可以在多个检测时刻检测校准对象的位置，以便获得参考轨迹。在此，可以在读取的步骤中，在每个检测时刻读取校准对象的成像的一个图像坐标值，以便获得成像轨迹。通过在各个时刻同步地在图像坐标中和世界坐标中进行检测，可以降低数据量并且可以加速校准参数的求取。
可以在使用独立于摄像机实施的检测装置的情况下实施检测的步骤。为了检测参考轨迹，检测装置例如可以具有加速度传感器。在使用图像信息的情况下，例如可以由摄像机的图像数据确定成像轨迹。以这种方式，可以彼此独立地检测轨迹。
所述方法可以具有使校准对象在轨迹上运动的步骤。可以使校准对象在预给定的轨道上运动。通过预先了解轨道，可以快速并且简便地求取参考轨迹。
这种方法例如可以以软件或硬件或以一种由软件和硬件组成的混合形式例如在控制设备中实现。
在此提出的方案还提出一种校准设备，该校准设备构造用于在相应的装置中执行、操控或实现在此提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的呈校准设备形式的这种变型实施方案，也可以快速地且高效地解决本发明所基于的任务。
为此，校准设备可以具有：至少一个用于处理信号或数据的计算单元、至少一个用于存储信号或数据的存储单元、至少一个用于从传感器读取传感器信号或用于将数据信号或控制信号输出到执行器的至传感器或执行器的接口和/或至少一个用于读取或输出嵌入到通信协议中的数据的通信接口。计算单元可以是信号处理器、微控制器等，其中，存储单元可以是闪存、EEPROM或磁存储单元。所述通信接口可以构造用于无线地和/或有线地读取或输出数据，其中，可以读取或输出有线数据的通信接口例如可以电地或光学地从相应数据传输线路中读取所述数据或将所述数据输出到相应的数据传输线路中。
在此，校准设备可以理解为电设备，该电设备处理传感器信号并且根据该传感器信号输出控制和/或数据信号。校准设备可以具有可以以硬件形式和/或软件形式构造的接口。在硬件形式的构造中，所述接口例如可以是所谓的系统专用集成电路的一部分，该部分包含校准设备的最不同的功能。然而也可以实现，所述接口是独立的集成电路或至少部分地由分立器件构成。在软件形式的构造中，所述接口可以是软件模块，所述软件模块例如和另外的软件模块一起存在于微控制器上。
此外，提出一种用于校准摄像机的校准系统，其中，校准系统具有以下特征：
用于检测校准对象的参考轨迹的检测装置；
根据在此提出的方案的校准设备。
检测装置可以构造为可由摄像机检测的、可在轨迹上运动的校准对象。校准对象可以包括可以用于检测参考轨迹的传感器。校准对象例如可以是可以掷入和/或滚入摄像机的检测区域中的球。
也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序，所述程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质上，例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器，并且用于尤其当在计算机或设备上运行所述程序产品或程序时执行、实现和/或操控根据上面所描述的实施方式之一所述的方法的步骤。
附图说明
在此提出的方案的实施例在附图中示出并且在接下来的描述中进一步阐述。附图示出：
图1示出根据一种实施例的用于校准摄像机的校准系统的方框图；
图2示出根据一种实施例的校准对象的轨迹的示图；
图3示出根据一种实施例的用于校准摄像机的方法的流程图。
在本发明的有利实施例的以下描述中，对于在不同附图中示出的并且起类似作用的元素使用相同或类似的参考标记，其中，不再对所述元素作重复的描述。
具体实施方式
图1示出根据一种实施例的用于校准摄像机102的校准系统100的方框图。在此，摄像机102具有动态视觉传感器，该动态视觉传感器提供其像素点的强度值的当前变化作为图像信息104。由此，摄像机102不检测摄像机102的检测区域的整个成像，而是对检测区域中的变化、尤其例如运动进行检测。在摄像机102不动的情况下，不在图像信息104中成像检测区域中没有变化的以及不动的对象。
校准对象106在检测区域中运动。校准对象106在轨迹108上运动。摄像机102检测校准对象106的三维运动并且在图像信息104中二维地成像当前的运动。由在一个时间段上检测的图像信息104得出校准对象106在图像信息104的图像坐标中的二维成像轨迹110。
校准系统100具有用于检测校准对象106的位置的检测装置112。在校准对象在轨迹108上运动期间，通过检测装置112检测校准对象106。检测装置112在三维坐标值114中成像校准对象106的当前空间位置。由在所述时间段上检测的坐标值114得出校准对象106在检测装置112的世界坐标中的三维参考轨迹116。
校准系统还具有用于校准摄像机102的设备118。通过用于读取的接口120读取成像轨迹110和参考轨迹116。在求取装置122中，在使用成像轨迹110和参考轨迹116以及校准规则的情况下求取用于摄像机102的至少一个校准参数124。校准规定例如可以一次性确定并且存储。
在一种实施例中，校准对象106是检测装置112的一部分。在此，校准对象116包括至少一个传感器单元和传输单元。传感器单元检测沿着轨迹108的运动的至少一部分，传输单元将数据126传输到检测单元112的接收器。传感器单元例如检测加速度变化过程中的对校准对象起作用的加速度，所述加速度用于计算参考轨迹116。
换句话说，提出一种用于校准DVS摄像机102的新型校准方案。
在研究中示出以下趋势：越来越多的系统和算法发展为更强烈依赖于自然。在此提出的方案涉及新型DVS摄像机102(动态视觉传感器)的校准，该DVS摄像机模拟人眼的工作方式。所述DVS摄像机102可能会在未来几年内增加重要性。
为了图像坐标与世界坐标之间的换算，以及为了摄像机数据104的一般的测量分析处理，对于DVS摄像机102来说、也例如在传统摄像机的情况下，需要可以通过实验确定的摄像机校准参数124。所述参数124由于制造而有差异。然而，因为DVS摄像机102仅传输各个像素位置处的差异，所以不能在此使用传统摄像机的校准方法。在此，将来需要新型的解决方案。在此描述一种可能的解决方案。
在文献中存在用于摄像机的传统算法，所述传统算法通过了解图像中的已知类别的若干个线/点而可以推断出摄像机校准参数。为此，需要将已知高度的物体放置到场景中，或借助校准目标手动地完成多次记录。只有以非常大的开销才可以借助DVS摄像机102实现对这些必须点的探测，因为只能测量变化。
在此示出的方案描述一种技术设备100，其通过摄像机102与校准对象106之间的距离测量以及同步记录来获取校准所需要的测量值110、116。由此，校准过程被简化或才能够实现用于DVS摄像机102。
对于仅感测变化的、例如DVS(动态视觉传感器)的新型传感器技术，所描述的具有相应的、在此所述的硬件100的“基于动作的”校准过程是进行校准的一种可能性，因为无法记录场景的静态图像。
产品100一方面由安装在摄像机102上的通信和同步单元或摄像机单元112组成，另一方面由其中结合有本地化硬件(例如UWB技术)、运动传感器以及通信单元的弹性球106构成。球106可以称为校准球。
图2示出根据一种实施例的校准对象106的轨迹的示图。在此，校准对象106基本上相应于图1中的校准对象。在此，校准对象106是球体。在此，从摄像机的视角成像校准对象106。换句话说，图2从摄像机的视角示出摄像机的检测区域的示图。
在一种实施例中，在检测区域中，在地面与墙面之间布置有过渡。该过渡通过棱边200示出。校准对象106沿着地面上的直线轨迹108滚动。
在一种实施例中，校准对象106在沿着轨迹108的加速运动期间被成像。例如校准对象106以自由落体的形式示出。在此，分别在相同的时间步长之后成像校准对象106的位置。随着校准对象106的速度的增加，位置之间的间距增大。
在两种实施例中，示出四个不同时刻的位置。在所述时刻，通过检测系统分别检测位置值。与此同时，检测摄像机的每一个定格图像。因为校准对象106是运动的，所以校准对象106在定格图像中成像。
可以通过成像的在定格图像中的各个像素位置计算出成像轨迹。可以通过各个位置值计算出参考轨迹。
校准过程如此工作，使得在校准球106场景运动穿过场景的情况下，同步地测量球106相对于摄像机的图像和位置坐标。因此，在球106在底部平面内滚动的情况下，在底部平面中收集测量数据。通过运动传感器，在自由落体的情况下由下落时间也可以自动地确定下落高度。
为此，在接收到校准球106的位置信号的时刻，校准单元同步地将触发信号发送到摄像机。通过根据牛顿定律且根据对摄像机相关的世界坐标中的测量值的相应的补偿计算确定球轨迹108，可以将世界中的直线配属于图像平面中的直线，所述图像平面由同步记录的图像序列以及校准球106的分割(CMOS)或运动模型的分割(DVS)在图像中生成。现在，补偿计算也缓解本地化硬件(例如超宽带、低功耗蓝牙)的现有缺陷，然而随着技术成熟的推进，这种缺陷会越来越小。替代地，也可以使用高价位的本地化系统(例如主动红外标记)。
因此，例如在文献中典型描述的校准方法那样，借助这种测量过程来产生相同的数据库。类似地进行进一步的计算。
换句话说，图2示出具有滚动的或下落的校准球106的运动图像序列的叠加的图像。所描述的硬件实现将单个图像准确分配给校准球106的相关世界坐标。
图3示出根据一种实施例的用于校准摄像机的方法的流程图。该方法可以在用于校准的(如图1所示的)设备上实施。该方法具有读取的步骤300以及求取的步骤302。在读取的步骤300中，读取运动的校准对象的成像轨迹和参考轨迹。通过摄像机检测校准对象。成像轨迹和参考轨迹代表校准对象的实际轨迹。在求取的步骤302中，在使用成像轨迹和参考轨迹以及校准算法的情况下求取用于摄像机的至少一个校准参数。
在一种实施例中，该方法具有检测的步骤304。在检测的步骤304中，检测校准对象并且在参考轨迹中成像校准对象的轨迹。
如果一个实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”连接，那么这应该如此解读：所述实施例根据一种实施方式既具有第一特征也具有第二特征而根据另一种实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims (7)

1.一种用于校准动态视觉传感器(DVS)摄像机(102)的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
读取(300)在使用所述DVS摄像机(102)的情况下检测的运动的校准对象(106)的二维成像轨迹(110)及在使用另一检测装置(112)的情况下所述检测的运动的校准对象(106)的三维参考轨迹(116)，其中，所述二维成像轨迹(110)代表所述校准对象(106)在所述DVS摄像机(102)的图像坐标中成像的轨迹(108)，所述三维参考轨迹(116)代表世界坐标中的轨迹(108)，其中，所述DVS摄像机仅仅用于检测和输出图像中的变化；
在检测所述参考轨迹(116)的步骤(304)中，在多个检测时刻检测所述校准对象(106)的位置(114)，以便获得所述参考轨迹(116)，并且在所述读取的步骤(300)中，在每个检测时刻读取所述校准对象(106)的成像的图像坐标值，以便获得所述成像轨迹(110)，其中，在使用独立于所述摄像机(102)实施的检测装置(112)的情况下实施所述检测的步骤(304)，在使用所述摄像机(102)的图像信息(104)的情况下确定所述成像轨迹(110)，
在使用所述二维成像轨迹(110)和所述三维参考轨迹(116)的情况下，求取(302)用于所述DVS摄像机(102)的至少一个校准参数(124)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述读取的步骤(300)中，在时间上同步地读取所述成像轨迹(110)和所述参考轨迹(116)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法具有使所述校准对象(106)在所述轨迹(108)上运动的步骤。
4.一种校准设备(118)，所述校准设备设置用于在相应的单元中实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
5.一种用于校准摄像机(102)的校准系统(100)，其中，所述校准系统(100)具有以下特征：
用于检测校准对象(106)的参考轨迹(116)的检测装置(112)；
根据权利要求4所述的校准设备(118)。
6.根据权利要求5所述的校准系统(100)，其中，所述检测装置(112)构造为能够由所述摄像机(102)检测的、能够在轨迹(108)上运动的校准对象(106)。
7.一种机器可读的存储介质，在其上存储有设置用于实施根据权利要求1至3中任一项所述的方法的计算机程序。
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