CN108765494B - 一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法，主要由棋盘格加编码图案，圆柱体标定，多相机标定组成。本发明的优点是：(1)采用标准圆柱体物件为标定物，实现单相机标定，易操作，节省了操作时间，且具有较高的标定精度。(2)采用了一种环形编码标记物，在获取相机标定图像的同时完成采集，实现了相机位置及顺序的确定的同时为多相机标定提供了便利。(3)利用单相机标定的结果，同时利用唯一确定相机的位置及顺序，从而准确的实现多相机全局标定，有效的节省了操作步骤与时间。

Description

一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法

技术领域

本发明设计一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法，具体涉及棋盘格加编码图案、圆柱体标定以及多相机标定。

背景技术

随着科技的发展，大面型尺寸的测量、检测逐渐成为工业产品制造的关键问题和发展趋势，并成为三维测量领域新的研究热点。传统测量方法很难满足大物体测量的要求，从而就需要多个方向对物体进行测量。而在这个过程中，最关键的一步就是实现多相机标定。现存的多相机标定方法将各相机相对于不同世界坐标系中的相机外参数，转化为相对同一世界坐标系的相机参数，会造成多相机系统的相机外参数标定过程较繁琐、标定效率较低、运算累积误差直接影响相机外参数的标定精度。目前关于多相机标定尚没有一种标定过程效率高、计算过程简便且标定精度较高的方法。

本发明提出了一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法，本方法采用表面为棋盘格图案加一组编码图案的标准圆柱体为标定物，利用基于线性的圆柱标定方法得到相机的内外参数，且利用编码图案得到其余所有相机相对于第一个相机的旋转矩阵和平移矩阵，实现多相机的全局标定。本方法相较于传统的多相机标定方法，极大地简化了相机标定的步骤，节省了操作时间，并且提高标定精度，为实现大物体三维尺寸低成本、高精度、在线检测提供了可能。

发明内容

本发明提出一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法，该方法相较于传统的多相机标定方法，极大地简化了相机标定的步骤，节省了操作时间，并且提高标定精度，为实现大物体三维尺寸低成本、高精度、在线检测提供了可能。

本发明是这样来实现的，基于圆柱体标定物的多相机标定方法：

1.圆柱体标定物的标定；

采用标准圆柱体物件作为标定物，其表面粘贴一张带有棋盘格图案加最底层为一组编码图案

2.单相机标定；

相机对着标定物进行拍摄，得到一幅标定图像，采用圆柱标定进行计算，得到相机的内外参数

1)相机成像模型

假定空间任意一点P在世界坐标系下的齐次坐标为P_w(X_w,Y_w,Z_w,1)，在相机坐标系下的齐次坐标为P_c(X_c,Y_c,Z_c,1)，它对应的图像平面投影点的齐次坐标为p(u,v,1)；

由相机坐标系到世界坐标系的变换；

2)求取相机内外参数

3.多相机标定；

将带有棋盘格图案加一组编码图案的圆柱体标定物置于测量空间中央，测量空间周围是多个相机

以圆柱体中心为世界坐标系的原点，每个相机对圆柱体标定物拍摄图像，对图像进行编号，然后将圆柱体旋转一定角度，再次拍摄标定图像，重复以上步骤，得到多幅标定图像。利用每个相机视角下的一串编码找到其在整个编码中的唯一位置，将0和1转换成每个点的绝对编号，对应于22个绝对编号；匹配绝对编号相同的编码图案，找到相邻的视角，唯一确定相机的位置及顺序，随后将所有拍摄图像构成4个标定图像组，对应于每个相机的序号。采用标定图像组多次测量求平均值的目的在于得到最优旋转矩阵和平移矩阵，使得标定的结果更精确。对所有标定图像进行标定计算，可得到全部图像的内、外部参数。最后，将标定得到的图像外参数转换到以相机-1为基准的坐标系下，从而实现多相机标定。

其中，利用圆柱体实现相机标定。该方法不同于传统的相机标定，该方法采用表面为棋盘格图案加一组编码图案的圆柱体为标定物，棋盘格图案分布在圆柱体侧面，棋盘格图案下方为编码图案，棋盘格图案和编码图案布满圆柱体的侧壁，编码图案为22位，共同组成标定图案贴于圆柱体表面，利用圆柱标定方法得到相机的内外参数，且利用编码图案唯一确定所有相机的位置和顺序，最后得到其余所有相机相对于第一个相机的旋转矩阵和平移矩阵，实现多相机的全局标定。

原理：(1)采用标准圆柱体物件为标定物，实现单相机标定，易操作，节省了操作时间，具有较高的标定精度。(2)采用了一种环形编码标记物，在获取相机标定图像的同时完成采集，实现了相机位置及顺序的确定的同时为多相机标定提供了便利。(3)利用单相机标定的结果，同时利用唯一确定相机的位置及顺序，从而准确的实现多相机全局标定，有效的节省了操作步骤与时间。利用单相机标定得到的结果，以及编码图案确定的相机位置和顺序，将标定得到的其余相机的图像外参数转换到以相机-1为基准的坐标系下，从而实现多相机标定。

本发明的优点是：

(1)该标定方法采用标准圆柱体物件为标定物，同时实现单相机标定和多相机全局标定，容易操作，节省了操作时间。

(2)单幅圆柱体标定图像即可实现相机标定，得到每个相机的内外参数，为实现多相机标定提供了便利。该标定方法原理简单，计算量小，且精度较高。

(3)两个相机相距较远，且棋盘格图案很难确定相机的顺序，因此本发明采用了一种环形编码标记物，该标记物粘贴成圆柱形置于圆柱体标定物的底层，可以在获取相机标定图像的同时完成采集，唯一确定相机位置及顺序的确定，从而准确的实现相机的局部坐标系到全局坐标系的转换，这样便有效的节省了操作步骤与时间。

附图说明

图1圆柱体表面的标定图案。

图2标记编码设计，表示01011 11100 11010 01000 01。

图3针孔相机成像模型。

图4标定示意图。

其中，1.相机、2.圆柱体。

具体实施方式

本发明是这样来实现的，基于圆柱体标定物的多相机标定方法，其特征是：棋盘格加编码图案、圆柱体标定以及多相机标定。

一、圆柱体标定物的设计

本发明采用标准圆柱体物件作为标定物，其表面粘贴一张带有棋盘格图案加最底层为一组编码图案，如图1所示。具体为上面是棋盘格图案，最底层为一组编码图案。该编码图案共有22位，如图2所示，循环排列时任选5个数字可以唯一确定其位置，也就是说相机只要看到连续5个角点即可唯一确定其所在位置。举例说明，约定编码从0开始，则11111所在位置为3，01010所在位置为20。其编码长度基于底座圆柱的半径和相机能识别的最小角点设定。每个单元分为两个半方半圆的黑白片，片上有圆形记为1，反之为0，具体参照表1如下：

表1：编码各单元意义对照

二、单相机标定

相机对着标定物进行拍摄，得到一幅标定图像。此处采用圆柱标定进行计算，得到相机的内外参数。具体原理如下：

1.相机成像模型

本发明采用理想的针孔模型来近似实际相机，针孔相机成像模型如图3所示。假定空间任意一点P在世界坐标系下的齐次坐标为P_w(X_w,Y_w,Z_w,1)，在相机坐标系下的齐次坐标为P_c(X_c,Y_c,Z_c,1)，它对应的图像平面投影点的齐次坐标为p(u,v,1)。由针孔成像模型，有

令

其中，f为焦距，s为畸变因子，(u₀,v₀)为主点的图像坐标，r为从横比，λ为比例因子，K为3×3矩阵。此处，为了简化标定过程，采用主点坐标近似图像中心，s近似于0，r近似为1，简化相机模型来实现。

由相机坐标系到世界坐标系的变换，有

即P_c＝MP_w。其中，R为3×3旋转矩阵，t为平移矩阵，0^T＝(0,0,0)，M为4×4矩阵。

综合(1)、(2)式得

p～K[R t]P_w (3)

其中，～表示相差一个比例因子。

2.相机内外参的求取

拍摄所得的标定图像为棋盘格图案，所以很容易得到3组互相正交的平行线，从而获得其所对应的3个影灭点((u_i,v_i,1)^T,i＝1,2,3)，相机内部参数和未知非零常数因子λ_i的约束关系为

其中

根据旋转矩阵R的特性，式(4)整理可得

式(5)可变换成6个线性参数方程(对称矩阵的6个参数可得出)，则可得到相机3个内参和未知的非零常数因子λ_i ²。

得到相机内参和度量因子后，将结果带入到(4)中，可得一个3×3的投影矩阵KR，此时K已知，故轻易得到相机的旋转矩阵R。此处，我们选取圆柱体中心为世界坐标系的原点，则它对应的图像点坐标为(u₁,v₁)，根据公式(3)，可得到求取相机平移矩阵的方程

三、多相机标定

将带有棋盘格图案加一组编码图案的圆柱体标定物置于测量空间中央，测量空间周围是多个相机，本发明以4个相机为例。标定装置如图4所示。

以圆柱体中心为世界坐标系的原点，每个相机对圆柱体标定物拍摄图像，对图像进行编号，然后将圆柱体旋转一定角度，再次拍摄标定图像，重复以上步骤，得到多幅标定图像。利用每个相机视角下的一串编码找到其在整个编码中的唯一位置，将0和1转换成每个点的绝对编号，对应于22个绝对编号；匹配绝对编号相同的编码图案，找到相邻的视角，唯一确定相机的位置及顺序，随后将所有拍摄图像构成4个标定图像组，对应于每个相机的序号。采用标定图像组多次测量求平均值的目的在于得到最优旋转矩阵和平移矩阵，使得标定的结果更精确。对所有标定图像进行标定计算，可得到全部图像的内、外部参数。最后，将标定得到的图像外参数转换到以相机-1为基准的坐标系下，从而实现多相机标定。

令R分别为某一标定图像相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，其中，i＝1,2,3,4；j＝1,2,…,n(i为相机编号，j为标定圆柱体旋转的总次数)。要实现多相机标定，首先，将相机-1所拍图像的外参数转换到坐标原点；然后，将其余图像的外参数转换到以相机-1为基准的坐标系下：

最后，根据下式计算4个相机的外参数：

以相机-1为坐标系原点，则R₁＝I,T₁＝O。

Claims (2)

1.一种基于圆柱体标定物的多相机标定方法，该方法采用表面为棋盘格图案加一组编码图案的圆柱体为标定物，同时实现单相机标定和多相机标定，其主要标定过程为：

1)圆柱体标定物的标定

采用标准圆柱体物件作为标定物，其表面粘贴一张标定图案，标定图案带有棋盘格图案，棋盘格图案最底层为一组编码图案，棋盘格图案分布在圆柱体侧面，棋盘格图案和编码图案布满圆柱体的侧壁，编码图案为22位，共同组成标定图案贴于圆柱体表面；

2)对标定物采集标定图像，实现单相机标定

相机对着标定物进行拍摄，得到一幅标定图像，采用圆柱标定进行计算，得到相机的内外参数；

3)利用单相机标定结果及编码图案实现多相机标定

将带有棋盘格图案加一组编码图案的圆柱体标定物置于测量空间中央，测量空间周围是多个相机；步骤3)的具体操作为：以圆柱体中心为世界坐标系的原点，每个相机对圆柱体标定物拍摄图像，对图像进行编号，然后将圆柱体旋转一定角度，再次拍摄标定图像，重复以上步骤，得到多幅标定图像；利用每个相机视角下的一串编码找到其在整个编码中的唯一位置，将0和1转换成每个点的绝对编号，对应于22个绝对编号；匹配绝对编号相同的编码图案，找到相邻的视角，唯一确定相机的位置及顺序，随后将所有拍摄图像构成4个标定图像组，对应于每个相机的序号；采用标定图像组多次测量求平均值，目的在于得到最优旋转矩阵和平移矩阵，使得标定的结果更精确；对所有标定图像进行标定计算，可得到全部图像的内、外部参数；最后，将标定得到的图像外参数转换到以相机-1为基准的坐标系下，从而实现多相机标定。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，步骤2)实现单相机的标定包括

相机成像模型

假定空间任意一点P在世界坐标系下的齐次坐标为P_w(X_w,Y_w,Z_w,1)，在相机坐标系下的齐次坐标为P_c(X_c,Y_c,Z_c,1)，它对应的图像平面投影点的齐次坐标为p(u,v,1)；由相机坐标系变换到世界坐标系；

求取相机内外参数。

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