CN108830906B - 一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，采用装置包括云台旋转支架、摄像机、外部触发电路、PC、绘有黑白格棋盘图案的标定板和两面成夹角设置的平面镜；两面平面镜设于云台旋转支架后方；标定板置于云台旋转支架处；摄像机设于云台旋转支架前方且摄像方面朝向两平面镜；当摄像机对标定板摄像时，其摄取的标定板图像包括标定板在两平面镜内形成的左右两个虚像；当标定板每转动一个角度时，外部触发电路控制摄像机对标定板摄像；PC对摄像机拍摄的标定板图像进行处理，以获取并标定摄像机的内部参数、畸变参数以及在世界坐标系下的外部参数；本发明解决了传统的人工寻找标定板角点的繁琐过程，简化了实验流程，便于操作。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其是一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法。
背景技术
摄像机参数标定的目的是确定摄像机的位置、属性参数和建立成像几何模型，以便确定空间坐标系中物体点与它在图像平面上像点之间的对应关系。摄像机标定结果的准确性直接影响三维重建的精度，因此摄像机的标定在三维测试过程中占有十分重要的地位。
张正友法是广泛应用于计算机视觉领域的一种标定方法，利用黑白相间的棋盘格作为标定物，在摄像机前任意摆放，通过对采集到的不同角度的多张标定板图像进行处理来确定摄像机的内外部参数，具有标定精度高的优点，但在实际操作过程中存在标定板需要人工转动、图像处理过程人工干预多、工作量大、相关参数的处理和分析不方便等问题。基于此，许会等提出专利“一种鱼眼相机快速标定装置及标定方法”，通过控制鱼眼相机水平旋转和垂直旋转以自动采集不同视角的标定板图像，但未涉及标定板图像自动处理以及相机参数的自动计算过程。王平等提出专利“一种基于OpenCV摄像头标定的3D输入方法”，通过拍摄不同位置的标定板，利用OpenCV对图像进行自动处理，但只计算了摄像机的内部参数，适用于单目测量时单相机的标定。
本发明提出的基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法是在双目立体视觉原理和张正友标定方法的基础上，仅使用一台摄像机和两面平面镜便能够实现双目视觉三维重建，解决了传统的双目视觉技术存在的同步性差和成本高的问题。同时利用外部触发电路控制标定板的自动转动，并控制摄像机延时拍摄，减少了人工干预带来的不确定性。在图像处理方面，本发明利用OpenCV计算机视觉库中的相关函数处理得到摄像机的内部参数，畸变参数和对应于世界坐标系的外部参数，解决了传统的人工寻找标定板角点的繁琐过程，简化了实验流程，便于操作，为被测物体三维重建奠定基础。
发明内容
本发明提出一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，解决了传统的人工寻找标定板角点的繁琐过程，简化了实验流程，便于操作。
本发明采用以下技术方案。
一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，所述标定方法采用自动标定装置对摄像机参数进行标定，所述标定装置包括云台旋转支架、摄像机、外部触发电路、PC、绘有黑白格棋盘图案的标定板和两面成夹角设置的平面镜；所述外部触发电路与PC、云台旋转支架和摄像机相连；所述两面平面镜设于云台旋转支架后方；所述标定板置于云台旋转支架处；摄像机设于云台旋转支架前方且摄像方面朝向两平面镜；当摄像机对标定板摄像时，其摄取的标定板图像包括标定板在两平面镜内形成的左右两个虚像；PC经外部触发电路控制云台旋转支架使标定板多角度转动；当标定板每转动一个角度时，外部触发电路控制摄像机对标定板摄像；所述PC与摄像机相连并以OpenCV计算机视觉库对摄像机拍摄的标定板图像进行处理，以获取并标定摄像机的内部参数、畸变参数以及在世界坐标系下的外部参数。
所述标定板、摄像机均设于两面平面镜夹角的角平分线上。
所述标定板上的方格数量在阈值以上。
所述标定方法包括图像采集环节和图像处理环节；所述图像采集环节包括以下步骤；
A1、先将两面呈一定角度的平面镜放置在标定板后方，摄像机放置在标定板前方，标定板固定在云台旋转支架上，摄像机、标定板、平面镜的中线位置应保证左右两个镜面的图像能够清晰并尽量居中，以便标定板转动时仍能在镜面中完整成像；
A2、拍摄时，先将标定板竖直放置，拍摄一张图像作为世界坐标系，然后通过PC控制外部触发电路使云台旋转支架自动转动不同角度，并通过外部触发电路触发摄像机经对标定板在平面镜中的虚像进行拍摄；
A3、云台每转动一个角度，摄像机拍摄一张标定板图像，在摄像机的拍摄过程中，PC端鼠标光标会实时显示当前坐标点的位置，通过定义一个坐标范围，记录下标定板转动过程中标定板的坐标范围变化，将拍摄到的所有图像统一存储在图像处理的文件夹内。
所述图像处理环节把拍摄到的平面镜中标定板的左、右虚像视为两平面镜内的左、右虚拟摄像机拍摄的标定板图像；通过对转动不同角度获得的多张标定板图像进行处理和计算，得到摄像机的内部参数和畸变参数；通过对世界坐标系下的标定板图像进行处理，得到摄像机的外部参数以及左虚拟摄像机和右虚拟摄像机的相对位姿参数；
在图像处理环节中，为避免检测标定板的黑白格棋盘图案角点时左右两个图像相互影响，对左右两个镜像进行分别处理；
首先处理左镜面图像，依次读入多张标定板的图像，设置标定板的角点数量和尺寸大小；依照记录下的标定板转动过程中的坐标范围变化，使用表示矩形区域的Rect命令,指定矩形的左上角坐标和矩形的长宽，即利用记录下的标定板转动的坐标范围变化来定义一个矩形区域从而截取出感兴趣区域，使得在该区域内左镜面的标定板处于中央位置并能够容纳标定板的转动范围；
在获取摄像机内部参数时和畸变参数时,先进行图像灰度化处理，接着利用OpenCV视觉库中的findChessboardCorners函数初步检测标定板上的角点信息，自动检索标定板内角点的像素坐标，按从左往右，从上至下的顺序一一排列，此时若有一些图片不能准确找到角点，则需重新设定感兴趣区域范围或者将这些图片删去；为了使提取到的角点坐标更加精确，利用find4QuadCornerSubpix函数精确提取亚像素角点并记录下提取的角点坐标信息，在此处理中，旋转的标定板图像应多于十张以保证准确率，若标定的图像数量少于所规定的数量，则需重新划定感兴趣区域；以标定板左上角第一个角点为原点，获取内角点的三维空间点坐标，也就是摄像机坐标系下的点坐标，令摄像机坐标系的xy平面位于标定板平面位置，即摄像机坐标系的z轴为零，按照标定板每个方格的大小按从左往右，从上至下的顺序一一初始化三维空间点的坐标；为了增加标定结果的准确性，需要拍摄大于十张的标定板图像联立多个方程进行求解；连续标定处理多张标定板转动的图像以得到精度更高的内部参数；利用calibrateCamera函数进行计算，可以得到左虚拟摄像机的内部参数、畸变参数；
在获取左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数时，读入已求得的左虚拟摄像机内部参数、畸变参数和拍摄到的处于世界坐标系下的单张图像，截取左感兴趣区域，利用cvFindExtrinsicCameraParams2函数按上述标定方法对处于世界坐标系下的图像进行处理，得到左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数；
右镜面图像处理过程与左镜面相同，得到右虚拟摄像机内部参数和在世界坐标系下的外部参数；
标定完成后，根据计算所得的角点图像坐标重投影至标定板上，与实际已知的图像坐标相对比，计算出每一张图像的标定误差以及总体的平均误差；在得出左右两台虚拟摄像机外部参数的基础上，利用StereoCalibrate函数计算得到左右两虚拟摄像机的相对旋转矩阵和平移向量，从而得到两个虚拟摄像机的相对位置关系。
当涉及到截取左右两镜面图像单独处理的步骤时，由于截取感兴趣区域时坐标位置会发生改变，因而在提取角点的坐标值时要叠加上截取的感兴趣区域的长宽数值。
所述标定板在云台旋转支架驱动下旋转，所述云台旋转支架可由PC控制或是由遥控器控制。
所述外部触发电路可控制摄像机进行延时拍摄而延时时间可以自定义。
本发明提出的基于OpenCV的图像处理方法，省去了人工寻找角点以及计算的过程，只需利用VC++为编程开发环境，通过编程实现对图像的处理，有利于后期三维重建工作的进一步开展。
本发明仅使用一台摄像机和两面平面镜便能够实现双目视觉三维重建，解决了传统的双目视觉技术存在的同步性差和成本高的问题；同时本发明利用外部触发电路控制标定板的自动转动，并控制摄像机延时拍摄，减少了人工干预带来的不确定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的流程示意图；
附图2是本发明所用装置的示意图；
附图3是本发明在图像处理中的流程示意图；
附图4是标定板的棋盘图案示意图；
图中：1-PC；2-外部触发电路；3-摄像机；4-云台旋转支架；5-标定板；6-左平面镜；7-右平面镜；8-左虚拟摄像机；9-右虚拟摄像机。
具体实施方式
如图1-4所示，一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，所述标定方法采用自动标定装置对摄像机参数进行标定，所述标定装置包括云台旋转支架4、摄像机3、外部触发电路2、PC1、绘有黑白格棋盘图案的标定板5和两面成夹角设置的平面镜6和7；所述外部触发电路与PC、云台旋转支架和摄像机相连；所述两面平面镜设于云台旋转支架后方；所述标定板置于云台旋转支架处；摄像机设于云台旋转支架前方且摄像方面朝向两平面镜；当摄像机对标定板摄像时，其摄取的标定板图像包括标定板在两平面镜内形成的左右两个虚像；PC经外部触发电路控制云台旋转支架使标定板多角度转动；当标定板每转动一个角度时，外部触发电路控制摄像机对标定板摄像；所述PC与摄像机相连并以OpenCV计算机视觉库对摄像机拍摄的标定板图像进行处理，以获取并标定摄像机的内部参数、畸变参数以及在世界坐标系下的外部参数。
所述标定板、摄像机均设于两面平面镜夹角的角平分线上。
所述标定板上的方格数量在阈值以上。
所述标定方法包括图像采集环节和图像处理环节；所述图像采集环节包括以下步骤；
A1、先将两面呈一定角度的平面镜放置在标定板后方，摄像机放置在标定板前方，标定板固定在云台旋转支架上，摄像机、标定板、平面镜的中线位置应保证左右两个镜面的图像能够清晰并尽量居中，以便标定板转动时仍能在镜面中完整成像；
A2、拍摄时，先将标定板竖直放置，拍摄一张图像作为世界坐标系，然后通过PC控制外部触发电路使云台旋转支架自动转动不同角度，并通过外部触发电路触发摄像机经对标定板在平面镜中的虚像进行拍摄；
A3、云台每转动一个角度，摄像机拍摄一张标定板图像，在摄像机的拍摄过程中，PC端鼠标光标会实时显示当前坐标点的位置，通过定义一个坐标范围，记录下标定板转动过程中标定板的坐标范围变化，将拍摄到的所有图像统一存储在图像处理的文件夹内。
所述图像处理环节把拍摄到的平面镜中标定板的左、右虚像视为两平面镜内的左、右虚拟摄像机拍摄的标定板图像；通过对转动不同角度获得的多张标定板图像进行处理和计算，得到摄像机的内部参数和畸变参数；通过对世界坐标系下的标定板图像进行处理，得到摄像机的外部参数以及左虚拟摄像机8和右虚拟摄像机9的相对位姿参数；
在图像处理环节中，为避免检测标定板的黑白格棋盘图案角点时左右两个图像相互影响，对左右两个镜像进行分别处理；
首先处理左镜面图像，依次读入多张标定板的图像，设置标定板的角点数量和尺寸大小；依照记录下的标定板转动过程中的坐标范围变化，使用表示矩形区域的Rect命令,指定矩形的左上角坐标和矩形的长宽，即利用记录下的标定板转动的坐标范围变化来定义一个矩形区域从而截取出感兴趣区域，使得在该区域内左镜面的标定板处于中央位置并能够容纳标定板的转动范围；
在获取摄像机内部参数时和畸变参数时,先进行图像灰度化处理，接着利用OpenCV视觉库中的findChessboardCorners函数初步检测标定板上的角点信息，自动检索标定板内角点的像素坐标，按从左往右，从上至下的顺序一一排列，此时若有一些图片不能准确找到角点，则需重新设定感兴趣区域范围或者将这些图片删去；为了使提取到的角点坐标更加精确，利用find4QuadCornerSubpix函数精确提取亚像素角点并记录下提取的角点坐标信息，在此处理中，旋转的标定板图像应多于十张以保证准确率，若标定的图像数量少于所规定的数量，则需重新划定感兴趣区域；以标定板左上角第一个角点为原点，获取内角点的三维空间点坐标，也就是摄像机坐标系下的点坐标，令摄像机坐标系的xy平面位于标定板平面位置，即摄像机坐标系的z轴为零，按照标定板每个方格的大小按从左往右，从上至下的顺序一一初始化三维空间点的坐标；为了增加标定结果的准确性，需要拍摄大于十张的标定板图像联立多个方程进行求解；连续标定处理多张标定板转动的图像以得到精度更高的内部参数；利用calibrateCamera函数进行计算，可以得到左虚拟摄像机的内部参数、畸变参数；
在获取左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数时，读入已求得的左虚拟摄像机内部参数、畸变参数和拍摄到的处于世界坐标系下的单张图像，截取左感兴趣区域，利用cvFindExtrinsicCameraParams2函数按上述标定方法对处于世界坐标系下的图像进行处理，得到左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数；
右镜面图像处理过程与左镜面相同，得到右虚拟摄像机内部参数和在世界坐标系下的外部参数；
标定完成后，根据计算所得的角点图像坐标重投影至标定板上，与实际已知的图像坐标相对比，计算出每一张图像的标定误差以及总体的平均误差；在得出左右两台虚拟摄像机外部参数的基础上，利用StereoCalibrate函数计算得到左右两虚拟摄像机的相对旋转矩阵和平移向量，从而得到两个虚拟摄像机的相对位置关系。
当涉及到截取左右两镜面图像单独处理的步骤时，由于截取感兴趣区域时坐标位置会发生改变，因而在提取角点的坐标值时要叠加上截取的感兴趣区域的长宽数值。
所述标定板在云台旋转支架驱动下旋转，所述云台旋转支架可由PC控制或是由遥控器控制。
所述外部触发电路可控制摄像机进行延时拍摄而延时时间可以自定义。
本标定方法同样适用于摄像机或普通相机的单目标定和基于双目视觉原理的两台摄像机或普通相机的标定。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述标定方法采用自动标定装置对摄像机参数进行标定，所述标定装置包括云台旋转支架、摄像机、外部触发电路、PC、绘有黑白格棋盘图案的标定板和两面成夹角设置的平面镜；所述外部触发电路与PC、云台旋转支架和摄像机相连；两面平面镜设于云台旋转支架后方；所述标定板置于云台旋转支架处；摄像机设于云台旋转支架前方且摄像方面朝向两平面镜；当摄像机对标定板摄像时，其摄取的标定板图像包括标定板在两平面镜内形成的左右两个虚像；PC经外部触发电路控制云台旋转支架使标定板多角度转动；当标定板每转动一个角度时，外部触发电路控制摄像机对标定板摄像；所述PC与摄像机相连并以OpenCV计算机视觉库对摄像机拍摄的标定板图像进行处理，以获取并标定摄像机的内部参数、畸变参数以及在世界坐标系下的外部参数；
所述标定方法包括图像采集环节和图像处理环节；所述图像采集环节包括以下步骤；
A1、先将两面呈夹角设置的平面镜放置在标定板后方，摄像机放置在标定板前方，标定板固定在云台旋转支架上，摄像机、标定板、平面镜的中线位置应保证左右两个镜面的图像能够清晰并尽量居中，以便标定板转动时仍能在镜面中完整成像；
A2、拍摄时，先将标定板竖直放置，拍摄一张图像作为世界坐标系，然后通过PC控制外部触发电路使云台旋转支架自动转动不同角度，并通过外部触发电路触发摄像机经对标定板在平面镜中的虚像进行拍摄；
A3、云台每转动一个角度，摄像机拍摄一张标定板图像，在摄像机的拍摄过程中，PC端鼠标光标会实时显示当前坐标点的位置，通过定义一个坐标范围，记录下标定板转动过程中标定板的坐标范围变化，将拍摄到的所有图像统一存储在图像处理的文件夹内。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述标定板、摄像机均设于两面平面镜夹角的角平分线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述标定板上的方格数量在阈值以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述图像处理环节把拍摄到的平面镜中标定板的左、右虚像视为两平面镜内的左、右虚拟摄像机拍摄的标定板图像；通过对转动不同角度获得的多张标定板图像进行处理和计算，得到摄像机的内部参数和畸变参数；通过对世界坐标系下的标定板图像进行处理，得到摄像机的外部参数以及左虚拟摄像机和右虚拟摄像机的相对位姿参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：在图像处理环节中，为避免检测标定板的黑白格棋盘图案角点时左右两个图像相互影响，对左右两个镜像进行分别处理；
首先处理左镜面图像，依次读入多张标定板的图像，设置标定板的角点数量和尺寸大小；依照记录下的标定板转动过程中的坐标范围变化，使用表示矩形区域的Rect命令,指定矩形的左上角坐标和矩形的长宽，即利用记录下的标定板转动的坐标范围变化来定义一个矩形区域从而截取出感兴趣区域，使得在该区域内左镜面的标定板处于中央位置并能够容纳标定板的转动范围；
在获取摄像机内部参数时和畸变参数时,先进行图像灰度化处理，接着利用OpenCV视觉库中的findChessboardCorners函数初步检测标定板上的角点信息，自动检索标定板内角点的像素坐标，按从左往右，从上至下的顺序一一排列，此时若有一些图片不能准确找到角点，则需重新设定感兴趣区域范围或者将这些图片删去；为了使提取到的角点坐标更加精确，利用find4QuadCornerSubpix函数精确提取亚像素角点并记录下提取的角点坐标信息，在此处理中，旋转的标定板图像应多于十张以保证准确率，若标定的图像数量少于所规定的数量，则需重新划定感兴趣区域；以标定板左上角第一个角点为原点，获取内角点的三维空间点坐标，也就是摄像机坐标系下的点坐标，令摄像机坐标系的xy平面位于标定板平面位置，即摄像机坐标系的z轴为零，按照标定板每个方格的大小按从左往右，从上至下的顺序一一初始化三维空间点的坐标；为了增加标定结果的准确性，需要拍摄大于十张的标定板图像联立多个方程进行求解；连续标定处理多张标定板转动的图像以得到精度更高的内部参数；利用calibrateCamera函数进行计算，可以得到左虚拟摄像机的内部参数、畸变参数；
在获取左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数时，读入已求得的左虚拟摄像机内部参数、畸变参数和拍摄到的处于世界坐标系下的单张图像，截取左感兴趣区域，利用cvFindExtrinsicCameraParams2函数按上述标定方法对处于世界坐标系下的图像进行处理，得到左虚拟摄像机在世界坐标系下的外部参数；
右镜面图像处理过程与左镜面相同，得到右虚拟摄像机内部参数和在世界坐标系下的外部参数；
标定完成后，根据计算所得的角点图像坐标重投影至标定板上，与实际已知的图像坐标相对比，计算出每一张图像的标定误差以及总体的平均误差；在得出左右两台虚拟摄像机外部参数的基础上，利用StereoCalibrate函数计算得到左右两虚拟摄像机的相对旋转矩阵和平移向量，从而得到两个虚拟摄像机的相对位置关系。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：当涉及到截取左右两镜面图像单独处理的步骤时，由于截取感兴趣区域时坐标位置会发生改变，因而在提取角点的坐标值时要叠加上截取的感兴趣区域的长宽数值。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述标定板在云台旋转支架驱动下旋转，所述云台旋转支架可由PC控制或是由遥控器控制。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟双目视觉原理的摄像机参数自动标定方法，其特征在于：所述外部触发电路可控制摄像机进行延时拍摄而延时时间可以自定义。
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