CN108898635A - 一种提高相机标定精度的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高相机标定精度的控制方法，其包括以下步骤：S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；S3、解析得到相机的初始内外参；S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛。一种提高相机标定精度的控制系统，其包括：亚像素定位模块、空间圆形边沿确定模块及相机参数优化模块。其省去了圆心坐标的求取，提高了标定精度，广泛应用于相机测量领域。

Description

一种提高相机标定精度的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及测量领域，具体为提高相机标定精度的控制方法及系统。

背景技术

物体的三维重建是建立在对测量系统进行标定的基础上实现的，在进行三维测量之前需要先进行系统标定。

在常用的张正友平面标定法中，通过建立标准空间圆心坐标与图像上圆心坐标的对应关系来求解相机的内外参数，把像平面上椭圆边缘拟合得到的中心认为是空间圆心在相机成像平面上的准确投影点。但是由于透视投影“近大远小”的特性以及镜头畸变，空间圆圆心的成像位置不再是其在成像平面上所成像的椭圆中心，如果直接用椭圆拟合方法得到的椭圆中心代替空间圆心的真实投影点，必然引入误差。

公开号102915535A公开了一种摄像机投影变换中圆形标志点圆心偏差的修正方法及系统，包括：A、设置与背景颜色不同且形状呈同心圆环状的圆形标志点；B、利用摄像机拍摄所述圆形标志点，对拍摄得到的圆形标志点图像的边沿进行亚像素定位，根据定位的亚像素边沿拟合出大小两个椭圆；C、根据步骤A中得到的同心圆环中的大圆半径和小圆半径和步骤B中得到的大小两个椭圆中心的坐标修正标志点经过摄像机投影变换后在像平面上的真实投影点的图像坐标。其中步骤C中，经过推导，求得圆形标志点的真实投影图像坐标与设置的同心圆环的半径及两个椭圆中心的坐标的关系，这需要圆环半径已知，并且依赖于圆心提取的精度，是一种间接的修正圆心投影坐标的方法。

文献“基于射影变换圆阵靶标中心像点的计算”(仪器仪表学报2015,04(36),895-902)提出了一种基于射影变换的圆阵靶标中心像点计算方法，该方法在获取退化的椭圆边缘的亚像素坐标后，通过迭代的方式计算射影变换，将退化的椭圆边缘映射成较规则的圆，之后剔除异常点并拟合圆心，通过射影逆变换将其映射回原图中，最终迭代结果的点即认为圆心的投影点。该方法利用迭代逼近的方法求解，没有明确的目标函数，会导致收敛速度较慢，精度受影响。

针对在相机标定过程中，由于镜头畸变及透视投影特性所造成的圆形标志点成像坐标与实际坐标时间的偏差，现有方法大部分采用同心圆环的方法来进行偏差的消除，不具有普遍性。

因此，该技术有必要进行改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是针对在使用圆形控制点即圆点靶进行相机标定时，由于透视投影“近大远小”特性以及镜头畸变使得空间圆心的像与图像检测到的圆心之间产生的偏差，提供一种减小这类偏差的标定方法，使得相机标定结果更加准确。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种提高相机标定精度的控制方法，其包括以下步骤：

S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。

作为该技术方案的改进，所述步骤S1还包括：

对拍摄到的圆形标志点图片进行滤波，以减少图像噪声对边沿检测精度的影响；

利用canny算子对滤波后的图像进行边沿提取，得到像素级的椭圆边沿。

作为该技术方案的改进，所述步骤S1还包括：系统判断所述像素级椭圆边沿是否闭合；若闭合，则判定是椭圆边沿；若不闭合，则判定为不是椭圆边沿。

作为该技术方案的改进，系统利用Zernike矩法计算亚像素边沿。

作为该技术方案的改进，所述步骤S2包括：对上述圆形边沿进行最小二乘椭圆拟合。

进一步地，所述步骤S3包括：系统利用所得的圆心坐标计算投影图像与标定靶平面之间的射影变换关系，利用张正友相机标定方法解析出相机的初始内外参。

进一步地，所述相机初始内外参包括：相机的焦距、主点坐标、旋转矩阵、平移矩阵和镜头畸变。

进一步地，所述目标函数表示为：不重合度k＝1-A∩B/A∪B，其中A是图像中圆的面积，B是空间圆的标准投影面积。

进一步地，当所述目标函数不收敛，则系统利用L-M策略更新相机参数。

另一方面，本发明还提供一种提高相机标定精度的控制系统，其包括：

亚像素定位模块，用于执行步骤S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

空间圆形边沿确定模块，用于执行步骤S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

相机参数优化模块，用于执行步骤S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。

本发明的有益效果是：本发明提供的提高相机标定精度的控制方法及系统，利用非线性最小二乘法以两个圆的不重合度为目标优化函数，减少圆点靶中心投影偏差，提高了相机标定精度；其采用单一圆形标定靶，以空间圆的反投影圆与图像上成像圆的重合程度为目标函数，利用L-M策略更新参数，以图像上圆边沿在空间中的投影的圆心与标准圆心的误差来评价优化结果，精度高。

本方案提供的基于曲线拟合消除此类偏差的方法，通过迭代使得空间圆边沿的投影与图像上的圆环亚像素边沿尽可能重合，以达到消除偏差的目的。其省去了圆心坐标的求取，提高了标定精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明第一实施例的控制示意图；

图2是本发明第二实施例的示意图；

图3a是本发明第三实施例的优化前误差示意图；

图3b是本发明第三实施例的优化后误差示意图；

图4是本发明第四实施例的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本发明提供一种提高相机标定精度的控制方法，其包括以下步骤：

S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。

作为该技术方案的改进，所述步骤S1还包括：

对拍摄到的圆形标志点图片进行滤波，以减少图像噪声对边沿检测精度的影响；

利用canny算子对滤波后的图像进行边沿提取，得到像素级的椭圆边沿。

作为该技术方案的改进，所述步骤S1还包括：系统判断所述像素级椭圆边沿是否闭合；若闭合，则判定是椭圆边沿；若不闭合，则判定为不是椭圆边沿。

作为该技术方案的改进，系统利用Zernike矩法计算亚像素边沿。

作为该技术方案的改进，所述步骤S2包括：对上述圆形边沿进行最小二乘椭圆拟合。

进一步地，所述步骤S3包括：系统利用所得的圆心坐标计算投影图像与标定靶平面之间的射影变换关系，利用张正友相机标定方法解析出相机的初始内外参。

进一步地，所述相机初始内外参包括：相机的焦距、主点坐标、旋转矩阵、平移矩阵和镜头畸变。

进一步地，所述目标函数表示为：不重合度k＝1-A∩B/A∪B，其中A是图像中圆的面积，B是空间圆的标准投影面积。

进一步地，当所述目标函数不收敛，则系统利用L-M策略更新相机参数。L-M策略是最优化算法策略的一种，用于寻找使得目标函数值最小的参数向量，根据使用模型不同，分为非约束最优化、约束最优化、最小二乘最优化。本方法采用最小二乘最优化模型。

优选的，其具体实施步骤如下：

1：利用相机拍摄圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位。

滤波：通过对拍摄到的图像进行滤波以减少图像噪声对边沿检测精度的影响；

边沿检测：利用canny算子对滤波后的图像进行边沿提取，得到像素级的椭圆边沿。

边沿判断：判断像素级椭圆边沿是否闭合；若闭合，则认为是椭圆边沿；若不闭合，则不是椭圆边沿。

亚像素定位：利用Zernike矩法计算亚像素边沿A’。

2：对步骤1得到的边沿进行最小二乘椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标。

3：利用步骤2得到的圆心坐标计算投影图像与标定靶平面之间的射影变换关系H，利用张正友相机标定方法解析出相机的初始内外参。射影变换是射影平面上可逆齐次线性变换，可表示为：

可简单记为：x＝H*X。

求得的内外参包含：焦距f，主点坐标(u₀，v₀)，旋转矩阵R，平移矩阵T，镜头畸变K，其中(dx，dy)为已知的相机像元尺寸，Zc为比例系数，变换如下：

4：标定靶上圆形半径和圆心坐标已知，可以依据圆心公式(x-u)²+(y-v)²＝r²计算得到空间圆形边沿的坐标(Xw,Yw)。

5：将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到在此变换下空间圆的“标准投影”B’。

6：建立关于圆面积的目标函数：反投影圆形的不重合度

k＝1-A∩B/A∪B

其中，A是图像上圆A’的面积，B是空间圆的“标准投影”B’面积，如图2所示。

7：判断不重合度k是否收敛，若未收敛则利用L-M策略更新相机参数，并重复步骤5-7。当k收敛时停止迭代，此时认为相机参数已达到最优。

更具体地，1：使用相机在至少三个不同姿态下获取标定板图像。

2：对获取到的图像进行高斯滤波，以减少图像噪声对边沿检测精度的影响。

3：利用canny算子对滤波后的图像进行边沿提取，得到像素级的圆形边沿坐标。

4：剔除不闭合的边沿，剩下的边沿即为圆形标志点成像边沿。

5：利用Zernike矩法计算亚像素边沿A’。

6：对亚像素边沿进行最小二乘椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标。

7：根据圆心图像坐标与世界坐标的一一对应关系，利用张正友相机标定法计算相机与标定靶平面之间的射影关系H，并分解出相机的内外参，记为初始参数。射影关系表示如下：

具体解析参数过程省略，可参考张正友相机标定法。解析出的相机参数包括：焦距f，主点坐标(u₀，v₀)，旋转矩阵R，平移矩阵T，镜头畸变K，其中(dx，dy)为已知的相机像元尺寸，Zc为比例系数，变换如下：

8：由于标定靶上圆形标志点半径和圆心坐标已知，可以依据圆心公式：

(x-u)²+(y-v)²＝r² (2)

计算得到空间中圆形标志点边沿的坐标(Xw,Yw)。

9：将空间中圆形标志点边沿的坐标(Xw,Yw)通过当前参数映射到图像上，得到在此参数下空间圆的“标准投影”B’。计算过程如下：

首先将(Xw,Yw)从世界坐标系转换到相机坐标系：

Xc＝R*Xw+T(1),Yc＝R*Yw+T(2),Zc＝T (3)。

再将(Xc,Yc)转换到图像物理坐标系：

最后将(x,y)转换到图像像素坐标系：

(u,v)即标准投影B’的图像像素坐标。

10：分别计算边沿A’、B’的像素面积。

11：建立关于圆像素面积的目标函数：不重合度k＝1-A∩B/A∪B，A是图像上圆的面积，B是空间圆的“标准投影”面积。

12：判断不重合度k是否收敛，若未收敛则利用L-M策略更新相机参数，并重复步骤9-12；当k收敛时则停止迭代。

本实施例采用大恒图像DH-HV1351UM相机拍摄，像元尺寸dx＝0.0052mm，分辨率达1280*1024，采用日本Computer公司焦距为15mm的镜头。图3a和图3b分别为优化前、优化后的重投影误差的变化，能够看到优化后的重投影误差有明显减小。

本方案没有求取图像上的真实圆心点，所述重投影误差指的是将图像上的圆边沿映射到空间并拟合圆心与标准空间圆心的误差，如图4所示，π2平面是空间圆形标志点π1所成的像，虚线圆是将π2映射到空间中的得到的重投影边沿，E是精确已知的圆形标志点圆心，E’是虚线圆的圆心，其计算误差为E与E’的差值。

另一方面，本发明还提供一种提高相机标定精度的控制系统，其包括：

亚像素定位模块，用于执行步骤S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

空间圆形边沿确定模块，用于执行步骤S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

相机参数优化模块，用于执行步骤S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。

本发明提供的提高相机标定精度的控制方法及系统，利用非线性最小二乘法以两个圆的不重合度为目标优化函数，减少圆点靶中心投影偏差，提高了相机标定精度；其采用单一圆形标定靶，以空间圆的反投影圆与图像上成像圆的重合程度为目标函数，利用L-M策略更新参数，以图像上圆边沿在空间中的投影的圆心与标准圆心的误差来评价优化结果，精度高。

本方案提供的基于曲线拟合消除此类偏差的方法，通过迭代使得空间圆边沿的投影与图像上的圆环亚像素边沿尽可能重合，以达到消除偏差的目的。其省去了圆心坐标的求取，提高了标定精度。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。

2.根据权利要求1所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

对拍摄到的圆形标志点图片进行滤波，以减少图像噪声对边沿检测精度的影响；

利用canny算子对滤波后的图像进行边沿提取，得到像素级的椭圆边沿。

3.根据权利要求2所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：系统判断所述像素级椭圆边沿是否闭合；若闭合，则判定是椭圆边沿；若不闭合，则判定为不是椭圆边沿。

4.根据权利要求3所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，系统利用Zernike矩法计算亚像素边沿。

5.根据权利要求1至4任一项所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：对上述圆形边沿进行最小二乘椭圆拟合。

6.根据权利要求1所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：系统利用所得的圆心坐标计算投影图像与标定靶平面之间的射影变换关系，利用张正友相机标定方法解析出相机的初始内外参。

7.根据权利要求6所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述相机初始内外参包括：相机的焦距、主点坐标、旋转矩阵、平移矩阵和镜头畸变。

8.根据权利要求1所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，所述目标函数表示为：不重合度k＝1-A∩B/A∪B，其中A是图像中圆的面积，B是空间圆的标准投影面积。

9.根据权利要求8所述的提高相机标定精度的控制方法，其特征在于，当所述目标函数不收敛，则系统利用L-M策略更新相机参数。

10.一种提高相机标定精度的控制系统，其特征在于，其包括：

亚像素定位模块，用于执行步骤S1、系统采集相机拍摄的圆形标志点图片，并对圆形边沿进行亚像素定位；

空间圆形边沿确定模块，用于执行步骤S2、对上述圆形边沿进行椭圆拟合，得到圆心在图像上成像点的坐标；

S3、解析得到相机的初始内外参；

S4、计算得到空间圆形边沿的坐标；

S5、系统将空间圆形边沿的坐标通过当前的相机参数映射到图像上，得到空间圆的标准投影；

相机参数优化模块，用于执行步骤S6、系统建立关于圆面积的目标函数，并判断所述目标函数是否收敛；若收敛，则表明相机参数已达最优；若不收敛，则更新相机参数，并返回至步骤S5。