CN109727290A - 基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，首先，获取像主点坐标；将激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置；然后使激光照射在固定物体上出现激光点，拍摄激光点图像，获得激光点的图像像素坐标，向固定物体方向平行移动相机与激光光源位置，相机光轴与激光射线平行，拍摄另一幅激光点图像；其次移动相机使其和激光器放置在同一平行线上，在与步骤3相同的两个位置拍摄得到另外两幅激光点图像；根据像主点坐标以及拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定。本发明以标定摄像机的焦距为主，算法简单，动态测量激光点可提高自标定的准确度。

Description

基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法

技术领域

本发明属于计量检测技术领域，具体为基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法。

背景技术

随着视觉传感器及计算机技术的飞速发展，机器视觉得到了广泛应用，如用于3D测量、3D物体重建、视觉导航、生物医学、虚拟现实等诸多领域。在计算机视觉技术中，摄像机的标定是关键的步骤之一。摄像机的标定是由两台不同位置摄像机或一台摄像机通过移动或者旋转拍摄同一个场景，并且确定场景中物体表面某点的3D几何坐标与其在图像中对应点的坐标之间的相互关系，以建立摄像机成像的几何模型，而该几何模型中的参数就是摄像机参数。摄像机参数主要包括摄像机内部几何参数和反映摄像机坐标系相对于世界坐标系的三维坐标外部参数，如焦距、图像中心坐标、尺度因子和镜头畸变等属于内部参数；而旋转变量和平移变量等属于外部参数。这些参数需要通过试验和计算得到。在计算机视觉和3D重建过程中，摄像机标定是从二维图像获取3D几何信息不可或缺的环节，其精度和准确性会影响后续的工作。因此，计算机视觉领域的研究者不断地提出新的算法或方法来提高摄像机标定的精度。

传统摄像机标定方法是指利用一个几何参数精确已知规则的标定物作为空间参照物，将参照物上的已知点坐标与激光点在图像上的坐标建立对应关系即为摄像机模型，再通过建立优化算法模型计算出摄像机模型参数。传统摄像机标定方法可分为利用最优化算法的标定法、两步法、张正友标定法以及其他方法等。但该方法需要放置参考物，对标定的环境有所限制。

摄像机自标定法是指利用摄像机在运动过程中图像与图像之间对应点的关系，直接对摄像机进行标定。该方法采用的是针孔摄像模型，通过摄像机内部参数的自身约束关系进行求解。其与传统标定方法最大的区别就是无需放置标定参照物。随着计算机视觉领域的兴起，摄像机自标定法于20世纪90年代得到了迅速发展。其优点是更灵活且应用范围较广。但该方法需要解多元非线性方程，所以其最大的缺点就是鲁棒性差，一般只应用于通信、虚拟现实等精度要求不高的领域。

发明内容

本发明的目的在于提出了基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，解决现有标定方法鲁棒性差和精确度不高的问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，具体步骤为：

步骤1、获取像主点坐标；

步骤2、将激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置，相机镜头与激光光源出射点处于同一竖直平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤3、使激光照射在固定物体上出现激光点，利用相机拍摄激光点图像，向固定物体方向平行移动相机与激光光源位置，相机光轴与激光射线平行，拍摄另一幅激光点图像；

步骤4、移动相机使其和激光器放置在同一平行线上，激光器位于相机的正左方，相机镜头与激光光源出射点处于同一水平平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤5、重复步骤3，在与步骤3相同的两个位置拍摄得到另外两幅激光点图像；

步骤6、根据像主点坐标以及步骤3和步骤5拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定。

优选地，步骤1中获取像主点坐标的具体方法为：

分别在相机上下对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像，分别在相机左右对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像

根据两幅图像完成像主点坐标标定，具体为：

根据上下对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素坐标(0,v₁)和(0,v₂)，将两个像素的纵轴坐标相加求解计算得到v₀值，即v₀＝(v₁+v₂)/2；根据左右对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素(u₁,0)和(u₂，0)坐标计算得到u₀值，即u₀＝(u₁+u₂)/2，完成像主点(u₀,v₀)的标定。

优选地，根据像主点坐标以及步骤3和步骤5拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定的具体方法为：

根据像主点坐标(u₀,v₀)以及激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(0,s,d)和(0,s,d-n)，获得v轴两组图像像素坐标转换关系分别将两式相减得d＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，即得到Z＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，n表示相机两次拍摄时位置的距离，完成摄像头v轴像素焦距的标定，即：

f_v＝[n(v₀-v₂)*(v₁-v₂)]/[v₁-v₂)*s]

根据像主点坐标(u₀,v₀)以及激光器和相机在平行于地面的同一平行线上左右放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(s,0,d)和(s,0,d-n)，获得u轴两组图像像素坐标转换关系u₁＝f_u*s/d+u₀和u₂＝f_u*s/(d-n)+u₀，分别将两式相减得d＝n(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，即得到Z＝n*(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，完成摄像头u轴像素焦距的标定，即f_u＝[n(u₀-u₂)*(u₁-u₂)]/[u₁-u₂)*s]，式中，n表示相机两次拍摄时位置的距离。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明使用激光器来完成参考物的作用，标定更加方便；2)本发明以标定摄像机的焦距为主，算法简单，动态测量激光点可提高自标定的准确度。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法的示意图。

图2为本发明中摄像机像主点标定示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，用到的硬件设备包括激光光源、相机以及ARM开发板，摄像机连接ARM板，图像数据的处理由ARM板完成，具体步骤为：

步骤1、获取像主点坐标，进一步的，获取方法具体为：

如图2所示，分别在相机上下对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像，分别在相机左右对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像

根据两幅图像完成像主点坐标标定，具体为：

根据上下对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素坐标(0,v₁)和(0,v₂)，将两个像素的纵轴坐标相加求解计算得到v₀值，即v₀＝(v₁+v₂)/2；根据左右对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素(u₁,0)和(u₂，0)坐标计算得到u₀值，即u₀＝(u₁+u₂)/2，完成像主点(u₀,v₀)的标定。

步骤2、将激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置，相机镜头与激光光源出射点处于同一竖直平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤3、使激光照射在固定物体上出现激光点，利用相机拍摄激光点图像，向固定物体方向平行移动，相机与激光光源位置相机光轴与激光射线仍然保持平行，拍摄另一幅激光点图像，激光点的像素坐标分别为(u₀,v₁)和(u₀,v₂)拍摄的两幅图像u轴坐标保持不变；

步骤4、移动相机使其和激光器放置在同一平行线上，激光器位于相机的正左方，相机镜头与激光光源出射点处于同一水平平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤5、重复步骤3，在与步骤3相同的两个位置拍摄得到另外两幅激光点图像，激光点的像素坐标分别为(u₁,v₀)和(u₂,v₀)拍摄的两幅图像v轴坐标保持不变；

步骤6、根据像主点坐标以及步骤3和步骤5拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定，具体方法为：

根据像主点坐标(u₀,v₀)以及激光点在图像物理坐标系O-XY中的坐标(x，y)确定其在图像像素坐标系O-UV中的坐标(u,v)，确定公式为：

u＝x/g_u+u₀

v＝y/g_v+v₀

式中，g_u、g_v分别是横轴和纵轴上格网间距表示图像上1个像素所对应的物理距离；

将激光点图像中激光点的图像像素坐标转换到摄像机坐标系下对应的坐标(X,Y,Z)，转换公式为：

u＝f_u*X/Z+u₀

v＝f_v*Y/Z+v₀

其中，f_u＝f/g_u，f_v＝f/g_v，f为相机焦距，g_u、g_v分别是横轴和纵轴上格网间距，具体表示图像上1个像素所对应的物理距离；

根据激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(0,s,d)和(0,s,d-n)，获得v轴两组图像像素坐标转换关系分别将两式相减得d＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，即得到Z＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，完成摄像头v轴像素焦距的标定，即：

f_v＝[n(v₀-v₂)*(v₁-v₂)]/[v₁-v₂)*s]

根据激光器和相机在平行于地面的同一平行线上左右放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(s,0,d)和(s,0,d-n)，获得u轴两组图像像素坐标转换关系u₁＝f_u*s/d+u₀和u₂＝f_u*s/(d-n)+u₀，分别将两式相减得d＝n(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，即得到Z＝n*(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，完成摄像头u轴像素焦距的标定，即f_u＝[n(u₀-u₂)*(u₁-u₂)]/[u₁-u₂)*s]。

作为一种优选方案，步骤3及步骤5在拍摄照片时，选取多个固定位置拍摄激光点照片，再利用步骤6的方法得到多组标定值，取其平均值作为最终标定的摄像头像素焦距。

Claims (3)

1.一种基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、获取像主点坐标；

步骤2、将激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置，相机镜头与激光光源出射点处于同一竖直平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤3、使激光照射在固定物体上出现激光点，利用相机拍摄激光点图像，向固定物体方向平行移动相机与激光光源位置，相机光轴与激光射线平行，拍摄另一幅激光点图像；

步骤4、移动相机使其和激光器放置在同一平行线上，激光器位于相机的正左方，相机镜头与激光光源出射点处于同一水平平面，相机光轴与激光射线平行；

步骤5、重复步骤3，在与步骤3相同的两个位置拍摄得到另外两幅激光点图像；

步骤6、根据像主点坐标以及步骤3和步骤5拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定。

2.根据权利要求1所述的基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，其特征在于，步骤1中获取像主点坐标的具体方法为：

分别在相机上下对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像，分别在相机左右对称的位置发射激光到相机前面的固定物体上，通过相机分别拍摄含有激光点的图像；

根据两幅图像完成像主点坐标标定，具体为：

根据上下对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素坐标(0,v₁)和(0,v₂)，将两个像素的纵轴坐标相加求解计算得到v₀值，即v₀＝(v₁+v₂)/2；根据左右对称位置拍摄的两幅图像得到两个激光点的像素(u₁,0)和(u₂，0)坐标计算得到u₀值，即u₀＝(u₁+u₂)/2，完成像主点(u₀,v₀)的标定。

3.根据权利要求1所述的基于单目视觉三角测距法的变焦相机动态标定方法，其特征在于，根据像主点坐标以及步骤3和步骤5拍摄的激光点的图像完成摄像头像素焦距标定的具体方法为：

根据像主点坐标(u₀,v₀)以及激光器和相机在垂直于地面的同一垂线上上下放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(0,s,d)和(0,s,d-n)，获得v轴两组图像像素坐标转换关系分别将两式相减得d＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，即得到Z＝n(v₀-v₂)/v₁-v₂，n表示相机两次拍摄时位置的距离，完成摄像头v轴像素焦距的标定，即：

f_v＝[n(v₀-v₂)*(v₁-v₂)]/[v₁-v₂)*s]

根据像主点坐标(u₀,v₀)以及激光器和相机在平行于地面的同一平行线上左右放置时拍摄的两幅激光点图像中激光点在摄像机坐标系下的实际坐标值(s,0,d)和(s,0,d-n)，获得u轴两组图像像素坐标转换关系u₁＝f_u*s/d+u₀和u₂＝f_u*s/(d-n)+u₀，分别将两式相减得d＝n(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，即得到Z＝n*(u₀-u₂)/(u₁-u₂)，完成摄像头u轴像素焦距的标定，即f_u＝[n(u₀-u₂)*(u₁-u₂)]/[u₁-u₂)*s]，式中，n表示相机两次拍摄时位置的距离。