CN111080716B - 基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标及标定点提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标及标定点提取方法，以快速提取特征点，提高标定精度和标定速度。该靶标以显示器作为载体，分时显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像。标定点提取方法为：待标定相机获取水平方向彩色编码相移条纹数字图像与竖直方向彩色编码相移条纹数字图像各一幅；彩色相移条纹图像的颜色通道分离；进行相位解包裹处理；进行边缘检测；进行叠加得到水平条纹包裹相位图边缘线与竖直条纹包裹相位图边缘线的交点，即得到特征点像素坐标。本发明可以有效克服相机对焦不准、景深不足等原因造成的图像模糊的问题。可快速提取特征点的像素坐标，提高了标定速度和标定精度。

Description

基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标及标定点提取方法

技术领域

本发明涉及机器视觉和图像处理技术领域，特别是涉及一种基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标及标定点提取方法。

背景技术

在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定。相机标定是视觉测量的重要步骤，标定结果的精度直接影响视觉测量系统的精度。

目前相机标定的方法可以分为两类：即自标定方法和标定靶方法。其中自标定方法需要被测场景中存在刚性特征，其应用范围受到限制；标定靶方法因其简便性应用较为广泛。

使用标定靶方法获得高精度标定结果的重要前提是准确获得标定靶特征点在图像坐标系下的坐标。长焦相机的景深较小，在改变标定靶位姿的时候会出现部分标定靶位于景深范围外，所成图像模糊，影响标定点的提取精度，进而影响标定精度。

目前抗图像模糊、能提取高精度特征点的标定方法可以分为两类，一类是基于相移条纹图的相机标定方法，一类是基于相移圆环阵列的相机标定方法。第一类方法需要对特征点分别进行横向和纵向的相位编码，因此，在标定靶的每个位姿下需要采集多幅图像。在当前位姿下，标定靶与待标定相机相对位置的微小变化都会对标定精度产生影响。第二类标定方法虽然在标定靶的每个位姿下采集图像次数较少，但是此方法使用的圆形特征点存在透视投影椭圆畸变误差，影响标志点的提取精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能够提高标定精度和标定速度的彩色编码相移条纹标定靶。

本发明的另一个目的是提供一种抗图像模糊，能够快速提取特征点，有利于完成快速、高精度标定的基于彩色编码相移条纹的相机标定点提取方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，以显示器作为载体，分时显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像；三步相移彩色编码相移条纹图像的强度按照式(1)规律变化：

式(1)中：I_R表示红颜色通道；I_G表示绿颜色通道；I_B表示蓝颜色通道；A、B为常数；(x,y)表示任一点处的坐标，I_R(x,y)表示(x,y)处红颜色通道的强度；I_G(x,y)表示(x,y)处绿颜色通道的强度；I_B(x,y)表示(x,y)处蓝颜色通道的强度；

表示包裹相位，表达式如式(2)所示：

式(2)中：T表示相移条纹的周期；r(x,y)表示(x,y)点与图像坐标原点的距离；当r(x,y)＝x时，所述显示器上显示竖直方向彩色编码相移条纹图像；当r(x,y)＝y时，所述显示器上显示水平方向彩色编码相移条纹图像。

所述彩色编码相移条纹的相机标定靶标的数字图像获取方法包括下述步骤：

(1)将所述显示器置于待标定相机的成像范围内；

(2)在某一个位置，所述显示器交替显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像各一次；所述待标定相机分别获取水平方向条纹数字图像与竖直方向条纹数字图像各一幅。

所述显示器做平移、旋转刚体运动N次，其中，N为整数且N≥4；在每一新位置，重复步骤(2)，得到不同位置的水平方向条纹数字图像及竖直方向条纹数字图像。

所述常数A＝B＝0.5,亮度分布于0-1之间。

一种基于彩色编码相移条纹的相机标定的标定点提取方法，包括下述步骤：

(1)将所述相机标定靶标置于待标定相机的成像范围内；

(2)在某一位置，所述相机标定靶标交替显示水平方向彩色编码相移条纹和竖直方向彩色编码相移条纹各一次；所述待标定相机分别获取水平方向彩色编码相移条纹数字图像与竖直方向彩色编码相移条纹数字图像各一幅；

(3)彩色相移条纹图像的颜色通道分离：对于步骤(2)获取的水平方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像；对于步骤(2)获取的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像；

(4)对所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像及所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像分别利用公式(3)进行相位解包裹处理，得到水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像；

式(3)中，k＝1代表R颜色分量的灰度图像，k＝2代表G颜色分量的灰度图像；k＝3代表B颜色分量的灰度图像；

表示包裹相位图的相位分布；

(5)分别对水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像进行边缘检测，得到水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像和竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像；

(6)将水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像、竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像进行叠加得到水平条纹包裹相位图边缘线与竖直条纹包裹相位图边缘线的交点，即得到标定点像素坐标。

所述相机标定靶标变换位姿，在每一新位置，重复步骤(2)-(6)，得到不同位置的标定点像素坐标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标以显示器作为载体，分时显示水平方向彩色编码相移条纹和竖直方向彩色编码相移条纹，并且，三步相移彩色编码相移条纹的强度按照一定规律变化，使得相机标定过程中的每个位置，仅需采集标定靶的两幅图像，可以有效克服相机对焦不准、景深不足等原因造成的图像模糊的问题，为相机标定特别是长焦距相机标定提供了有效的解决方案。

2、本发明的相机标定点提取方法基于彩色通道分离三步相移解包裹算法，在每个标定靶位姿下，仅需获取水平、竖直彩色条纹各一幅图像，即可快速提取标定点的像素坐标，提高了标定速度，有效避免标定过程中其他不利因素导致的标定精度下降问题，提高了标定的精度。

3、本发明的相机标定点提取方法在每个位置，仅需采集标定靶的两幅图像，可有效避免透视投影椭圆畸变带来的误差及相机对焦不准、景深不足等原因造成的图像模糊的问题，提高了标定精度。

附图说明

图1所示为本发明基于彩色编码相移条纹相机标定的原理图；

图2(a)所示为待标定相机采集到的某一位姿下的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像；

图2(b)所示为待标定相机采集到的某一位姿下的水平方向彩色编码相移条纹数字图像；

图3(a)所示为对应竖直方向彩色编码相移条纹数字图像R颜色通道的灰度图像；

图3(b)所示为对应竖直方向彩色编码相移条纹数字图像G颜色通道的灰度图像；

图3(c)所示为对应竖直方向彩色编码相移条纹数字图像B颜色通道的灰度图像；

图3(d)所示为对应水平方向彩色编码相移条纹数字图像R颜色通道的灰度图像；

图3(e)所示为对应水平方向彩色编码相移条纹数字图像G颜色通道的灰度图像；

图3(f)所示为对应水平方向彩色编码相移条纹数字图像B颜色通道的灰度图像；

图4(a)所示为竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的包裹相位图像；

图4(b)所示为水平方向彩色编码相移条纹数字图像的包裹相位图像；

图5(a)所示为竖直方向包裹相位图像的边缘线；

图5(b)所示为水平方向包裹相位图像的边缘线；

图6所示为标定点的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明基于彩色编码相移条纹相机标定的原理图如图1所示，包括待标定相机101及显示器102，显示器102优选采用高分辨率液晶显示器。本发明的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，以显示器102作为载体，分时显示水平方向彩色编码相移条纹图像202和竖直方向彩色编码相移条纹图像201。其中，三步相移彩色编码相移条纹图像的强度按照式(1)规律变化：

式(1)中：I_R表示红颜色通道；I_G表示绿颜色通道；I_B表示蓝颜色通道；A、B为常数，一般选择常数A＝B＝0.5,使得亮度分布于0-1之间。(x,y)表示任一点处的坐标，I_R(x,y)表示(x,y)处红颜色通道的强度；I_G(x,y)表示(x,y)处绿颜色通道的强度；I_B(x,y)表示(x,y)处蓝颜色通道的强度；

表示包裹相位，表达式如式(2)所示：

式(2)中：T表示相移条纹的周期；r(x,y)表示(x,y)点与图像坐标原点的距离；当r(x,y)＝x时，所述显示器102上显示竖直方向彩色编码相移条纹图像；当r(x,y)＝y时，所述显示器102上显示水平方向彩色编码相移条纹图像。

所述彩色编码相移条纹的相机标定靶标的数字图像获取方法包括下述步骤：

(1)将所述显示器102置于待标定相机101的成像范围内；

(2)在某一个位置，所述显示器102交替显示水平方向彩色编码相移条纹图像202和竖直方向彩色编码相移条纹图像201各一次；所述待标定相机101分别获取水平方向条纹数字图像与竖直方向条纹数字图像各一幅；

(3)所述显示器102做平移、旋转刚体运动N次，其中，N为整数且N≥4；在每一新位置，重复步骤(2)，得到不同位置的水平方向条纹数字图像及竖直方向条纹数字图像。

本发明一种基于彩色编码相移条纹的相机标定的标定点提取方法包括下述步骤：

(1)将上述的相机标定靶标置于待标定相机101的成像范围内；

(2)在某一位置，所述相机标定靶标交替显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像各一次；所述待标定相机101分别获取水平方向彩色编码相移条纹数字图像与竖直方向彩色编码相移条纹数字图像各一幅；

(3)彩色相移条纹图像的颜色通道分离：对于步骤(2)获取的水平方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R(红)、G(绿)、B(蓝)颜色分量，分别形成对应所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像；对于步骤(2)获取的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像。

(4)对所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像及所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像分别利用公式(3)进行相位解包裹处理，得到水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像；

式(3)中，k＝1代表R颜色分量的灰度图像，k＝2代表G颜色分量的灰度图像；k＝3代表B颜色分量的灰度图像；

表示包裹相位图的相位分布。

(5)分别对水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像进行边缘检测，边缘检测可以使用canny算子或者sobel算子的方法，得到水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像和竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像；

(6)将水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像、竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像进行叠加得到水平条纹包裹相位图边缘线与竖直条纹包裹相位图边缘线的交点，即得到标定点像素坐标。

所述相机标定靶标变换位姿，例如做平移、旋转刚体运动N次，其中，N为整数且N≥4。在每一新位置，重复步骤(2)-步骤(6)，得到不同位置的标定点像素坐标。

实施例1

本实施例中，待标定相机101选择佳能5D Mark3单反相机，镜头焦距105mm。作为相机标定靶标载体的显示器102选择分辨率为3000×2000pixels的高分辨率液晶显示器，像元尺寸为0.087mm。

三步相移彩色编码相移条纹图像的强度按照式(1)规律变化生成水平方向、竖直方向彩色三步相移图案:

表示包裹相位，表达式如式(2)所示：

当r(x,y)＝x，所述显示器102上显示竖直方向彩色编码相移条纹图像201；当r(x,y)＝y时，所述显示器102上显示水平方向彩色编码相移条纹图像202。

式中：参数A＝B＝0.5，T＝250，相邻条纹间距28.7mm。显示器102可有效显示8条水平条纹图像或12条竖直条纹图像，提供12×8＝96个特征点。相邻特征点水平、竖直距离均为28.7mm。

本发明的基于彩色编码相移条纹的相机标定的标定点的提取过程如下：

(1)将上述的相机标定靶标(即显示器102)置于待标定相机101的成像范围内；

(2)在某一位置，所述相机标定靶标交替显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像各一次；所述待标定相机101分别获取水平方向彩色编码相移条纹数字图像与竖直方向彩色编码相移条纹数字图像各一幅，获取的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像如图2(a)所示，获取的水平方向彩色编码相移条纹数字图像如图2(b)所示。

(3)彩色相移条纹图像的颜色通道分离：对于步骤(2)获取的水平方向彩色编码相移条纹数字图像(即图2(b)所示的图像)分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像，所得图像如图3(d)、图3(e)、图3(f)所示；对于步骤(2)获取的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像，所得图像如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。

(4)对所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像及所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像分别利用公式(3)进行相位解包裹处理，得到水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像。所得水平方向的包裹相位图像如图4(b)所示，所得竖直方向的包裹相位图像如图4(a)所示。

(5)分别对水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像进行边缘检测，得到水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像和竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像；所得水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像如图5(b)所示，所得竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像如图5(a)所示。

(6)将水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像、竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像进行叠加得到水平条纹包裹相位图边缘线与竖直条纹包裹相位图边缘线的交点，即得到标定点像素坐标，结果如图6所示。

(7)在待标定相机101的成像范围内，显示器102共变换20次位姿，部分标定靶标位姿处在待标定相机101的景深范围内，部分标定靶标位姿处在待标定相机101的景深范围外。在每一新位置，重复步骤(2)-(6)，得到不同位置的标定点像素坐标。

(8)应用这些标定点对待标定相机101进行标定。标定结果分别如表1及表2所示。应用这些标定结果对另外采集的标定点进行重投影实验。像方重投影误差小于0.2像素。

表1标定得到的相机内参数

表2标定得到的相机畸变系数

本发明提出的彩色编码相移条纹标定靶及标定点提取方法可以有效克服摄像机对焦不准、景深不足等原因造成的图像模糊的问题，为长焦距相机的标定提供了一种有效的解决方案。基于彩色通道分离三步相移解包裹算法，在每个标定靶位姿下，仅需获取水平、竖直彩色条纹各一幅图像，即可快速提取标定点的像素坐标，提高了标定速度，有效避免标定过程中其他不利因素导致的标定精度下降问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，其特征在于，以显示器作为载体，分时显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像；三步相移彩色编码相移条纹图像的强度按照式(1)规律变化：

式(1)中：I_R表示红颜色通道；I_G表示绿颜色通道；I_B表示蓝颜色通道；A、B为常数；(x,y)表示任一点处的坐标，I_R(x,y)表示(x,y)处红颜色通道的强度；I_G(x,y)表示(x,y)处绿颜色通道的强度；I_B(x,y)表示(x,y)处蓝颜色通道的强度；

表示包裹相位，表达式如式(2)所示：

式(2)中：T表示相移条纹的周期；r(x,y)表示(x,y)点与图像坐标原点的距离；当r(x,y)＝x时，所述显示器上显示竖直方向彩色编码相移条纹图像；当r(x,y)＝y时，所述显示器上显示水平方向彩色编码相移条纹图像。

2.根据权利要求1所述的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，其特征在于，所述显示器为液晶显示器。

3.根据权利要求1所述的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，其特征在于，所述彩色编码相移条纹的相机标定靶标的数字图像获取方法包括下述步骤：

(1)将所述显示器置于待标定相机的成像范围内；

(2)在某一个位置，所述显示器交替显示水平方向彩色编码相移条纹图像和竖直方向彩色编码相移条纹图像各一次；所述待标定相机分别获取水平方向条纹数字图像与竖直方向条纹数字图像各一幅。

4.根据权利要求3所述的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，其特征在于，所述显示器做平移、旋转刚体运动N次，其中，N为整数且N≥4；在每一新位置，重复步骤(2)，得到不同位置的水平方向条纹数字图像及竖直方向条纹数字图像。

5.根据权利要求1所述的基于彩色编码相移条纹的相机标定靶标，其特征在于，所述常数A＝B＝0.5,亮度分布于0-1之间。

6.一种基于彩色编码相移条纹的相机标定的标定点提取方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将权利要求1所述的相机标定靶标置于待标定相机的成像范围内；

(2)在某一位置，所述相机标定靶标交替显示水平方向彩色编码相移条纹和竖直方向彩色编码相移条纹各一次；所述待标定相机分别获取水平方向彩色编码相移条纹数字图像与竖直方向彩色编码相移条纹数字图像各一幅；

(3)彩色相移条纹图像的颜色通道分离：对于步骤(2)获取的水平方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像；对于步骤(2)获取的竖直方向彩色编码相移条纹数字图像分别提取R、G、B颜色分量，分别形成对应所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像；

(4)对所述水平方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像及所述竖直方向彩色编码相移条纹数字图像的R、G、B通道的三幅灰度条纹图像分别利用公式(3)进行相位解包裹处理，得到水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像；

式(3)中，k＝1代表R颜色分量的灰度图像，k＝2代表G颜色分量的灰度图像；k＝3代表B颜色分量的灰度图像；

表示包裹相位图的相位分布；

(5)分别对水平方向的包裹相位图像和竖直方向的包裹相位图像进行边缘检测，得到水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像和竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像；

(6)将水平方向包裹相位图像的边缘线二值图像、竖直方向包裹相位图像的边缘线二值图像进行叠加得到水平条纹包裹相位图边缘线与竖直条纹包裹相位图边缘线的交点，即得到标定点像素坐标。

7.根据权利要求6所述的基于彩色编码相移条纹的相机标定的标定点提取方法，其特征在于，所述相机标定靶标变换位姿，在每一新位置，重复步骤(2)-(6)，得到不同位置的标定点像素坐标。

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