CN113362397A - 一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，包括如下步骤：步骤1：对双目摄像头以及单目摄像头的位置进行安装；步骤2：将平面标定板垂直单目摄像头轴线设置，且所述平面标定板上设置标定块；步骤3：在平面标定板上移动所述标定块并通过所述单目摄像机拍摄记录标定块的位置；步骤4：通过多个标定块的位置计算出主点坐标；步骤5：对双目摄像头系统进行标定。本发明中便于标定主点，提高了应用范围和精度，避免了计算过程的复杂程度。

Description

一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，具体为一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法。

背景技术

视觉、听觉、触觉等感官是人类关于世界的认知和观察的主要手段，而其中最主要的认知世界的手段就是视觉。人类的视觉是通过接收光信息，再由大脑对其进行处理，而计算机视觉就是仿照人类视觉而产生的。计算机视觉就是用摄像机仿照人眼进行光信息采集，用计算机仿照大脑对获取到的数据进行处理，最终实现对三维世界的认识、观察和识别。

计算机视觉"的首要条件就是对三维世界的信息进行获取。首先通过摄像机获取图像，然后确定所获得的图像像点与三维世界被测物体的物点的相互对应关系，最后目标物体的外观形状和目标物体距离摄像机的位置距离等信息，通过这样一系列的手段对三维世界上的目标物体加以认识和感知。依靠视觉系统对三维世界环境下的物体获取信息过程是复杂的，首先有被测物体表面发出的光信号在CCD像面上成像，光信号转换为电信号，将得到模拟电信号转化为数字信号，计算机接收数字信号，输出图像。在获取外界图像信息的过程中，受到摄像机镜头性能等因素的影响，使采集图像发生了畸变，所以经过对摄像机的相关参数进行标定来保障测距结果的准确性。

现有的摄像机主点坐标的标定方法有很多种例如：变焦距法、直接光学法和径向准直约束法等等，然而这几种标定方法都有各自的局限性和缺点，变焦距法只能应用于变焦镜头标定主点，应用范围较小；标定板法对实验条件要求较高，而且精度不高；激光法相对精度较高，但是要求高精密的仪器设备，而且对操作人员要求较高；径向准直法的计算过程繁琐复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，以解决上述技术背景中变焦距法只能应用于变焦镜头标定主点，应用范围较小；标定板法对实验条件要求较高，而且精度不高；激光法相对精度较高，但是要求高精密的仪器设备，而且对操作人员要求较高；径向准直法的计算过程繁琐复杂的缺点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，包括如下步骤：

步骤1：对双目摄像头以及单目摄像头的位置进行安装；

步骤2：将平面标定板垂直单目摄像头轴线设置，且所述平面标定板上设置标定块；

步骤3：在平面标定板上移动所述标定块并通过所述单目摄像机拍摄记录标定块的位置；

步骤4：通过多个标定块的位置计算出主点坐标；

步骤5：对双目摄像头系统进行标定。

优选的，所述步骤3中，所述标定块初始位置为(u₁,v₁)，所述标定块在平面标定板上移动后的位置为(u₂,v₂)。

优选的，所述步骤4中，所述主点坐标(u₀,v₀)通过(u₁,v₁)和(u₂,v₂)应用最小二乘法进行计算，将(u₁,v₁)和(u₂,v₂)代入到公式(1)内，公式(1)如下：

得到一组线性方程，并对线性方程求解，得到主点坐标(u₀,v₀)。

优选的，所述步骤5中，首先通过单目摄像机标定出单目摄像机内外参数，再标定双目摄像机外参数，再通过标定的外参数标定双目摄像机之间基线的长度、主光轴夹角以及双目摄像机之间的相对位置。

优选的，所述双目摄像机参数标定包括如下：

第一步：标定双目摄像机系统旋转矩阵R和系统平移向量t；

第二步：标定基线长B；

第三步：标定两光轴夹角。

优选的，建立左摄像机坐标系O₁X₁Y₁Z₁、右摄像机坐标系O₂X₂Y₂Z₂和世界坐标系O_WX_WY_WZ_W，设置标定块在世界坐标系的坐标为

则标定块在左相机和右相机上的坐标分别如公式(2)所示：

公式(2)为标定块分别在左右摄像机坐标上与世界坐标系的转换，其中

表示标定块在左摄像机坐标系上的坐标，

表示标定块在右摄像机坐标系上的坐标，R₁表示左摄像头的旋转矩阵，R₂表示右摄像头的旋转矩阵，t₁表示左摄像头的平移向量，t₂表示右摄像机的平移向量。

与现有技术相比，本发明提供了一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，具备以下有益效果：

本发明中首先保证单目摄像机与平面标定板之间的位置相对固定，再通过改变设于平面标定板上设置的标定块位置，使摄像机拍摄同一状态、同一目标不同位置的图片，再建立单目摄像机坐标系对标定块不同位置的坐标进行标记，由于主点在图像上的位置不变性，再通过最小二乘法便于求出主点的坐标，便于标定主点，提高了应用范围和精度，避免了计算过程的复杂程度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明提出的适用于双目摄像机采集系统的标定方法简易结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，包括如下步骤：

步骤1：对双目摄像头以及单目摄像头的位置进行安装，单目摄像头设于双目摄像头之间，且双目摄像头和单目摄像头的轴线相互平行。

步骤2：将平面标定板垂直单目摄像头轴线设置，且平面标定板上设置标定块；平面标定板的中心通过轴线，以便于建立坐标系。

步骤3：在平面标定板上移动标定块并通过单目摄像机拍摄记录标定块的位置；首先建立单目摄像头平面坐标系，记录标定块初始位置为(u₁,v₁)，而标定块的移动位置也仅能在单目摄像头平面坐标系和平面标定板交叉的线上进行移动，并记录标定块在平面标定板上移动后的位置为(u₂,v₂)。

步骤4：通过多个标定块的位置计算出主点坐标；在理想状态下，主点坐标应该位于光轴与像面的交点，但是由于摄像机在装配制作使用过程中，不能时刻保持理想状态，不能保证主点一定位于图像中心，因此需要对摄像头主点坐标进行标定；主点坐标(u₀,v₀)通过(u₁,v₁)和(u₂,v₂)应用最小二乘法进行计算，将(u₁,v₁)和(u₂,v₂)代入到公式(1)内，公式(1)如下：

得到一组线性方程，并对线性方程求解，得到主点坐标(u₀,v₀)，通过使摄像机拍摄同一状态、同一目标不同位置的图片，再建立单目摄像机坐标系对标定块不同位置的坐标进行标记，由于主点在图像上的位置不变性，再通过最小二乘法便于求出主点的坐标，便于标定主点，提高了应用范围和精度，避免了计算过程的复杂程度。

步骤5：对双目摄像头系统进行标定；首先通过单目摄像机标定出单目摄像机内外参数，再标定双目摄像机外参数，再通过标定的外参数标定双目摄像机之间基线的长度、主光轴夹角以及双目摄像机之间的相对位置；双目摄像机参数标定包括如下：

第一步：标定双目摄像机系统旋转矩阵R和系统平移向量t；建立左摄像机坐标系O₁X₁Y₁Z₁、右摄像机坐标系O₂X₂Y₂Z₂和世界坐标系O_WX_WY_WZ_W，设置标定块在世界坐标系的坐标为

则标定块在左相机和右相机上的坐标分别如公式(2)所示：

公式(2)为标定块分别在左右摄像机坐标上与世界坐标系的转换，其中

表示标定块在左摄像机坐标系上的坐标，

表示标定块在右摄像机坐标系上的坐标，R₁表示左摄像头的旋转矩阵，R₂表示右摄像头的旋转矩阵，t₁表示左摄像头的平移向量，t₂表示右摄像机的平移向量；将公式(2)内两式联立，便可求出左右摄像机的转换关系：

并将左右摄像机的转换关系进行整理得旋转矩阵R和平移向量t的关系：

第二步：标定基线长B；基线长度的标定通过平移向量得到

第三步：标定两光轴夹角；测量左右摄像机光轴夹角分别为俯仰角α、偏航角β和扭转角γ，且设定顺时针为正方向，通过旋转矩阵R和欧拉公式得到：

β＝sin^-1r₃，

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对双目摄像头以及单目摄像头的位置进行安装；

步骤2：将平面标定板垂直单目摄像头轴线设置，且所述平面标定板上设置标定块；

步骤3：在平面标定板上移动所述标定块并通过所述单目摄像机拍摄记录标定块的位置；

步骤4：通过多个标定块的位置计算出主点坐标；

步骤5：对双目摄像头系统进行标定。

2.根据权利要求1所述的一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于：所述步骤3中，所述标定块初始位置为(u₁,v₁)，所述标定块在平面标定板上移动后的位置为(u₂,v₂)。

3.根据权利要求2所述的一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于：所述步骤4中，所述主点坐标(u₀,v₀)通过(u₁,v₁)和(u₂,v₂)应用最小二乘法进行计算，将(u₁,v₁)和(u₂,v₂)代入到公式(1)内，公式(1)如下：

得到一组线性方程，并对线性方程求解，得到主点坐标(u₀,v₀)。

4.根据权利要求3所述的一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于：所述步骤5中，首先通过单目摄像机标定出单目摄像机内外参数，再标定双目摄像机外参数，再通过标定的外参数标定双目摄像机之间基线的长度、主光轴夹角以及双目摄像机之间的相对位置。

5.根据权利要求4所述的一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于：所述双目摄像机参数标定包括如下：

第一步：标定双目摄像机系统旋转矩阵R和系统平移向量t；

第二步：标定基线长B；

第三步：标定两光轴夹角。

6.根据权利要求5所述的一种适用于双目摄像机采集系统的标定方法，其特征在于：建立左摄像机坐标系O₁X₁Y₁Z₁、右摄像机坐标系O₂X₂Y₂Z₂和世界坐标系O_WX_WY_WZ_W，设置标定块在世界坐标系的坐标为

则标定块在左相机和右相机上的坐标分别如公式(2)所示：

公式(2)为标定块分别在左右摄像机坐标上与世界坐标系的转换，其中

表示标定块在左摄像机坐标系上的坐标，

表示标定块在右摄像机坐标系上的坐标，R₁表示左摄像头的旋转矩阵，R₂表示右摄像头的旋转矩阵，t₁表示左摄像头的平移向量，t₂表示右摄像机的平移向量。

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