CN113643381B - 一种可变焦液态镜头的标定方法 - Google Patents

一种可变焦液态镜头的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明提供的一种可变焦液态镜头的标定方法，所设计的互补圆阵列标靶，即使在离焦模糊情况下仍能够准确地提取圆心特征点，因此，在液态镜头标定过程中，不需要改变标靶大小和拍摄距离，便可适应不同的焦距，适用性强，灵活性高。

Description

一种可变焦液态镜头的标定方法
技术领域
本发明属于镜头标定技术领域，具体地说，本发明涉及一种可变焦液态镜头的标定方法。
背景技术
液态镜头通过施加驱动电压或电流，改变液态透镜的形状来调节焦距，无需复杂的机械变焦结构，具有体积小、响应快、成本低、集成度高等优点，适合不同工作距离的成像应用。标定作为视觉测量的重要环节，传统定焦镜头一般采用棋盘格或圆阵列作为标靶，需要将标靶置于景深内拍摄，并在视场内占据一定比例，以保证特征点的提取精度，最后根据特征点的图像坐标和世界坐标的一一映射关系，建立投影方程求解定焦镜头的内部参数。
然而，液态镜头的景深和视场取决于其焦距大小，意味着若采用传统棋盘格或圆阵列标靶，需要改变标靶大小和拍摄距离，以适应不同的焦距，标定过程繁琐耗时。
因此，如何灵活地标定可变焦液态镜头具有重要的研究意义和价值。
发明内容
本发明提供一种可变焦液态镜头的标定方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种可变焦液态镜头的标定方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：搭建一个可变焦液态镜头标定系统，包括液态镜头、摄像机和液晶屏幕，其中液态镜头安装在摄像机前端；
步骤S2：设计互补圆阵列标靶，包括白色圆阵列标靶图案IA(x,y)和黑色圆阵列标靶图案IB(x,y)，并将两幅标靶图案依次显示于液晶屏幕上；
步骤S3：保持摄像机和液晶屏幕的位置姿态固定，通过逐步施加不同的驱动电流e，达到调节液态镜头焦距的目的，并在每个驱动电流e下，利用摄像机采集到互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)；
步骤S4：针对某一相同驱动电流e下采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，利用白色圆阵列标靶图像JA(u,v)减去黑色圆阵列标靶图像JB(u,v)得到相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)；同时，通过对比互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)获得二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)，再利用连通域标记获得每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，其中下标k表示圆的次序；
步骤S5：根据每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，从圆阵列标靶图像JS(u,v)中提取每个圆的图像Ck(u,v)，然后将每个圆的图像Ck(u,v)分别逐行和逐列进行灰度投影获得水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)；分别对水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)进行多项式拟合得到拟合函数hk(u)和gk(v)，并分别计算拟合函数hk(u)和gk(v)的极大值坐标uk和vk，则(uk,vk)即可认为是圆心的像素坐标；依次类推，提取出圆阵列标靶图像JS(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；
步骤S6：改变摄像机和液晶屏幕的位置姿态，累计采集到三组以上不同位置姿态下和不同驱动电流e下的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，重复步骤S3-S5，提取出不同位置姿态下和不同驱动电流e下的圆阵列标靶图像JD(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；
步骤S7：针对某一相同驱动电流e下，根据不同位置姿态下所有圆心的像素坐标(uk,vk)与世界坐标(Xk,Yk,Zk)的一一映射关系，建立投影方程求解电流e下液态镜头的内参矩阵M(e)，可采用经典的张氏标定法；依次类推，求解出不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)；
步骤S8：根据不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，通过多项式拟合分别建立液态镜头的内参矩阵M(e)中各参数关于驱动电流e的数学关系函数，便可以求解出任意驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，实现液态镜头的内部参数标定。
进一步的，所述步骤S2中，设计的白色圆阵列标靶图案IA(x,y)和黑色圆阵列标靶图案IB(x,y)可分别表示为：
式中：(x,y)示标靶图案的像素坐标，(xc,yc)表示圆心的像素坐标，R表示圆的半径，D表示两个相邻圆心的间距；其中，IA(x,y)+IB(x,y)＝1说明白色圆阵列标靶图案和黑色圆阵列标靶图案具有互补性。
进一步的，所述步骤S3中，采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)可分别表示为：
JA(u,v)＝α(u,v)+β(u,v)；
JB(u,v)＝α(u,v)-β(u,v)；
式中：(u,v)表示标靶图像的像素坐标，α(u,v)表示背景光强，β(u,v)表示调制光强。
进一步的，所述步骤S4中，相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)可表示为：
JS(u,v)＝JA(u,v)-JB(u,v)＝2β(u,v)；
通过互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)相减可以有效地消除背景光强α(u,v)的影响。
进一步的，所述步骤S4中，二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)可表示为：
进一步的，所述步骤S4中，每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)可表示为：
Ck(u,v)＝JS(u,v).*Rk(u,v)；
式中：.*表示点乘运算符号。
进一步的，所述步骤S5中，水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)可分别表示为：
式中：width和height分别表示每个圆的图像Ck(u,v)的宽度和高度。
进一步的，所述步骤S5中，拟合函数hk(u)和gk(v)的通用表达式为：
式中：a′n和a″n表示第n阶的拟合系数，N表示拟合阶次。
进一步的，所述步骤S7中，建立的投影方程可表示为：
[uk,vk,1]T＝M(e)[R(e),T(e)][Xk,Yk,Zk,1]T；
式中：M(e)表示内参矩阵，R(e)表示旋转矩阵，T(e)表示平移向量；
因为液晶屏幕是平面标靶，则Zk＝0；
理想情况下，内参矩阵M(e)可表示为：
式中：fu(e)和fv(e)表示水平方向和竖直方向上的等效焦距，u0(e)和v0(e)表示水平方向和竖直方向上的主点坐标。
进一步的，所述步骤S8中，内参矩阵M(e)中水平方向上的等效焦距fu(e)关于驱动电流e的数学关系函数可表示为：
式中：bn表示第n阶的拟合系数，N表示拟合阶次；
依次类推，可以建立内参矩阵M(e)中竖直方向上的等效焦距fv(e)，主点坐标u0(e)和v0(e)关于驱动电流e的数学关系函数。
采用以上技术方案的有益效果是：
1、本发明提供的一种可变焦液态镜头的标定方法，所设计的互补圆阵列标靶，即使在离焦模糊情况下仍能够准确地提取圆心特征点，因此，在液态镜头标定过程中，不需要改变标靶大小和拍摄距离，便可适应不同的焦距，适用性强，灵活性高。
附图说明
图1为可变焦液态镜头标定系统示意图；
图2为设计的互补圆阵列标靶图案IA(x,y)和IB(x,y)；
图3为采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)；
图4为相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)和二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)；
图5为单个圆的图像Ck(u,v)及其圆心的像素坐标(uk,vk)提取原理示意图；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图5所示，本发明是一种可变焦液态镜头的标定方法，所设计的互补圆阵列标靶，即使在离焦模糊情况下仍能够准确地提取圆心特征点，因此，在液态镜头标定过程中，不需要改变标靶大小和拍摄距离，便可适应不同的焦距，适用性强，灵活性高。
实施例1：
如图1至图5所示，本发明是一种可变焦液态镜头的标定方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：搭建一个可变焦液态镜头标定系统，包括液态镜头、摄像机和液晶屏幕，其中液态镜头安装在摄像机前端；图1展示了可变焦液态镜头标定系统示意图；
步骤S2：设计互补圆阵列标靶，包括白色圆阵列标靶图案IA(x,y)和黑色圆阵列标靶图案IB(x,y)，并将两幅标靶图案依次显示于液晶屏幕上；图2展示了设计的互补圆阵列标靶图案IA(x,y)和IB(x,y)；
步骤S3：保持摄像机和液晶屏幕的位置姿态固定，通过逐步施加不同的驱动电流e，达到调节液态镜头焦距的目的，并在每个驱动电流e下，利用摄像机采集到互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)；图3展示了采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)；
步骤S4：针对某一相同驱动电流e下采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，利用白色圆阵列标靶图像JA(u,v)减去黑色圆阵列标靶图像JB(u,v)得到相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)，如图4所示；同时，通过对比互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)获得二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)，如图4所示，再利用连通域标记获得每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，其中下标k表示圆的次序；
步骤S5：根据每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，从圆阵列标靶图像JS(u,v)中提取每个圆的图像Ck(u,v)，然后将每个圆的图像Ck(u,v)分别逐行和逐列进行灰度投影获得水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)；分别对水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)进行多项式拟合得到拟合函数hk(u)和gk(v)，并分别计算拟合函数hk(u)和gk(v)的极大值坐标uk和vk，则(uk,vk)即可认为是圆心的像素坐标；依次类推，提取出圆阵列标靶图像JS(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；图5展示了单个圆的图像Ck(u,v)及其圆心的图像坐标(uk,vk)提取原理示意图，图中离散点表示水平投影向量Qk(u)，图中实线表示拟合函数hk(u)曲线，且拟合函数hk(u)在像素坐标uk处取得极大值；
步骤S6：改变摄像机和液晶屏幕的位置姿态，累计采集到三组以上不同位置姿态下和不同驱动电流e下的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，重复步骤S3-S5，提取出不同位置姿态下和不同驱动电流e下的圆阵列标靶图像JD(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；
步骤S7：针对某一相同驱动电流e下，根据不同位置姿态下所有圆心的像素坐标(uk,vk)与世界坐标(Xk,Yk,Zk)的一一映射关系，建立投影方程求解电流e下液态镜头的内参矩阵M(e)，可采用经典的张氏标定法；依次类推，求解出不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)；
步骤S8：根据不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，通过多项式拟合分别建立液态镜头的内参矩阵M(e)中各参数关于驱动电流e的数学关系函数，便可以求解出任意驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，实现液态镜头的内部参数标定。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：搭建一个可变焦液态镜头标定系统，包括液态镜头、摄像机和液晶屏幕，其中液态镜头安装在摄像机前端；
步骤S2：设计互补圆阵列标靶，包括白色圆阵列标靶图案IA(x,y)和黑色圆阵列标靶图案IB(x,y)，并将两幅标靶图案依次显示于液晶屏幕上；
步骤S3：保持摄像机和液晶屏幕的位置姿态固定，通过逐步施加不同的驱动电流e，达到调节液态镜头焦距的目的，并在每个驱动电流e下，利用摄像机采集到互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)；
步骤S4：针对某一相同驱动电流e下采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，利用白色圆阵列标靶图像JA(u,v)减去黑色圆阵列标靶图像JB(u,v)得到相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)；同时，通过对比互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)获得二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)，再利用连通域标记获得每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，其中下标k表示圆的次序；
步骤S5：根据每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)，从圆阵列标靶图像JS(u,v)中提取每个圆的图像Ck(u,v)，然后将每个圆的图像Ck(u,v)分别逐行和逐列进行灰度投影获得水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)；分别对水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)进行多项式拟合得到拟合函数hk(u)和gk(v)，并分别计算拟合函数hk(u)和gk(v)的极大值坐标uk和vk，则(uk,vk)即可认为是圆心的像素坐标；依次类推，提取出圆阵列标靶图像JS(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；
步骤S6：改变摄像机和液晶屏幕的位置姿态，累计采集到三组以上不同位置姿态下和不同驱动电流e下的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)，重复步骤S3-S5，提取出不同位置姿态下和不同驱动电流e下的圆阵列标靶图像JD(u,v)中所有圆心的像素坐标(uk,vk)；
步骤S7：针对某一相同驱动电流e下，根据不同位置姿态下所有圆心的像素坐标(uk,vk)与世界坐标(Xk,Yk,Zk)的一一映射关系，建立投影方程求解电流e下液态镜头的内参矩阵M(e)，可采用经典的张氏标定法；依次类推，求解出不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)；
步骤S8：根据不同驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，通过多项式拟合分别建立液态镜头的内参矩阵M(e)中各参数关于驱动电流e的数学关系函数，便可以求解出任意驱动电流e下的液态镜头的内参矩阵M(e)，实现液态镜头的内部参数标定。
2.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S2中，设计的白色圆阵列标靶图案IA(x,y)和黑色圆阵列标靶图案IB(x,y)可分别表示为：
式中：(x,y)示标靶图案的像素坐标，(xc,yc)表示圆心的像素坐标，R表示圆的半径，D表示两个相邻圆心的间距；其中，IA(x,y)+IB(x,y)＝1说明白色圆阵列标靶图案和黑色圆阵列标靶图案具有互补性。
3.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S3中，采集的互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)可分别表示为：
JA(u,v)＝α(u,v)+β(u,v)；
JB(u,v)＝α(u,v)-β(u,v)；
式中：(u,v)表示标靶图像的像素坐标，α(u,v)表示背景光强，β(u,v)表示调制光强。
4.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S4中，相减后的圆阵列标靶图像JS(u,v)可表示为：
JS(u,v)＝JA(u,v)-JB(u,v)＝2β(u,v)；
通过互补圆阵列标靶图像JA(u,v)和JB(u,v)相减可以有效地消除背景光强α(u,v)的影响。
5.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S4中，二值化的圆阵列标靶图像JE(u,v)可表示为：
6.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S4中，每个圆的感兴趣区域Rk(u,v)可表示为：
Ck(u,v)＝JS(u,v).*Rk(u,v)；
式中：.*表示点乘运算符号。
7.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S5中，水平投影向量Qk(u)和竖直投影向量Qk(v)可分别表示为：
式中：width和height分别表示每个圆的图像Ck(u,v)的宽度和高度。
8.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S5中，拟合函数hk(u)和gk(v)的通用表达式为：
式中：a′n和a″n表示第n阶的拟合系数，N表示拟合阶次。
9.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S7中，建立的投影方程可表示为：
[uk,vk,1]T＝M(e)[R(e),T(e)][Xk,Yk,Zk,1]T；
式中：M(e)表示内参矩阵，R(e)表示旋转矩阵，T(e)表示平移向量；
因为液晶屏幕是平面标靶，则Zk＝0；
理想情况下，内参矩阵M(e)可表示为：
式中：fu(e)和fv(e)表示水平方向和竖直方向上的等效焦距，u0(e)和v0(e)表示水平方向和竖直方向上的主点坐标。
10.根据权利要求1所述的一种可变焦液态镜头的标定方法，其特征在于：所述步骤S8中，内参矩阵M(e)中水平方向上的等效焦距fu(e)关于驱动电流e的数学关系函数可表示为：
式中：bn表示第n阶的拟合系数，N表示拟合阶次；
依次类推，可以建立内参矩阵M(e)中竖直方向上的等效焦距fv(e)，主点坐标u0(e)和v0(e)关于驱动电流e的数学关系函数。
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