CN113808221B - 一种全景环带相机的标定方法及标定系统 - Google Patents

一种全景环带相机的标定方法及标定系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全景环带相机的标定方法及标定系统，标定方法包括：采集数张标定图片；提取角点设置标定图片的中心点为初始中心点，并利用泰勒相机模型计算得到相机的内参和外参；确定初始中心点附近的搜索范围，在搜索范围内均匀取点，将选取的点分别作为当前中心点，利用相机的内参和外参，计算各当前中心点的重投影误差并进行比较，选取重投影误差最小的当前中心点作为下一次搜索范围的中心点，并重复本步骤，直至满足搜索终止条件，得到目标中心点；去除重投影误差大于阈值的标定图片；计算图片中所有角点的重投影误差并比较，去除重投影误差大于阈值的角点；重新计算相机的内参和外参。本发明提高了全景环带相机标定的速度和准确率。

Description

一种全景环带相机的标定方法及标定系统
技术领域
本发明属于图像校正技术领域，具体涉及一种全景环带相机的标定方法及标定系统。
背景技术
全景环带光学系统是一种折反射式光学系统，结构与普通的折反射式光学系统不同。
其中，普通的折反射式光学系统一般由一个鱼眼相机与独立于鱼眼相机正前方的一块反射镜构成；全景环带光学系统则是由全景环带块状单元和后继透镜组成，二者共同组成一体化的全景环带镜头。全景环带光学系统的横向视角一般为360°，纵向视场角可以覆盖到水平面以下，获取的环境信息十分丰富。由于全景环带镜头视场角很大，一般的针孔相机模型并不适用。
因此，本领域亟需开发一种新的全景环带相机的标定手段。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种全景环带相机的标定方法及标定系统，以提高全景环带相机标定的速度和准确率。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种全景环带相机的标定方法，包括以下步骤：
S1、全景环带相机拍摄不同方向的标定板，采集数张标定图片；
S2、提取各标定图片中图像的角点；
S3、对每一张标定图片，设置标定图片的中心点为初始中心点，并利用泰勒相机模型计算得到相机的内参和外参；
S4、确定初始中心点附近的搜索范围，在搜索范围内均匀取点，将选取的点分别作为当前中心点，利用步骤S3得到的相机的内参和外参，并根据泰勒相机模型计算各当前中心点的重投影误差并进行比较，选取重投影误差最小的当前中心点作为下一次搜索范围的中心点，并重复本步骤，直至满足搜索终止条件，得到目标中心点；
S5、根据目标中心点，分别计算各标定图片的重投影误差并进行比较，去除重投影误差大于第一目标阈值的标定图片；
S6、根据目标中心点以及剩余的标定图片，计算各标定图片中所有角点的重投影误差并比较，去除重投影误差大于第二目标阈值的角点；
S7、根据目标中心点、剩余的标定图片以及剩余的标定图片中的剩余角点，重新计算相机的内参和外参。
作为优选方案，所述标定板为棋盘格。
作为优选方案，所述步骤S1中，全景环带相机拍摄过程中，标定板覆盖全景环带相机的所有可见区域。
作为优选方案，所述相机的内参包括泰勒公式的零次项、二次项、三次项和四次项的系数；
泰勒公式为：f(u，v)＝a0+a2ρ2+…+anρn
其中，ρ为图片像素点至图片中心点的距离，u是图片像素点与图片中心点的横坐标差值，v是图片像素点与图片中心点的纵坐标差值；a0是泰勒公式的零次项的系数，a2是泰勒公式的二次项的系数，an是泰勒公式n次项的系数。
作为优选方案，所述相机的外参包括标定板相对于相机坐标系的位置。
作为优选方案，所述搜索范围的单位为像素，搜索半径为均匀取点的距离。
作为优选方案，所述搜索终止条件为搜索半径小于N个像素，N为正数。
作为优选方案，所述N取值为0.01。
作为优选方案，标定方法，还包括以下步骤：
S8、输出显示重投影误差以及相机的内参、外参。
本发明还提供一种全景环带相机的标定系统，应用如上任一项方案所述的标定方法，所述标定系统包括：
采集模块，用于控制全景环带相机拍摄不同方向的标定板，采集数张标定图片；
提取模块，用于提取各标定图片中图像的角点以及在搜索范围内均匀取点；
设置模块，用于设置初始中心点以及搜索范围；
计算模块，用于计算重投影误差以及相机的内参、外参；
比较模块，用于比较重投影误差的大小；
去除模块，用于去除标定图片、角点。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
(1)本发明去除重投影误差较大的图片和图片中重投影误差较大的角点，提高了全景环带相机标定的准确率；
(2)本发明根据全景环带相机拍摄图像的特点，设置初始中心点并在初始中心点附近搜索范围内进行迭代求解图像坐标系的中心点，提升了准确率，减小了搜索范围，提高了寻找中心点的速度。
(3)本发明可标定单侧20～128°，全视场40～256°的全景环带相机。
附图说明
图1是本发明实施例的全景环带相机的标定方法的流程图；
图2是本发明实施例的采集的标定图片的重投影误差结果图；
图3是本发明实施例的一张标定图片的所有角点的重投影误差结果图；
图4是本发明实施例的全景环带相机的标定系统的模块图。
图5是本发明实施例的全景环带相机视场角示意图；
图6是本发明实施例的视场角为128°的全景环带相机视标定结果：重投影误差；
图7是本发明实施例的视场角为128°的全景环带相机视标定结果：f-theta曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1所示，本发明实施例的全景环带相机的标定方法，包括以下步骤：
(1)采集图片
使用的标定板为棋盘格，使用全景环带相机拍摄不同方向的标定板，拍摄过程中标定板应尽可能覆盖全景环带相机的所有可见区域，采集得到数张所需的标定图片。
(2)提取角点
对步骤(1)中采集的各标定图像的角点进行提取。
(3)利用初始值计算内参和外参
具体地，令初始中心点的像素坐标为(Cx,Cy)，标定图片的宽度为W，高度为H，设置Cx＝W/2,Cy＝H/2；单位为像素；
使用的相机模型为泰勒相机模型，获得相机的内参和外参。
其中，内参包括泰勒公式的零次项、二次项、三次项和四次项的系数，外参包括标定板相对于相机坐标系的位置；
泰勒公式为：f(u，v)＝a0+a2ρ2+...+anρn
其中，ρ为图片像素点至图片中心点的距离，u是图片像素点与图片中心点的横坐标差值，v是图片像素点与图片中心点的纵坐标差值；a0是泰勒公式的零次项的系数，a2是泰勒公式的二次项的系数，an是泰勒公式n次项的系数。
(4)寻找中心点的坐标
使用步骤(3)中设置的初始中心点坐标(Cx,Cy)，在初始中心点的附近扩大搜索范围，在搜索范围内均匀取点，初始的搜索范围可以选取在初始中心点周围d*d个像素范围，d＝(W+H)/4，设置向右为x轴正方向，向下为y轴正方向，分别向x和y的正方向和负方向扩展d个像素，在初始中心点周围d*d个像素范围内均匀选取3*3个点作为初始搜索范围内的点，将选取的9个点分别作为当前中心点的坐标，选取的9个点的坐标分别为：(Cx-d,Cy-d)，(Cx,Cy-d)，(Cx+d,Cy-d)，(Cx-d,Cy)，(Cx,Cy)，(Cx+d,Cy)，(Cx-d,Cy+d)，(Cx,Cy+d)，(Cx+d,Cy+d)。
使用步骤(3)求得相机的内参和外参，利用泰勒相机模型，求当前中心点坐标下的重投影误差，计算搜索范围内9个点对应的重投影误差并比较，选取最小的重投影误差对应的当前中心点坐标，作为下一次搜索范围的中心点的坐标；以选取出的下一次搜索范围的中心点的坐标为中心，坐标为(Cx’,Cy’)，搜索范围为d’＝d/2，近邻的八个坐标点围出的方形区域为搜索范围，近邻的八个点的坐标分别为：(Cx’-d’,Cy’-d’)，(Cx’,Cy’-d’)，(Cx’+d’,Cy’-d’)，(Cx’-d’,Cy’)，(Cx’+d’,Cy’)，(Cx’-d’,Cy’+d’)，(Cx’,Cy’+d’)，(Cx’+d’,Cy’+d’)，进行下一次搜索。
其中，步骤(4)具体流程包括以下步骤：
(4.1)、确定一个初始的搜索范围，单位为像素，设置的初始中心点坐标(Cx,Cy)，距离为中心点坐标到搜索范围边界的距离；
(4.2)、在初始中心点的附近扩大搜索范围，在搜索范围内均匀取点，初始的搜索范围可以选取在初始中心点周围d*d个像素范围，d＝(W+H)/4,设置向右为x轴正方向，向下为y轴正方向，分别向x和y的正方向和负方向扩展d个像素，在初始中心点周围d*d个像素范围内均匀选取3*3个点作为初始搜索范围内的点，将选取的9个点分别作为当前中心点的坐标，选取的9个点的坐标分别为：(Cx-d,Cy-d)，(Cx,Cy-d)，(Cx+d,Cy-d)，(Cx-d,Cy)，(Cx,Cy)，(Cx+d,Cy)，(Cx-d,Cy+d)，(Cx,Cy+d)，(Cx+d,Cy+d)；使用步骤(3)求得相机的内参和外参，利用泰勒相机模型，求当前中心点坐标下的重投影误差，计算搜索范围内均匀取点的所有点对应的重投影误差；
(4.3)、比较步骤(4.2)中得到的所有点对应的重投影误差，得到最小的重投影误差对应的中心点坐标(Cx’,Cy’)，作为下一次搜索范围的中心点的坐标；
(4.4)、下一次搜索半径为d/2，d为步骤(4.2)中均匀取点的距离，步骤(4.3)中得到的最小的重投影误差对应的中心点坐标(Cx’,Cy’)作为下一次搜索范围的中心点的坐标，重复上述步骤(4.2)～(4.4)直至搜索半径小于0.01像素，得到目标中心点。
(5)删除重投影误差较大的图片
具体地，根据步骤(4)中找到的目标中心点的坐标，计算步骤(1)中采集到的每张标定图片的重投影误差，比较每张图的重投影误差的结果；如果某张图的重投影误差明显高于其他图的重投影误差，则将这张图删除；然后根据步骤(4)中得到的目标中心点的坐标，重新计算相机的内参和外参。如图2所示，删除重投影误差大于0.25的标定图片，即标号为1、5和6的标定图片；
(6)删除重投影误差较大的点
具体地，对于步骤(5)中去除重投影误差过大的标定图片后的剩余的所有标定图片，求每张标定图片中所有的角点的重投影误差，如果某个角点的重投影误差明显高于其他点的重投影误差，则将相应的角点删除；然后根据步骤(4)中得到的目标中心点的坐标、步骤(5)得到的去除重投影误差过大的标定图片之后剩余的标定图片以及剩余的标定图片中去除重投影误差过大的角点之后的所有角点，重新计算相机的内参和外参。如图3所示，删除图中重投影误差在1.5到2之间的点，即黑色方框中的点；
(7)显示重投影误差；
(8)输出标定结果
具体地，标定结果包括全景环带相机的外参和内参，内参包括泰勒公式的零次项、二次项、三次项和四次项的系数，外参包括标定板相对于相机坐标系的位置。
与本发明实施例的全景环带相机的标定方法相对应，本发明实施例还提供一种全景环带相机的标定系统，如图4所示，包括：
采集模块，用于控制全景环带相机拍摄不同方向的标定板，以采集数张标定图片。具体地，标定板为棋盘格，使用全景环带相机拍摄不同方向的标定板，拍摄过程中标定板应尽可能覆盖全景环带相机的所有可见区域。
提取模块，用于提取各标定图片中图像的角点，以便后续进行角点的筛选。还用于在搜索范围内均匀取点。
设置模块，用于设置初始中心点以及搜索范围。具体地，设置初始中心点的像素坐标为标定图片的中心点的像素坐标，即标定图片的宽度和高度的二分之一，坐标为像素。
计算模块，用于计算重投影误差以及相机的内参、外参。具体地，使用的相机模型为泰勒相机模型，计算得到相机的内参和外参。其中，内参包括泰勒公式的零次项、二次项、三次项和四次项的系数，外参包括标定板相对于相机坐标系的位置；
泰勒公式为：f(u，v)＝a0+a2ρ2+...+anρn
其中，ρ为图片像素点至图片中心点的距离，u是图片像素点与图片中心点的横坐标差值，v是图片像素点与图片中心点的纵坐标差值；a0是泰勒公式的零次项的系数，a2是泰勒公式的二次项的系数，an是泰勒公式n次项的系数。
另外，具体的计算过程可参考上述步骤中计算重投影误差的过程，在此不赘述。
比较模块，用于比较重投影误差的大小。具体地，用于对各标定图片的重投影误差进行比较，还用于对各标定图片中所有角点的重投影误差进行比较。
去除模块，用于去除标定图片、角点。具体地，用于去除重投影误差大于第一目标阈值的标定图片，还用于去除重投影误差大于第二目标阈值的角点。
另外，如图5-7所示，本发明实施例的全景环带相机的标定方法及系统可标定单侧20～128°，全视场40～256°的全景环带相机。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全景环带相机的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、全景环带相机拍摄不同方向的标定板，采集数张标定图片；
S2、提取各标定图片中图像的角点；
S3、对每一张标定图片，设置标定图片的中心点为初始中心点，并利用泰勒相机模型计算得到相机的内参和外参；
S4、确定初始中心点附近的搜索范围；
S5、在搜索范围内均匀取点，将选取的点分别作为当前中心点，利用步骤S3得到的相机的内参和外参，并根据泰勒相机模型计算各当前中心点的重投影误差并进行比较，选取重投影误差最小的当前中心点作为下一次搜索范围的中心点，并缩小下一次搜索范围后重复本步骤，直至满足搜索终止条件，得到目标中心点；
S6、根据目标中心点，分别计算各标定图片的重投影误差并进行比较，去除重投影误差大于第一目标阈值的标定图片；
S7、根据目标中心点以及剩余的标定图片，计算各标定图片中所有角点的重投影误差并比较，去除重投影误差大于第二目标阈值的角点；
S8、根据目标中心点、剩余的标定图片以及剩余的标定图片中的剩余角点，重新计算相机的内参和外参。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述标定板为棋盘格。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，全景环带相机拍摄过程中，标定板覆盖全景环带相机的所有可见区域。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述相机的内参包括泰勒公式的零次项、二次项、三次项和四次项的系数；
泰勒公式为：；
其中，，ρ为图片像素点至图片中心点的距离，u是图片像素点与图片中心点的横坐标差值，v是图片像素点与图片中心点的纵坐标差值；a 0是泰勒公式的零次项的系数，a 2是泰勒公式的二次项的系数，a n 是泰勒公式n次项的系数。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述相机的外参包括标定板相对于相机坐标系的位置。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述搜索范围的单位为像素，搜索半径为均匀取点的距离。
7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，所述搜索终止条件为搜索半径小于N个像素，N为正数。
8.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于，所述N取值为0.01。
9.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S8、输出显示重投影误差以及相机的内参、外参。
10.一种全景环带相机的标定系统，应用如权利要求1-9任一项所述的标定方法，其特征在于，所述标定系统包括：
采集模块，用于控制全景环带相机拍摄不同方向的标定板，采集数张标定图片；
提取模块，用于提取各标定图片中图像的角点以及在搜索范围内均匀取点；
设置模块，用于设置初始中心点以及搜索范围；
计算模块，用于计算重投影误差以及相机的内参、外参；
比较模块，用于比较重投影误差的大小；
去除模块，用于去除标定图片、角点。
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