TWI712310B - 立體相機之校正品質的檢測方法及檢測系統 - Google Patents
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Abstract
一種立體相機之校正品質的檢測方法及檢測系統，主要讓一立體相機拍攝一顯示器顯示的一校正板影像，並於萃取出多個方塊角點影像、分析角點影像穩定度及標準差後，可依據視差及相機的內外部參數，分別計算出相機所擷取影像的兩相鄰方塊角點的世界座標，接著，可將顯示器所顯示之校正板影像的兩相鄰方塊角點的距離視為基準值(正解)，並與兩相鄰方塊角點的世界座標的差值計算出一比對誤差，以檢測相機之內部與外部參數之準確性，本發明更提出可進一步確認距離一中心基準點較遠的各方塊大小是否均一致的作法，以檢測相機之畸變參數是否準確。
Description
本發明涉及立體視覺(stereopsis)之技術領域，尤指一種可針對校正後的雙目或多目相機評估其校正品質的檢測方法及檢測系統。
為了要使立體相機產生高品質的立體影像，在相機出廠前，製造商會在立體相機的製造過程中進行相機校正，即從被擷取影像中挑出一些樣本點，以從中找出相機的內外部參數(intrinsic and extrinsic parameters)及畸變參數，進而確保立體相機所需的高光學準度，且在立體相機出廠且被操作一段時間後，其光學準度也會因為相機的使用環境或使用方法而無法維持，此時立體相機也會需要再進行校正以補償立體相機的機構與光學準度漂移，其中，內部參數是相機的固有性質參數，主要有關於相機座標與影像座標間的轉換關係，例如成像中心點、焦距等，外部參數則表示相機在世界座標與相機座標間的轉換關係，即相機的偏轉角度與位置，而有關相機校正之相關技術及推導原理，可參見OpenCV開放原始碼函式庫的
「Camera Calibration」教程文件，於此不再贅述。
目前評估校正是否準確的方法主要有：(A)讓立體相機對具有複數個特徵點的校正圖案(例如棋盤格等測試圖案)進行拍攝，以擷取出棋盤格的影像彎曲狀況，但此種方式僅能從彎曲程度粗略地看出校正後的畸變參數是否準確，而無法驗證其它相機參數(如內外部參數)；或(B)利用特定的應用程式(例如3D Point Cloud、3D depth map等)來檢視相機校正的品質，但由於這些應用程式都建構在這些內外部參數之上，且應用程式都會有自身的優化與收斂方式，而難以判斷是相機校正的問題，或是程式優化的演算法問題；或(C)將被擷取影像之樣本點資訊，帶入由內外部參數與畸變參數所組成的方程式(例如OpenCV開放原始碼函式庫的「projectPoints( )」函式)，以計算一重投影誤差(re-projection error)，該數值其若接近於0，則代表影像校正的品質越好，惟該數值取決於被選取樣本點在被擷取影像中的分布，並不能表示三維空間的任意點都在這個誤差之內。
綜上可知，目前評估立體相機之校正品質的方式，仍有諸多缺點，故如何提出一種可同時檢驗內外部參數與畸變參數之準確性、可讓校正品質之檢測結果更臻準確的「立體相機之校正品質的檢測方法及檢測系統」，乃有待解決之問題。
為達上述目的，本發明提出一種立體相機之校正品質的檢測方法，包含：(1)使一顯示器顯示一校正板影像，校正板影像具有多個以矩陣方式排列的方塊，方塊具有彼此相鄰的多個方塊角點，相鄰的兩方塊角點之間的距離，被定義為一基準值；(2)使置於顯示器前的一立體相機對校正板影像進行拍攝，以分別擷取出一左眼影像與一右眼影像；(3)分別從左眼及右眼影像偵測出多個方塊角點影像，並萃取其中一方塊角點成像於一影像座標的一左眼成像座標及一右眼成像座標，並依據左眼及右眼成像座標計算一視差；(4)依據視差、立體相機的內部及外部參數，將其中一方塊角點的影像座標轉換為一世界座標；(5)計算相鄰於被萃取方塊角點的另一方塊角點的世界座標，並求得相鄰的兩方塊角點之世界座標的差值，再以差值與基準值比較出一比對誤差，比對誤差可供檢測立體相機之內部及外部參數之準確性。
其中，本發明提出的檢測方法更可包含以下步驟：(1)將矩形的多個基準影像分別投影至左眼及右眼影像，並萃取與立體相機的一主軸點(principle point)最鄰近的方塊角點影像，作為一中心基準點；
(2)依序計算各基準影像之一基準影像角點與中心基準點之世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差，並判斷畸變誤差是否符合一畸變閾值，若未符合，則可重新進行影像校正。
為達上述目的，本發明亦提出一種立體相機之校正品質的檢測系統，包含一顯示器、一立體相機及一校正品質檢測裝置；顯示器可顯示一校正板影像，校正板影像具有多個以矩陣方式排列的方塊，方塊具有彼此相鄰的多個方塊角點，且相鄰的兩方塊角點之間的距離，被定義為一基準值；立體相機可置於螢幕平整的顯示器前，其利用一左眼及一右眼影像擷取單元對校正板影像進行拍攝，以分別擷取出一左眼與一右眼影像；校正品質檢測裝置分別耦接於顯示器及立體相機，其具有相互呈資訊連結的一特徵偵測單元、一座標轉換單元及一校正評價單元；特徵偵測單元可從立體相機所擷取的影像偵測出多個方塊角點影像，並可萃取方塊角點成像於一影像座標的一左眼及一右眼成像座標；座標轉換單元可依據左眼及右眼成像座標計算一視差，並可依據視差、立體相機的內部及外部參數，將方塊角點的影像座標轉換為一世界座標；校正評價單元可計算相鄰的兩方塊角點之世界座標的差值，亦可就差值與基準值比較出一比對誤差；再者，校正評價單元亦可將矩形的多個基準影像分別投影至左眼及右眼影像，並萃取與立體相機的一主軸點最鄰近的方塊角點影像，作為一中
心基準點，再依序計算各基準影像之一基準影像角點與中心基準點之世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差。
為使 貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。
S:立體相機之校正品質的檢測方法
S10:於顯示器顯示方塊大小為已知的校正板影像
S20:立體相機進行影像擷取
S30:偵測方塊角點之特徵
S301:於時空域分析方塊角點影像穩定度
S302:分析方塊角點影像的標準差
S40:計算角塊角點視差及從影像座標轉換為世界座標
S50:將相機所萃取兩方塊角點的世界座標距離與基準值作比較，以求得一比對誤差
S60:投影多個基準影像以觀察畸變情形
S70:計算畸變誤差
FG1:方塊影像
FG2:方塊影像
FC1:方塊角點影像
FC2:方塊角點影像
XL:左眼成像座標
XR:右眼成像座標
d:視差
Pp:主軸點
Fc:中心基準點
R1:基準影像
R2:基準影像
R1C1:基準影像角點
R2C1:基準影像角點
1:立體相機之校正品質的檢測系統
10:顯示器
101:校正板影像
20:立體相機
201:左眼影像擷取單元
202:右眼影像擷取單元
30:校正品質檢測系統
301:特徵偵測單元
302:座標轉換單元
303:校正評價單元
第1圖，為本發明之系統架構圖。
第2圖，為本發明之系統實施流程圖。
第3圖，為本發明之視差計算示意圖。
第4圖，為本發明之畸變誤差計算示意圖。
第5圖，為本發明之另一實施例(一)之系統實施流程圖。
第6圖，為本發明之另一實施例(二)之系統實施流程圖。
請參閱「第1圖」，其為本發明之系統架構圖，本發明提出一種立體相機之校正品質的檢測系統1，包含一顯示器10、一立體相機20及一校正品質檢測裝置30，其中：
(1)顯示器10可顯示一校正板影像101(pattern board)，校正板影像101可具有多個以矩陣方式排列的方塊，方塊可具有彼此相鄰的多個方塊角點，且相鄰
的兩方塊角點之間的距離，被定義為一基準值(known ground truth)；
(2)立體相機20係置於螢幕平整的顯示器10前，並具有相互呈資訊連結的一左眼影像擷取單元201及一右眼影像擷取單元202，可分別對校正板影像101進行拍攝，以分別擷取出一左眼影像與一右眼影像，另，立體相機20亦可為一多目相機而具備二個以上的影像擷取單元；
(3)校正品質檢測裝置30分別耦接於顯示器10及立體相機20，以分別與顯示器10及立體相機20進行通訊與數據傳輸，其可具有相互呈資訊連結的一特徵偵測單元301、一座標轉換單元302、一校正評價單元303及一處理器(圖中未繪示)，處理器供以運行校正品質檢測裝置30且可控制上述各單元作動，並具備邏輯運算、暫存運算結果、保存執行指令位置等功能。
(4)特徵偵測單元301可從立體相機20所擷取的左眼及右眼影像偵測出多個方塊影像(FG1、FG2...)及多個方塊角點影像(FC1、FC2...)，並可萃取其中一方塊角點成像於一影像座標(image coordinate)的一左眼成像座標及一右眼成像座標，而偵測或渲染方塊影像及方塊角點影像之技術手段，並非本發明之主要特徵，於此不加以詳述，相關技術可參OpenCV開放原始碼函式庫的findChessboardCorners( )等函式所揭，惟均不以此為限；
(5)座標轉換單元302可依據左眼成像座標及右眼成像座標計算一視差，並可進一步依據視差、立體相機20的一內部參數及一外部參數，將方塊角點的影像座標轉換至一世界座標(world coordinate)，其中，內部參數可包含一焦距(focal length)、一位置偏差量(cx,cy，單位為像素，其分別表示在正x軸方向與正y軸方向中，左眼及右眼影像擷取單元(201,202)之中心相對於透鏡之光軸的偏差值)、一畸變參數(distortion coefficients)，而座標轉換過程中會需要先轉換至一相機座標(camera coordinate)，一般而言，影像座標是為了描述成像過程中物體從相機座標系到影像座標系的投影透射關係而引入，是我們真正從立體相機20內讀取到的影像所在的座標系，單位為像素(pixel)；相機座標就是以立體相機20為原點建立的座標系，為了從立體相機20的角度描述物體位置而定義，作為溝通世界座標系和影像座標系的中間環節，單位為m；世界座標為使用者定義的三維空間的座標系，是為了描述某目標物在真實世界裡的位置而被導入，單位為m；
(6)校正評價單元303可於計算相鄰的兩方塊角點之世界座標的差值後，以差值與基準值比較出一比對誤差，而比對誤差可供檢測立體相機20之內部及外部參數之準確性，藉此，可解決習知校正品質檢測方法或系統並無正解(即基準值)可供比對的問題；
(7)另，本實施例的校正評價單元303亦可將矩形的多個基準影像分別投影至左眼影像及右眼影像，並萃取與立體相機20之左眼及右眼影像擷取單元(201,202)的一主軸點(principle point，即相機光軸與成像平面的交點)最鄰近的方塊角點影像，作為一中心基準點，再依序計算各基準影像之一基準影像角點與中心基準點之世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差，依此，可針對經過校正的立體相機20，評估被立體相機20擷取的各方塊影像(FG1、FG2...)及各角點影像(FC1、FC2...)距離主軸點(中心)越遠，畸變狀況越嚴重的情形是否已被修正(即各角點影像(FC1、FC2...)彼此之間的距離是否均一致)，故藉此可判斷畸變參數校正得是否夠準確；
(8)另，本實施例的特徵偵測單元301亦可判斷方塊角點影像(FC1、FC2...)於一時空域的一變異量是否符合一位移門檻值，以判斷立體相機20是否符合一穩定狀態，若符合穩定狀態，則特徵偵測單元301亦可計算於左眼影像及右眼影像中的方塊角點影像(FC1、FC2...)的一標準差(STD)，以判斷各方塊角點影像(FC1、FC2...)的特徵點分布狀態；
(9)其中，顯示器10所顯示校正板影像101的基準值，得以顯示器10的一螢幕尺寸、一螢幕解析度及校正板影像的一方塊數量計算而得；
(10)其中，校正板影像101可為一棋盤(Chessboard)圖
案、一ArUco圖案或一ChArUco圖案之其中一種，惟並不以此為限。
請繼續參閱「第2圖」，其為本發明之系統實施流程圖，並請搭配參閱「第1圖」、「第3圖」及「第4圖」，本發明提出一種立體相機之校正品質的檢測方法S，可包括以下步驟：
(1)於顯示器顯示方塊大小為已知的校正板影像(步驟S10)：一校正品質檢測裝置30使一顯示器10顯示一校正板影像101，校正板影像101具有多個以矩陣方式排列的方塊，方塊具有彼此相鄰的多個方塊角點，且相鄰的兩方塊角點之間的距離，被校正品質檢測裝置30定義為一基準值，更具體而言，基準值可由螢幕尺寸與螢幕當下的解析度及校正板影像101的一方塊數量來求得，舉例而言，若螢幕大小為128x72公分，校正板影像101的解析度為3840x2160像素，寬度為16個方塊，高度為9個方塊，則每個方格為240x24像素，每公分的像素數量(pixel/cm)為30，也就是螢幕上的1公分就顯示了30個像素，進而可求得每個方格的基準值(正解)為8x8公分；
(2)立體相機進行影像擷取(步驟S20)：置於螢幕平整的顯示器10前的一立體相機20，分別以一左眼影像擷取單元201及一右眼影像擷取單元202對校正板影像101進行拍攝，以分別擷取出一左眼影像與一右眼影像；
(3)偵測方塊角點之特徵(步驟S30)：校正品質檢測裝置30的一特徵偵測單元301分別從左眼影像及右眼影像偵測出多個方塊影像(FG1、FG2...)及多個方塊角點影像(FC1、FC2...)；
(4)計算角塊角點視差及從影像座標轉換為世界座標(步驟S40)：校正品質檢測裝置30的一座標轉換單元302分別從左眼影像與右眼影像，萃取其中一方塊角點(如目標點P)分別被左眼及右眼影像擷取單元(201,202)觀視後，成像於一影像座標的一左眼成像座標XL及一右眼成像座標XR，並依據左眼成像座標XL及右眼成像座標XR的差值計算出一視差d，即計算目標點P成像於左眼及右眼影像的橫向座標的差值，從而實現了雙目測距的原理，即如「第3圖」所示；
(5)承上，座標轉換單元302計算出視差d後，再依據視差d、立體相機20的一內部參數及一外部參數，將方塊角點的影像座標轉換為一世界座標(XW,YW,ZW)，再對相鄰於被萃取的方塊角點的另一方塊角點，重複執行步驟S40以計算另一方塊角點的世界座標，其中，本步驟S40於求得世界座標時，得以下述公式進行演算，並且，下述公式的b為「第3圖」之左眼與右眼鏡心(OL、OR)之中心距離差，
表示方塊角點(例如目標點P)於影像座標系下的點座標，d為視差，XW、YW、ZW則分別表示方塊角點於世界座標系下的點座標，相關推導原
理亦可參見OpenCV API Reference於「Camera Calibration and 3D Reconstruction」所公開的教程文件，惟以下公式及OpenCV相關技術僅為舉例，並不以此為限，特先陳明：
(6)另，執行步驟S40所需的內部參數可包含一焦距、一位置偏差量(cx,cy)、一畸變參數等參數；
(7)將相機所萃取兩方塊角點的世界座標距離與基準值作比較，以求得一比對誤差(步驟S50)：校正品質檢測裝置30的一校正評價單元303計算相鄰的兩方塊角點之世界座標的差值，再以差值與基準值比較出一比對誤差，比對誤差可供檢測立體相機20之內部參數及外部參數之準確性，藉此，可解決習知校正品質檢測方法或系統並無正解(即基準值)可供比對的問題。
(8)承上，本實施例的檢測方法S更可接續執行以下步驟：
(9)投影多個基準影像以觀察畸變情形(步驟S60)：校正評價單元303將矩形的多個基準影像(R1、R2、...)分別投影至左眼影像及右眼影像，並萃取與立體相機20的
一主軸點Pp(principle point)最鄰近的方塊角點影像，作為一中心基準點Fc，即如「第4圖」所示，且由第4圖可知，本實施例的基準影像(R1、R2、...)以四個邊均等長的矩形狀呈現為佳，且各基準影像(R1、R2、...)均以相同的間距間隔排列為佳；
(10)計算畸變誤差(步驟S70)：校正評價單元303依序計算各基準影像(R1、R2、...)之一基準影像角點(R1C1、R2C1...)與中心基準點Fc之世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差(distortion error)，並判斷畸變誤差是否符合一畸變閾值，若未符合，重新進行一影像校正動作，依此，可針對經過校正的立體相機20，評估被立體相機20擷取的各方塊影像(FG1、FG2...)及各角點影像(FC1、FC2...)距離主軸點(中心)越遠，畸變越嚴重的情形是否已被修正(即各角點影像(FC1、FC2...)彼此之間的距離是否均一致)，故藉此可判斷畸變參數校正得是否夠準確，而畸變主要可分為徑向畸變(Radial Distortion)和切向畸變(tangent distortion)，其中，徑向畸變又可分為Pincushion及Barrel畸變，於此不再贅述。
請參閱「第5圖」，其為本發明之另一實施例(一)之系統實施流程圖，並請搭配參閱「第1圖」，本實施例與「第2圖」之技術類同，主要差異在於，由於立體相機20可於步驟S20以一致角度擷取多張影像，故當步驟S30執行
完畢，並於執行步驟S40前，可先執行步驟S301(於時空域分析方塊角點影像穩定度)：特徵偵測單元301判斷方塊角點影像(FC1、FC2...)於一時空域的一變異量是否符合一位移門檻值，若有符合，則判斷立體相機20為一穩定狀態(stability)，並可接續執行步驟S40；反之，若未符合位移門檻值，也就是判斷方塊角點影像(FC1、FC2...)的影像座標會因跳動而不一致；藉此，本實施例據以實施後，可預先測試立體相機20所擷取的影像是否模糊，如果影像模糊則毋須接續執行步驟S40，而應先修正影像穩定度不佳的問題。
請參閱「第6圖」，其為本發明之另一實施例(二)之系統實施流程圖，並請搭配參閱「第1圖」，本實施例與「第5圖」之技術類同，主要差異在於，當步驟S301的分析結果為符合，即判斷立體相機20為穩定狀態時，可接續執行步驟S302(分析方塊角點影像的標準差)：特徵偵測單元301計算於左眼影像及右眼影像中的方塊角點影像的一標準差(Standard Deviation)，以判斷各方塊角點影像的特徵點分布狀態，若標準差低於一標準差閾值，則判斷左眼影像及右眼影像的特徵點分布狀態較為均勻，並可接續執行步驟S40。
綜上可知，本發明據以實施後，至少可達成同時檢驗立體相機之內外部參數與畸變參數之準確性、可讓立
體相機校正品質之檢測結果更臻準確的有益功效，並且，即便在檢測空間有限的情況下(如產線)，仍然得以本發明之解決方案進行校正品質的檢測，再者，由於本發明的校正板影像係由螢幕平整的顯示器予以顯示，故在光源均勻、校正板影像可控的情況下，作出的校正品質檢測結果將更為準確。
以上所述者，僅為本發明之較佳之實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
綜上所述，本發明係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。
S:立體相機之校正品質的檢測方法
S10:於顯示器顯示方塊大小為已知的校正板影像
S20:立體相機進行影像擷取
S30:偵測方塊角點之特徵
S40:計算角塊角點視差及從影像座標轉換為世界座標
S50:將相機所萃取兩方塊角點的世界座標距離與基準值作比較，以求得一比對誤差
S60:投影多個基準影像以觀察畸變情形
S70:計算畸變誤差
Claims (6)
- 一種立體相機之校正品質的檢測方法，包含：(A)一顯示器顯示一校正板影像，該校正板影像具有多個以矩陣方式排列的方塊，該方塊具有彼此相鄰的多個方塊角點，且相鄰的兩該方塊角點之間的距離，被定義為一基準值；(B)置於該顯示器前的一立體相機對該校正板影像進行拍攝，以分別擷取出一左眼影像與一右眼影像；(C)分別從該左眼影像及該右眼影像偵測出多個方塊角點影像，判斷該方塊角點影像於一時空域的一變異量是否符合一位移門檻值，若有則判斷該立體相機為一穩定狀態，並先計算於該左眼影像及該右眼影像中的該方塊角點影像的一標準差，以判斷各該方塊角點影像的特徵點分布狀態，若該標準差低於一標準差閾值，則判斷該左眼影像及該右眼影像的特徵點分布狀態較為均勻；(D)分別從該左眼影像與該右眼影像，萃取其中一該方塊角點成像於一影像座標的一左眼成像座標及一右眼成像座標，並依據該左眼成像座標及該右眼成像座標計算一視差；(E)依據該視差、該立體相機的一內部參數及一外部參數，將其中一該方塊角點的該影像座標轉換為一世界座標；(F)將相鄰於被萃取該方塊角點的另一該方塊角點，重複執行該步驟(D)~該步驟(E)以計算另一該方塊角點的該世界座標；以及 (G)計算相鄰的兩該方塊角點之該世界座標的差值，再以該差值與該基準值比較出一比對誤差，該比對誤差可供檢測該立體相機之該內部參數及該外部參數之準確性。
- 如請求項1的立體相機之校正品質的檢測方法，其中，該(G)步驟執行完畢後，接續執行以下步驟：(H)將矩形的多個基準影像分別投影至該左眼影像及該右眼影像，並萃取與該立體相機的一主軸點最鄰近的該方塊角點影像，作為一中心基準點；(I)依序計算各該基準影像之一基準影像角點與該中心基準點之該世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差，並判斷該畸變誤差是否符合一畸變閾值，若未符合，重新進行一影像校正動作。
- 如請求項1的立體相機之校正品質的檢測方法，其中，於該(A)步驟定義該基準值時，係以該顯示器的一螢幕尺寸、一螢幕解析度及該校正板影像的一方塊數量計算而得。
- 一種立體相機之校正品質的檢測系統，包含：一顯示器，供以顯示一校正板影像，該校正板影像具有多個以矩陣方式排列的方塊，該方塊具有彼此相鄰的多個方塊角點，且相鄰的兩該方塊角點之間的距離，被定義為一基準值； 一立體相機，置於螢幕平整的該顯示器前，供以利用一左眼影像擷取單元和一右眼影像擷取單元對該校正板影像進行拍攝，以分別擷取出一左眼影像與一右眼影像；一校正品質檢測裝置，分別耦接於該顯示器及該立體相機，該校正品質檢測裝置具有相互呈資訊連結的一特徵偵測單元、一座標轉換單元及一校正評價單元；該特徵偵測單元供以從該立體相機所擷取的影像偵測出多個方塊角點影像，並可萃取該方塊角點成像於一影像座標的一左眼成像座標及一右眼成像座標，該特徵偵測單元亦供以判斷該方塊角點影像於一時空域的一變異量是否符合一位移門檻值，以判斷該立體相機是否符合一穩定狀態，若該立體相機符合該穩定狀態，則計算於該左眼影像及該右眼影像中的該方塊角點影像的一標準差，以判斷各該方塊角點影像的特徵點分布狀態；該座標轉換單元供以依據該左眼成像座標及該右眼成像座標計算一視差，並依據該視差、該立體相機的一內部參數及一外部參數，將該方塊角點的該影像座標轉換為一世界座標；以及該校正評價單元供以計算相鄰的兩該方塊角點之該世界座標的差值，亦供以該差值與該基準值比較出一比對誤差，該比對誤差供檢測該立體相機之該內部參數及該外部參數之準確性。
- 如請求項4的立體相機之校正品質的檢測系統，其中，該校正評價單元亦供將矩形的多個基準影像分別投影至該左眼影像及該右眼影像，並萃取與該立體相機的一主軸點最鄰近的該方塊角點影像，作為一中心基準點， 再依序計算各該基準影像之一基準影像角點與該中心基準點之該世界座標的差值，以分別記錄為一畸變誤差。
- 如請求項4的立體相機之校正品質的檢測系統，其中，該顯示器之該校正板影像的該基準值，係以該顯示器的一螢幕尺寸、一螢幕解析度及該校正板影像的一方塊數量計算而得。
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