專利名稱：三維掃描系統(tǒng)中的多個攝像機同步快速標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺系統(tǒng)中的攝像機模型參數(shù)的標定問題，尤其涉及一種三維掃描系統(tǒng)中的基于立體標定物的多個攝像機參數(shù)的同步快速標定方法。

背景技術(shù)：
計算機視覺的基本任務之一，是從攝像機拍攝得到的圖像出發(fā)，計算視場中物體的三維信息，由此來對三維物體進行重建和識別。物體表面點的三維幾何信息與其在圖像上的對應點之間的相互關(guān)系是由攝像機的成像模型決定的，建立這一幾何模型的過程實際上就是攝像機參數(shù)的求解過程。因此，對攝像機參數(shù)的標定是這一建模過程的前提和關(guān)鍵。對攝像機參數(shù)的求解過程稱為攝像機標定。
文獻“Image Processing，Analysis，and Machine Vision”(M.Sonka，V.Hlavac，R.Boyle，International Thomson Publishing，1998)中闡述了一種較為通用的攝像機成像模型，該成像模型可以用以下公式來描述 其中，Xw，Yw，Zw是標定物的世界坐標系坐標，u，v是在以像素為單位的圖像坐標系中的二維坐標，其中圖像坐標系的橫坐標軸和縱坐標軸分別稱為u軸和v軸，λ為一標量，R，T為攝像機的外部參數(shù)矩陣，分別定義了世界坐標系的原點相對于攝像機坐標系的三維空間的姿態(tài)和位置，為攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣，其中fx，fy分別表示u軸和v軸的尺度因子，又稱有效焦距，s表示u軸和v軸軸間不垂直因子，(u0，v0)表示以像素為單位的圖像的主點坐標，也稱光學中心。攝像機標定就是計算攝像機模型參數(shù)的過程。
攝像機標定技術(shù)大致可以分成兩類傳統(tǒng)的標定方法和攝像機自標定方法。近年來，攝像機的自標定算法取得了很大的進展，已發(fā)表了相當數(shù)量的文獻，其中一些算法獲得了較為廣泛的應用。但是由于自標定算法相比于傳統(tǒng)標定算法精度要差，不適合諸如三維掃描等對檢測精度要求非常高的場合。
攝像機傳統(tǒng)標定方法精度要高于自動標定方法，所以在較精密的三維信息獲取系統(tǒng)中得到了大量使用。傳統(tǒng)標定方法所使用的標定物主要有兩類，一是平面模板，二是三維立體標定塊，常見的平面標定模板的設置方法是在平面模板上設置一些可以方便檢測的標志點，如交叉點或者圓形，通過提取圖像中標志點信息，得到空間平面模板與計算機圖像中的標志點的數(shù)據(jù)匹配關(guān)系，進而求解攝像機的參數(shù)。文獻“A flexible new technique for camera calibration”(Zhang Z Y.IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22(11)1330-1334)中公開了一種利用平面模板上標志點的對應關(guān)系以及攝像機內(nèi)部參數(shù)的約束條件來求解攝像機參數(shù)的標定方法。該方法并不需要知道標準參照物的尺寸，僅僅利用平面模板上的特征點的對應關(guān)系，將平面模板在攝像機前任意轉(zhuǎn)動兩次或兩次以上即可完成標定，無需了解模板的運動參數(shù)，使得標定過程變得更加容易方便。這種方法在應用于多個攝像機參數(shù)的同步快速標定時的缺點是需要多次人工干預，即手動的將平面標定模板旋轉(zhuǎn)一定角度拍攝多幅圖像，并且攝像機只有在一定角度下方可看見平面模板上的標志點，當攝像機光軸與平面模板夾角過小時，其上的標志點將無法在攝像機平面上準確顯示，導致無法實現(xiàn)多個攝像機參數(shù)的同步快速標定。另一種常見的標定物是三維立體標定塊，常見的三維標定塊，制作復雜，制造要求精度高，并且一般只可觀察到標定塊上三個平面的表面信息。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種三維掃描系統(tǒng)中的基于立體標定物的多個攝像機同步快速的標定方法，本發(fā)明具有標定精度高，可以實現(xiàn)空間中分布的多個攝像機的同步標定，具有標定過程簡單、標定的復雜度小，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，本發(fā)明可以用于標定單臺攝像機參數(shù)，以及空間中所有的攝像機坐標系的統(tǒng)一。
本發(fā)明是一種三維掃描系統(tǒng)中的基于立體標定物的多個攝像機同步快速的標定方法，所述的多個攝像機包括兩個以及兩個以上的更多攝像機，具體攝像機數(shù)目依據(jù)三維掃描系統(tǒng)的具體要求來設置，多個攝像機的參數(shù)的標定包括單臺攝像機參數(shù)的標定以及多臺攝像機坐標系的統(tǒng)一，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 首先設置一正四棱臺立體標定物，八個標定球位于四棱臺的頂點，并在上平面、下平面各選擇兩個基準標定球，攝像機拍攝標定物，用雙閾值分割方法分別獲取上下平面所對應的圓，并提取圓心，得到圖像中的圓心與空間中標定球球心之間的對應關(guān)系，提取標定物中三個平面所對應的圖像中的圓心點，建立三組對應關(guān)系，求解單應性矩陣獲得內(nèi)部參數(shù)矩陣以及外部參數(shù)矩陣的初始值，然后采用非線性優(yōu)化方法求解單臺攝像機參數(shù)的最優(yōu)解，然后求取多臺攝像機與空間中某一攝像機之間的外部參數(shù)矩陣，并采用非線性優(yōu)化方法求解兩攝像機之間的外部參數(shù)矩陣的最優(yōu)解，依次完成空間中所有的攝像機坐標系的統(tǒng)一。
本發(fā)明方法包括下列操作步驟 第1步用攝像機參數(shù)標定方法對多攝像機系統(tǒng)中的攝像機進行逐臺參數(shù)標定，得到各臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及畸變系數(shù)，其中內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，內(nèi)部參數(shù)矩陣包括光學中心、有效焦距、軸間不垂直因子，外部參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，以及平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，所述單臺攝像機參數(shù)標定方法的具體步驟為 第1.1步設置立體標定物，該設置方法為在空間設置八個標定球，以八個標定球球心為頂點在空間中組成一個正四棱臺，四棱臺的上平面中的四個標定球的顏色為白色，下平面中的四個標定球的顏色為灰黑色，選定四棱臺的上平面中兩個相鄰標定球為上平面第一、第二基準標定球，上平面第一基準標定球的半徑大于上平面第二基準標定球的半徑，上平面第二基準標定球的半徑大于上平面中的其余兩個標定球的半徑，與上平面相對應的下平面的四個標定球采用相同的設置方法，測得四棱臺中六個表面中每兩個相鄰表面之間的角度信息，以及八條邊上每兩個相鄰標定球球心之間的距離， 第1.2步將立體標定物置入多攝像機視場中，調(diào)整標定物的空間位置，使計算機圖像中能被分割、提取出超過六個標定球所對應的圓形，每個攝像機獲取一幅標定物的圖像，對攝像機所拍攝到的圖像進行數(shù)據(jù)處理，得到計算機圖像中的圓形標志點與標定球之間的數(shù)據(jù)匹配關(guān)系，對圖像進行數(shù)據(jù)處理方法為 建立以像素點為單位的計算機圖像坐標系(u，v)，坐標系的原點位于圖像的左下方，橫、縱坐標軸分別為u軸和v軸，對圖像進行濾波，以及閾值分割，閾值分割采用雙閾值分割方法，獲取一高閾值和一低閾值，用高閾值來分割圖像獲得標定物的上平面中四個球所對應的圓，通過邊界提取、輪廓跟蹤、圓邊界擬合及中心提取，獲得圓心點的精確位置以及圓半徑的大小，半徑最大的圓為上平面第一基準標定球在圖像中的第一基準圓，其序號為1，半徑次之的為第二基準圓，其序號為2，第一基準圓圓心點與其余三個圓心點連線組成三條直線，設第一基準圓心點與第二基準圓心點的連線為基準直線，比較基準直線與其余兩條直線的夾角的大小，夾角較小的直線上的圓序號為3，夾角較大的直線上的圓序號為4，提取圖像中灰度值介于低閾值與高閾值之間的部分，獲得標定物的下平面中四個球所對應的圓，采用與高閾值分割時相同的處理方法，得到標定物下平面中的四個標定球所對應的圓的序號， 第1.3步在圖像中選取三組圓心，每組有四個圓心組成，每組圓心所對應的標定球的球心在同一個平面上，三組圓心的選取方法為第一組選取高閾值時分割出的圖像中上平面標定球?qū)乃膫€圓，第二組和第三組的選取方法為依據(jù)上、下平面中的標定球在圖像中的圓心點的序號關(guān)系，在圖像中下平面標定球所對應的圓中任意選擇兩個，在圖像中上平面標定球所對應的四個圓中選擇相同序號的兩個，在三組圓心對應的標定物的三個平面上建立三個世界坐標系，選擇上平面為基準平面，在基準平面上建立第一世界坐標系(O1-X1Y1Z1)，第一世界坐標系的原點O1為上平面第一基準標定球的球心，上平面第一基準標定球球心與上平面第二基準標定球球心的連線方向為坐標系的O1X1軸，上平面第一基準標定球球心與上平面另外一個相鄰標定球球心連線方向為坐標系的O1Y1軸，O1Z1軸垂直于標定物上平面且指向標定物外部方向，另外兩個平面的世界坐標系的設置方法為選擇該平面上的一個標定球的球心為坐標系的原點，該平面上的過坐標系原點的一條邊為坐標系的X軸，在該平面上的經(jīng)過坐標系原點做與坐標系的X軸相互垂直的直線，為該坐標系的Y軸，Z軸垂直于標定物上該平面且指向標定物外部方向，所選取的標定物三個平面中的每一個平面上的四個標定球的球心點坐標對應著計算機圖像中的四個圓形的圓心點坐標，從而建立三組對應關(guān)系，求解單應性矩陣，然后依據(jù)單應性矩陣求取單臺攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai以及攝像機與第一世界坐標系之間的組成外部參數(shù)矩陣的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)和平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，并求取畸變系數(shù)， 第1.4步求取標定物上的八個標定球的球心在第一世界坐標系下的坐標，建立利用優(yōu)化目標函數(shù)對單臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣、外部參數(shù)矩陣以及畸變系數(shù)進行優(yōu)化，所述的優(yōu)化目標函數(shù)為
其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，

是第一世界坐標系下某球心點Mj通過攝像機成像模型在計算機圖像上的投影點坐標，mj為該標定球在計算機圖像中所對應的圓的圓心坐標。待優(yōu)化的參數(shù)包括內(nèi)參數(shù)矩陣Ai，畸變系數(shù)矩陣kpi＝[k1，k2，p1，p2]T，攝像機與第一世界坐標系之間的外部參數(shù)矩陣Ri，Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)， 采用非線性優(yōu)化方法求解單個攝像機的精確的內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)以及畸變系數(shù)的最優(yōu)解， 第2步多臺攝像機坐標系的統(tǒng)一，選擇多臺攝像機中的第一臺為基準攝像機，其余攝像機為一般攝像機，求取一般攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)；平移參數(shù)矩陣T1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，其實現(xiàn)的具體步驟為 第2.1步獲取空間中攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R1i和平移參數(shù)T1i的初始值， T1i＝T1-R1×Ti 其中R1、T1為基準攝像機與標定物基準平面之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣，Ri、Ti，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，為除基準攝像機外其他攝像機與標定物基準平面之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣， 第2.2步利用雙目立體視覺極線幾何約束關(guān)系，獲得一般攝像機所拍攝的圖像中的圓心點在基準攝像機圖像中的極線，該極線理想情況下通過基準攝像機圖像中的圓心點，這個圓心點與一般攝像機圖像中的圓心點相對應，建立如下優(yōu)化目標函數(shù) 其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，u1ij、v1ij表示與第i臺攝像機圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機圖像中第j個圓的圓心點的橫坐標和縱坐標，l1ij表示與第i臺攝像機圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機中的極線，l1ij(u1ij)表示極線l1ij上對應于橫坐標u1ij的縱坐標， 采用非線性優(yōu)化方法，求解優(yōu)化目標函數(shù)，獲得一般攝像機與基準攝像機之間外部參數(shù)矩陣的最優(yōu)參數(shù)解。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點 (1)本發(fā)明中采用立體標定球作為標定物上的特征標志點，具有圖像中標志點位置提取準確的優(yōu)點，且制作簡單、易固定、準確，在標定過程中自動建立空間坐標系，自動獲取和處理圖像中的特征標志點，自動化程度高，使應用更加穩(wěn)定可靠。
(2)與常見的立體標定物相比，本發(fā)明所采用的標定物，可獲取的平面超過三個，為標定過程提供了更多的可供使用的平面。
(3)在進行多個攝像機同步快速標定時，本發(fā)明只需將標定物置于空間中，攝像機拍攝一次即可完成參數(shù)標定，簡化了標定過程，減少了人為干預所引入的誤差。
(4)本發(fā)明比較完整地標定了單個攝像機的內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)，包括光學中心、有效焦距、軸間不垂直因子、旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣及平移參數(shù)矩陣、畸變系數(shù)。
(5)采用非線性優(yōu)化方法求解單臺攝像機參數(shù)的最優(yōu)解時立體標定物上的全部球心點均參與到求解過程中，提高了數(shù)據(jù)利用率，使得結(jié)果保持較高的精度。
(6)本發(fā)明完成了攝像機坐標系的統(tǒng)一，并且利用極線幾何約束，建立了優(yōu)化目標函數(shù)，采用非線性優(yōu)化的方法求解兩兩攝像機之間的外部參數(shù)矩陣，使得結(jié)果更加精確。



圖1是立體標定物的結(jié)構(gòu)示意圖，其中標定物上平面的邊長小于標定物下平面的邊長，標定球之間通過橫桿相連，1、2、3、4分別表示上、下平面的第一基準標定球、第二基準標定球以及第三、四標定球。
圖2是立體標定物的三視圖，A為俯視圖，B為左側(cè)視圖，C為前視圖，D為主視圖。
圖3是多攝像機標定系統(tǒng)圖，a，b，c，d，e，f代表了六個攝像機，B為背景，為一塊黑布。
圖4是以像素點為單位的計算機圖像坐標系圖。
圖5是圖像的灰度直方圖，t1為通過雙閾值分割方法獲得的低閾值，t2為通過雙閾值分割方法獲得的高閾值。
圖6是圖像中圓序號的關(guān)系圖。
圖7是圖像處理流程圖。
圖8是空間坐標系的設置圖，分別建立了三個坐標系(O1-X1Y1Z1)，(O2-X2Y2Z2)，(O3-X3Y3Z3)。
圖9是攝像機參數(shù)的初始值的獲取流程圖。
圖10是單臺攝像機參數(shù)標定流程圖。
圖11是雙目立體視覺極線幾何約束關(guān)系圖，其中p代表空間中的一個球心點，表示基準攝像機成像平面，Ii表示第i臺攝像機成像平面，表示基準攝像機光心，Ci表示第i臺攝像機的光心，π為極平面，C1與Ci之間的連線為基線，p C1與I1交于p1為空間中p點在基準攝像機成像平面上所成的像，p Ci與Ii交于pij為空間中p點在一般攝像機成像平面上所成的像，pij對應著I1成像平面上的極線l1ij，對應關(guān)系由虛線表示。
圖12是多臺攝像機坐標系統(tǒng)一流程圖。
圖13是多攝像機同步快速標定系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖。

具體實施例方式 一種用于求取三維掃描系統(tǒng)中多個攝像機參數(shù)的同步快速標定方法，包括立體標定物的設置，拍攝立體標定物，結(jié)合針孔透視模型，求解單應性矩陣，求取單臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣、外部參數(shù)矩陣以及畸變系數(shù)的初始值，并采用非線性優(yōu)化的方法求解單臺攝像機參數(shù)的最優(yōu)解，將空間中多臺攝像機的坐標系統(tǒng)一到同一個攝像機坐標系下，并利用極線幾何約束關(guān)系求取兩兩攝像機之間旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣和平移參數(shù)矩陣的最優(yōu)解。
下面參照附圖，對本發(fā)明具體實施方案做出更為詳細的描述 (1)空間立體標定物的設置 在空間設置八個標定球，以八個標定球球心為頂點在空間中組成一個正四棱臺，如圖2所示，相鄰標定球之間用橫桿相連，考慮到在一個球上同時連接三根延長線交于球心的橫桿較為困難，一種解決辦法如圖1所示，即一個球只連接一根橫桿，再用橫桿連接橫桿，四棱臺的上平面中的四個標定球的顏色為白色，下平面中的四個標定球的顏色為灰黑色，使得上、下平面標定球的顏色的深度不同，并使得這種區(qū)分在攝像機所成圖像中是容易區(qū)分的，橫桿顏色為黑色。選定四棱臺的上平面中兩個相鄰標定球為上平面第一、第二基準標定球，上平面第一基準標定球的半徑大于上平面第二基準標定球的半徑，上平面第二基準標定球的半徑大于上平面中的其余兩個標定球的半徑，與上平面相對應的下平面的四個標定球采用相同的設置方法，設定與上平面第一基準標定球處于同一棱邊上的下平面中的標定球為下平面第一基準標定球，設定與上平面第二基準標定球處于同一棱邊上的下平面中的標定球為下平面第二基準標定球，且下平面第一基準標定球的半徑大于下平面第二基準標定球的半徑，下平面第二基準標定球的半徑大于下平面中的其余兩個標定球的半徑。測得四棱臺中六個表面中每兩個相鄰表面之間的角度信息，以及八條邊上每兩個相鄰標定球球心之間的距離，測量的一種方法為通過已知的標定球的半徑以及連桿的長度，采用空間立體幾何的知識來求取，這種方法對標定物的設置要求較高，測量的另一種方法是使用兩臺已經(jīng)精確標定的攝像機，采用雙目視覺原理，通過兩臺攝像機轉(zhuǎn)換出標定物的空間立體信息，確定標定物上標定球的球心位置，檢驗標定物的設置精度并求取相應的位置和角度信息。
(2)用攝像機參數(shù)標定方法對多攝像機系統(tǒng)中的攝像機進行逐臺參數(shù)標定，得到各臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及畸變系數(shù)，其中內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，內(nèi)部參數(shù)矩陣包括光學中心、有效焦距、軸間不垂直因子，外部參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，以及平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，所述單臺攝像機參數(shù)標定方法的具體步驟為 第2.1步將立體標定物置入多攝像機視場中，為了方便圖像處理，標定物所置入的背景為一黑布，如圖3所示，其中的多個攝像機包括兩個以及兩個以上的更多個攝像機，具體攝像機數(shù)目依據(jù)三維掃描系統(tǒng)的具體要求來設置，圖3即給出了一個由六個攝像機組成的實例。調(diào)整標定物的空間位置，使計算機圖像中能被分割、提取出超過六個標定球所對應的圓形，通過拍攝，每個攝像機獲取一幅標定物的圖像，對攝像機所拍攝到的圖像進行數(shù)據(jù)處理，得到以像素點為單位的計算機圖像中的圓形標志點與標定球之間的數(shù)據(jù)匹配關(guān)系，對圖像進行數(shù)據(jù)處理方法為 如圖4所示，建立以像素點為單位的計算機圖像坐標系(u，v)，坐標系的原點位于圖像的左下方，橫、縱坐標軸分別為u軸和v軸，對圖像進行濾波，去除干擾噪聲，再對圖像進行閾值分割，閾值分割采用雙閾值分割方法，所采用的雙閾值分割方法的實現(xiàn)方法為首先獲取圖像的灰度直方圖，由于圖像中的三種主要顏色為白色、灰黑色以及黑色，這三種顏色在灰度直方圖中形成三個波峰、兩個波谷，如圖5所示，由于圖像中標定物所占的像素點數(shù)遠小于背景所占的像素點數(shù)，所以采用常見的迭代法可以首先獲取標定物與背景之間的分隔閾值t1，采用該閾值可以將圖像中的背景與標定物分割出來，該閾值即為雙閾值分割方法中的低閾值，然后在低閾值與圖像像素點的最大灰度值之間再次采用迭代法來獲取另外一個閾值，該閾值介于圖像中標定物上平面中的標定球所成圓形的灰度值與圖像中下平面的標定球所成圓形的灰度值之間，為雙閾值分割方法中的高閾值t2。其中迭代法的實現(xiàn)步驟為 首先，求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，令初始閾值S0＝(Zmin+Zmax)/2；進而根據(jù)閾值Sk，Sk初始值為S0，k的大小等于迭代次數(shù)，將圖像分割為前景和背景，分別求出前景和背景的平均灰度值Zo和Zb；求出新閾值Sk+1＝(Zo+Zb)/2；如果Sk＝Sk+1，則所得Sk即為閾值；否則根據(jù)閾值Sk+1將圖像再次分割為前景和背景，迭代計算。
通過上述方法獲得圖像的高閾值和圖像的低閾值，用高閾值來分割圖像獲得標定物的上平面中四個球所對應的圓，通過邊界提取、輪廓跟蹤、圓邊界擬合及中心提取，獲得圓心點的精確位置以及圓半徑的大小，如圖6所示，半徑最大的圓為上平面第一基準標定球在圖像中的第一基準圓，其序號為1，半徑次之的為第二基準圓，其序號為2，第一基準圓圓心點與其余三個圓心點連線組成三條直線，設第一基準圓心點與第二基準圓心點的連線為基準直線，比較基準直線與其余兩條直線夾角的大小，夾角較小的直線上的圓序號為3，夾角較大的直線上的圓序號為4，提取圖像中灰度值介于低閾值與高閾值之間的部分，獲得標定物的下平面中四個球所對應的圓，采用與高閾值分割時相同的處理方法，得到標定物下平面中的四個圓的序號，如果圖像中上平面中的標定球?qū)⑾缕矫嬷械囊粋€標定球遮擋住，即圖像中只能獲取下平面標定球所對應的三個圓形，此時確定圖像中下平面標定球所對應的三個圓的序號的方法為首先提取圖像中下平面標定球所對應的三個圓形，分別求得這三個圓形的半徑和圓心坐標，尋找到半徑最大的圓，求得該圓的圓心點與其余兩個圓的圓心點的連線的斜率以及兩連線之間的夾角關(guān)系，作為待匹配關(guān)系。由于圖像中上平面中的標定球所對應的圓形的序號已經(jīng)確立，從圖像中上平面標定球所對應的四個圓中選擇出三個圓，共可得到四組圓，如圖6所示，這四組圓是第一組包括序號為1、2、3的圓，第二組包括序號為1、3、4的圓，第三組包括序號為1、2、4的圓，第四組包括序號為2、3、4的圓。分別求出第一組中序號為1的圓的圓心點與序號為2、3的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第二組序號為1的圓的圓心點與序號為3、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第三組中序號為1的圓的圓心點與序號為2、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第四組中序號為2的圓的圓心點與序號為3、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，共得到四組關(guān)系，從這四組關(guān)系中選擇一組與待匹配關(guān)系斜率以及夾角的大小最接近的一組，作為參考關(guān)系，由于標定物的上平面平行于下平面，且標定物上、下平面相對應的邊相互平行，這種平行關(guān)系在計算機圖像中為斜率相近的兩條線。待匹配關(guān)系中半徑最大的圓與參考關(guān)系中半徑最大的圓的序號一致，待匹配關(guān)系中其余兩個圓的序號的確立方法為待匹配關(guān)系中半徑最大的圓形與其余兩個圓形組成兩條連線，對于每一條連線從參考關(guān)系中尋找與之斜率相近的連線，待匹配關(guān)系中該連線上的圓形的序號與參考關(guān)系中與之斜率相近的連線上的圓形的序號一致。
圖像處理流程圖如圖7。
第2.2步在圖像中選取三組圓心，每組有四個圓心組成，每組圓心所對應的標定球的球心在同一個平面上，三組圓心的選取方法為第一組選取高閾值時分割出的圖像中上平面標定球?qū)乃膫€圓，第二組和第三組的選取方法為依據(jù)上、下平面中的標定球在圖像中的圓心點的序號關(guān)系，在圖像中下平面標定球所對應的圓中任意選擇兩個，在圖像中上平面標定球所對應的四個圓中選擇相同序號的兩個，例如圖像中下平面標定球?qū)獔A形選擇序號為1、2的圓，則圖像中上平面標定球?qū)獔A形亦選擇序號為1、2的圓，這四個圓的圓心所對應的標定球的球心即位于同一個平面上。在三組圓心對應的標定物的三個平面上建立三個世界坐標系，選擇上平面為基準平面，在基準平面上建立第一世界坐標系(O1-X1Y1Z1)，第一世界坐標系的原點O1為上平面第一基準標定球的球心，上平面第一基準標定球球心與上平面第二基準標定球球心的連線方向為坐標系的O1X1軸，上平面第一基準標定球球心與上平面另外一個相鄰標定球球心連線方向為坐標系的O1Y1軸，O1Z1軸垂直于標定物上平面且指向標定物外部方向，另外兩個平面的世界坐標系的設置方法為選擇該平面上的一個標定球的球心為坐標系的原點，該平面上的過坐標系原點的一條邊為坐標系的X軸，在該平面上的經(jīng)過坐標系原點做與坐標系的X軸相互垂直的直線，為該坐標系的Y軸，Z軸垂直于標定物上該平面且指向標定物外部方向，如圖8所示，選取了標定物的三組平面，并分別在其上建立了三個世界坐標系為(O1-X1Y1Z1)，(O2-X2Y2Z2)，(O3-X3Y3Z3)。通過已求得的標定物上球心之間的位置關(guān)系，可以求出在標定物同一世界坐標系下標定球的球心的世界坐標系坐標。所選取的標定物三個平面中的每一個平面上的四個標定球的球心點坐標對應著計算機圖像中的四個圓形的圓心點坐標，從而建立三組對應關(guān)系，使用在文獻“A flexible new technique forcamera calibration”(Zhang Z Y.IEEE Transaction on Pattern Analysis and MachineIntelligence，2000，22(11)1330-1334)中公開的求解攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣和外部參數(shù)矩陣初始值方法，利用已知的三組關(guān)系求解單應性矩陣，然后依據(jù)單應性矩陣求取單臺攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai以及攝像機與第一世界坐標系之間的組成外部參數(shù)矩陣的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri和平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，并求取畸變系數(shù)，所求取的攝像機內(nèi)部參數(shù)以及攝像機與第一世界坐標系之間的外部參數(shù)以及畸變系數(shù)作為下一步優(yōu)化目標函數(shù)的初始值。
攝像機參數(shù)的初始值的求取方法為 令世界坐標系的Zw分量為0，則理想針孔透視模型可表示為
其中


H＝λA[r1 r2 T]＝[h1 h2 h3]，ri(i＝1～3)和hi(i＝1～3)表示旋轉(zhuǎn)矩陣R和矩陣H的列向量，矩陣A為內(nèi)參數(shù)矩陣，w，λ為標量； H矩陣稱為單應性矩陣，它表示了標定模板平面與圖像平面之間的單應性，自由度是8，因此需要至少4個非共線對應點，才可以求出H矩陣。H矩陣的求解是一個非線性最小二乘問題，可以用Levenberg-Marquardt法進行非線性優(yōu)化來解決。用非線性優(yōu)化方法求解需要有一個合適的初始值來迭代，初始值獲得方法如下 假設hi表示矩陣H的第i個行向量，可將攝像機理想針孔透視模型改寫成
令從而將上式表示為
如果有n對給定的點，能得到n個上述的方程組，聯(lián)立這n個方程組，就能得到一個形如LX＝0的矩陣方程，其中L是一個2n×9的矩陣，X的解是矩陣LTL的最小特征值對應的特征向量。實際求解過程中，觀察L矩陣的構(gòu)成可知，其元素有的是圖像坐標系坐標，有的是世界坐標系坐標，有的則是這二者的乘積，即構(gòu)成矩陣L的各元素數(shù)量值相差很大，因此L是一個非常病態(tài)的方程，需要對其進行改造。對圖像坐標和世界坐標進行了歸-化處理以改善矩陣L的病態(tài)性能。設各圖像點坐標為(ui，vi)(i＝1，2，3，4)，各空間點的世界坐標系坐標為(Xwi，Ywi)(i＝1，2，3，4)，則整個步驟總結(jié)如下 1.)分別求u，v兩軸上各坐標的平均值mu，mv為 則各圖像點相對于平均值點的相對值Δui，Δvi為 Δui＝ui-mu，Δvi＝vi-mv 同樣對世界坐標系坐標進行處理，可得其平均值和相對值為 ΔXwi＝Xwi-mx，ΔYwi＝Y(jié)wi-my 2.)分別求u，v兩軸上及XW，YW兩軸上所有相對坐標到質(zhì)心的平均值duv，dxy為 3.)分別求u，v兩軸上及XW，YW兩軸上的比例縮放因子suv，sxy為 4.)u，v兩軸上及XW，YW兩軸上的變換關(guān)系可以用矩陣Tuv，Txy表示為 5.)設經(jīng)過歸一化處理的圖像坐標與世界坐標系坐標分別為

與

則有下列關(guān)系成立
設用歸一化處理后的圖像坐標與世界坐標系坐標的單應性矩陣為

則原坐標系中圖像平面與空間坐標系之間的單應性矩陣為 由于旋轉(zhuǎn)矩陣R是單位正交矩陣，故r1，r2是單位正交向量，由此可得兩個約束 令定義向量b＝[b1 b2 b3 b4 b5 b6]T，則上式可重新寫為 其中vij＝[hi1hj1，hi1hj2+hi2hj1，hi2hj2，hi3hj1+hi1hj3，hi3hj2+hi2hj3，hi3hj3]T，hij為矩陣H的第i行，第j列元素。通過獲取標定物上的n(n≥3)個平面的圖像就可得到n個上述的方程組，從而求解出矩陣B。在求解出B后，通過喬里斯基分解就可標定出內(nèi)參數(shù)矩陣A，包括等效焦距、軸間不垂直因子和主點坐標。標定出內(nèi)參數(shù)矩陣A后，就可確定每幅圖像的外部參數(shù)，即攝像機外部參數(shù)為 由上式確定的旋轉(zhuǎn)矩陣R不滿足正交性，因此采用奇異值分解方法將其正交化，得到攝像機的外部參數(shù)。
由于成像鏡頭本身的制造問題，對于非精密測量用的鏡頭而言，畸變的影響是很大的?？紤]到鏡頭的徑向畸變和切向畸變，建立一個完整的攝像機畸變模型。(u，v)是理想的以像素為單位的圖像坐標系坐標，

是實際觀測到的以像素為單位的圖像坐標系坐標。理想點的成像模型遵從理想針孔透視模型。類似地，設(Xn，Yn)是理想的攝像機成像平面上的空間點的歸一化圖像坐標，

是實際觀測的攝像機成像平面上的歸一化圖像坐標。可得 其中k1，k2是一階和二階徑向畸變系數(shù)，p1，p2是切向畸變系數(shù)。像素點圖像坐標系坐標和攝像機成像平面上歸一化圖像坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
聯(lián)立上述兩式，可得

將上式改寫成矩陣形式有
其中 C2＝2Xn(v-v0)， 在給出了標定物上的n個平面上的標定點數(shù)據(jù)后，將這些等式堆積起來就得到形如Dkp＝d的等式，其中kp＝[k1，k2，p1，p2]T為畸變系數(shù)，用線性最小二乘法解得 kp＝(DTD)-1DTd 從而求得攝像機參數(shù)的初值，這些參數(shù)由旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R，平移參數(shù)矩陣T，內(nèi)部參數(shù)矩陣A，畸變系數(shù)kp＝[k1，k2，p1，p2]T組成，每一臺攝像機可求得一組由旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣、畸變系數(shù)組成的參數(shù)，從而可以求得第i臺攝像機的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri、平移參數(shù)矩陣Ti、畸變系數(shù)kpi，內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)。
獲取攝像機參數(shù)的初始值的算法流程見圖9。
第2.3步利用標定物兩相鄰表面之間的角度信息以及兩相鄰標定球球心之間的距離，求取標定物上的八個標定球的球心在第一世界坐標系下的坐標，根據(jù)攝像機成像模型公式，利用優(yōu)化目標函數(shù)對單臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣、外部參數(shù)矩陣以及畸變系數(shù)進行優(yōu)化，所述的優(yōu)化目標函數(shù)為
其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，

是第一世界坐標系下某球心點Mj通過攝像機成像模型將空間點經(jīng)過透視投影變換在計算機圖像上的投影點坐標，mj為該標定球在計算機圖像中所對應的圓的圓心坐標。待優(yōu)化的參數(shù)包括內(nèi)參數(shù)矩陣Ai，畸變系數(shù)矩陣kpi＝[k1，k2，p1，p2]T，攝像機與第一世界坐標系之間的外部參數(shù)矩陣Ri，Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)。
采用非線性優(yōu)化方法求解單個攝像機的精確的內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)以及畸變系數(shù)的最優(yōu)解，常見的非線性優(yōu)化方法有Levenberg-Marquardt方法，懲罰函數(shù)法或者遺傳算法。
單臺攝像機參數(shù)標定流程圖如圖10所示。
(3)多臺攝像機坐標系的統(tǒng)一，選擇多臺攝像機中的第一臺為基準攝像機，其余攝像機為一般攝像機，求取一般攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)；平移參數(shù)矩陣T1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，其實現(xiàn)的具體步驟為 第3.1步利用已經(jīng)求得的單臺攝像機與標定物第一世界坐標系之間的外部參數(shù)矩陣，獲取空間中攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R1i和平移參數(shù)矩陣T1i的初始值 T1i＝T1-R1×Ti 其中R1、T1為基準攝像機與標定物基準平面之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣，Ri、Ti，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，為除基準攝像機外其他攝像機與標定物基準平面之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣。
第3.2步利用雙目立體視覺極線幾何約束關(guān)系，獲得一般攝像機所拍攝的圖像中的圓心點在基準攝像機圖像中的極線，實現(xiàn)過程為 已知基準攝像機和一般攝像機的內(nèi)參數(shù)矩陣A1，Ai，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)。
極平面方程可以表示為 如圖10，其中p1j為空間中一球心點在所對應的基準攝像機所拍攝圖像中的齊次坐標，pij為空間中一球心點在所對應的一般攝像機所拍攝圖像中的齊次坐標，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，j為1、2、……、8為標定物上標定球的個數(shù)，A1-T代表A1矩陣的轉(zhuǎn)置，Ai-1代表Ai矩陣的求逆，S為反對稱矩陣且由平移矩陣定義為 i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)t1ix，t1iy，t1iz為T1i矩陣中的三個分量。
然后利用極線幾何約束關(guān)系，求取兩個攝像機之間的基本矩陣F1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù) 求取基本矩陣后，一般攝像機的圖像中的某一圓心點，在基準攝像機圖像下經(jīng)過基本矩陣轉(zhuǎn)換為一條直線 l1ij＝F1ipij 該極線理想情況下通過基準攝像機圖像中的圓心點，這個圓心點與一般攝像機圖像中的圓心點相對應，建立如下優(yōu)化目標函數(shù) 其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，u1ij、v1ij表示與第i臺攝像機圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機圖像中第j個圓的圓心點的橫坐標和縱坐標，l1ij表示與第i臺攝像機圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機中的極線，l1ij(u1ij)表示極線l1ij上對應于橫坐標u1ij的縱坐標。
采用非線性優(yōu)化方法，求解優(yōu)化目標函數(shù)，獲得一般攝像機與基準攝像機之間外部參數(shù)矩陣的最優(yōu)參數(shù)解，常見的非線性優(yōu)化方法有Levenberg-Marquardt方法，懲罰函數(shù)法或者遺傳算法。
多臺攝像機坐標系統(tǒng)一流程圖如圖12。
整個多攝像機同步快速標定系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖如圖13。
權(quán)利要求
1、一種三維掃描系統(tǒng)中的多個攝像機同步快速標定方法，其特征在于
第1步用攝像機參數(shù)標定方法對多攝像機系統(tǒng)中的攝像機進行逐臺參數(shù)標定，得到各臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及畸變系數(shù)，其中內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，內(nèi)部參數(shù)矩陣包括光學中心、有效焦距、軸間不垂直因子，外部參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，以及平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，所述單臺攝像機參數(shù)標定方法的具體步驟為
第1.1步設置立體標定物，該設置方法為在空間設置八個標定球，以八個標定球球心為頂點在空間中組成一個正四棱臺，四棱臺的上平面中的四個標定球的顏色為白色，下平面中的四個標定球的顏色為灰黑色，選定四棱臺的上平面中兩個相鄰標定球為上平面第一、第二基準標定球，上平面第一基準標定球的半徑大于上平面第二基準標定球的半徑，上平面第二基準標定球的半徑大于上平面中的其余兩個標定球的半徑，與上平面相對應的下平面的四個標定球采用相同的設置方法，測得四棱臺中六個表面中每兩個相鄰表面之間的角度信息，以及八條邊上每兩個相鄰標定球球心之間的距離，
第1.2步將立體標定物置入多攝像機視場中，調(diào)整標定物的空間位置，使計算機圖像中能被分割、提取出超過六個標定球所對應的圓形，每個攝像機獲取一幅標定物的圖像，對攝像機所拍攝到的圖像進行數(shù)據(jù)處理，得到計算機圖像中的圓形標志點與標定球之間的數(shù)據(jù)匹配關(guān)系，對圖像進行數(shù)據(jù)處理方法為
建立以像素點為單位的計算機圖像坐標系(u，v)，坐標系的原點位于圖像的左下方，橫、縱坐標軸分別為u軸和v軸，對圖像進行濾波，以及閾值分割，閾值分割采用雙閾值分割方法，獲取一高閾值和一低閾值，用高閾值來分割圖像獲得標定物的上平面中四個球所對應的圓，通過邊界提取、輪廓跟蹤、圓邊界擬合及中心提取，獲得圓心點的精確位置以及圓半徑的大小，半徑最大的圓為上平面第一基準標定球在圖像中的第一基準圓，其序號為1，半徑次之的為第二基準圓，其序號為2，第一基準圓圓心點與其余三個圓心點連線組成三條直線，設第一基準圓心點與第二基準圓心點的連線為基準直線，比較基準直線與其余兩條直線的夾角的大小，夾角較小的直線上的圓序號為3，夾角較大的直線上的圓序號為4，提取圖像中灰度值介于低閾值與高閾值之間的部分，獲得標定物的下平面中四個球所對應的圓，采用與高閾值分割時相同的處理方法，得到標定物下平面中的四個標定球所對應的圓的序號，
第1.3步在圖像中選取三組圓心，每組由四個圓心組成，每組圓心所對應的標定球的球心在同一個平面上，三組圓心的選取方法為第一組選取高閾值時分割出的圖像中上平面標定球?qū)乃膫€圓，第二組和第三組的選取方法為依據(jù)上、下平面中的標定球在圖像中的圓心點的序號關(guān)系，在圖像中下平面標定球所對應的圓中任意選擇兩個，在圖像中上平面標定球所對應的四個圓中選擇相同序號的兩個，在三組圓心對應的標定物的三個平面上建立三個世界坐標系，選擇上平面為基準平面，在基準平面上建立第一世界坐標系(O1-X1Y1Z1)，第一世界坐標系的原點O1為上平面第一基準標定球的球心，上平面第一基準標定球球心與上平面第二基準標定球球心的連線方向為坐標系的O1X1軸，上平面第一基準標定球球心與上平面另外一個相鄰標定球球心連線方向為坐標系的O1Y1軸，O1Z1軸垂直于標定物上平面且指向標定物外部方向，另外兩個平面的世界坐標系的設置方法為選擇該平面上的一個標定球的球心為坐標系的原點，該平面上的過坐標系原點的一條邊為坐標系的X軸，在該平面上的經(jīng)過坐標系原點做與坐標系的X軸相互垂直的直線，為該坐標系的Y軸，Z軸垂直于標定物上該平面且指向標定物外部方向，所選取的標定物三個平面中的每一個平面上的四個標定球的球心點坐標對應著計算機圖像中的四個圓形的圓心點坐標，從而建立三組對應關(guān)系，求解單應性矩陣，然后依據(jù)單應性矩陣求取單臺攝像機內(nèi)部參數(shù)矩陣Ai以及攝像機與第一世界坐標系之間的組成外部參數(shù)矩陣的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣Ri，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，和平移參數(shù)矩陣Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，并求取畸變系數(shù)，
第1.4步求取標定物上的八個標定球的球心在第一世界坐標系下的坐標，建立優(yōu)化目標函數(shù)，對單臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣、外部參數(shù)矩陣以及畸變系數(shù)進行優(yōu)化，所述的優(yōu)化目標函數(shù)為
其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，
是第一世界坐標系下某球心點Mj通過攝像機成像模型在計算機圖像上的投影點坐標，mj為該標定球在計算機圖像中所對應的圓的圓心坐標。待優(yōu)化的參數(shù)包括內(nèi)參數(shù)矩陣Ai，畸變系數(shù)矩陣kpi＝[k1，k2，p1，p2]T，攝像機與第一世界坐標系之間的外部參數(shù)矩陣Ri，Ti，i為1、2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，
采用非線性優(yōu)化方法求解單個攝像機的精確的內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)以及畸變系數(shù)的最優(yōu)解，
第2步多臺攝像機坐標系的統(tǒng)一，選擇多臺攝像機中的第一臺為基準攝像機，其余攝像機為一般攝像機，求取一般攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)；平移參數(shù)矩陣T1i，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，其實現(xiàn)的具體步驟為
第2.1步獲取空間中一般攝像機與基準攝像機之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣R1i和平移參數(shù)矩陣T1i的初始值，
T1i＝T1-R1×Ti
其中R1、T1為基準攝像機與標定物第一世界坐標系之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣；Ri、Ti，i為2、3、......n，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，為一般攝像機與標定物第一世界坐標系之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)矩陣、平移參數(shù)矩陣，
第2.2步利用雙目立體視覺極線幾何約束關(guān)系，獲得一般攝像機所拍攝的圖像中的圓心點在基準攝像機圖像中的極線，該極線理想情況下通過基準攝像機圖像中的圓心點，這個圓心點與一般攝像機圖像中的圓心點相對應，為空間中同一個標定球在不同攝像機中所成的圓形的圓心點，建立如下優(yōu)化目標函數(shù)
其中c代表圖像中圓形的數(shù)目，n為多攝像機系統(tǒng)中的攝像機總數(shù)，u1ij、v1ij表示與第i臺攝像機所成圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機所成圖像中第j個圓的圓心點的橫坐標和縱坐標，l1ij表示與第i臺攝像機圖像中的第j個圓相對應的基準攝像機中的極線，l1ij(u1ij)表示極線l1ij上對應于橫坐標u1ij的縱坐標，
采用非線性優(yōu)化方法，求解優(yōu)化目標函數(shù)，獲得一般攝像機與基準攝像機之間旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)矩陣的最優(yōu)參數(shù)解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維掃描系統(tǒng)中的多個攝像機同步快速標定方法，其特征在于對可能出現(xiàn)的圖像中上平面中的標定球?qū)⑾缕矫嬷械囊粋€標定球遮擋住的情形，確定圖像中下平面標定球所對應的三個圓的序號的方法為首先提取圖像中下平面標定球所對應的三個圓形，分別求得這三個圓形的半徑和圓心點坐標，尋找到半徑最大的圓，求得該圓的圓心點與其余兩個圓的圓心點的連線的斜率以及兩連線之間的夾角關(guān)系，作為待匹配關(guān)系，通過已確定的圖像中上平面中的標定球所對應的圓形的序號，從圖像中上平面標定球所對應的四個圓中選擇出三個圓，共可得到四組圓，這四組圓是第一組包括序號為1、2、3的圓，第二組包括序號為1、3、4的圓，第三組包括序號為1、2、4的圓，第四組包括序號為2、3、4的圓，分別求出第一組中序號為1的圓的圓心點與序號為2、3的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第二組序號為1的圓的圓心點與序號為3、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第三組中序號為1的圓的圓心點與序號為2、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，第四組中序號為2的圓的圓心點與序號為3、4的圓的圓心點之間連線的斜率以及兩連線之間的夾角，共得到四組關(guān)系，從這四組關(guān)系中選擇一組與待匹配關(guān)系斜率以及夾角最接近的一組作為參考關(guān)系，待匹配關(guān)系中半徑最大的圓與參考關(guān)系中半徑最大的圓的序號一致，待匹配關(guān)系中其余兩個圓的序號的確立方法為待匹配關(guān)系中半徑最大的圓形與其余兩個圓形組成兩條連線，對于每一條連線從參考關(guān)系中尋找與之斜率相近的連線，待匹配關(guān)系中該連線上的圓形的序號與參考關(guān)系中與之斜率相近的連線上的圓形的序號一致。
全文摘要
一種三維掃描系統(tǒng)中的多個攝像機同步快速標定方法，其實現(xiàn)步驟為(1)設置正四棱臺標定物，八個標定球位于四棱臺的頂點，在上、下平面各設置兩個基準標定球；(2)攝像機拍攝標定物，用雙閾值分割方法分別獲取上、下平面所對應的圓，提取圓心，得到圖像中的圓心點與空間中標定球球心之間的三組對應關(guān)系，求解單應性矩陣獲得內(nèi)部參數(shù)矩陣、外部參數(shù)矩陣，并求取畸變系數(shù)，將已求解攝像機參數(shù)作為初始值，采用非線性優(yōu)化方法求得單臺攝像機參數(shù)的最優(yōu)解；(3)依次求取多臺攝像機與空間某一攝像機之間的外部參數(shù)矩陣，利用雙目立體視覺的極線幾何約束關(guān)系，建立優(yōu)化目標函數(shù)，采用非線性優(yōu)化方法求解兩攝像機之間的外部參數(shù)矩陣的最優(yōu)解。
文檔編號G06T7/00GK101299270SQ20081012387
公開日2008年11月5日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者達飛鵬, 邢德奎, 傅有成 申請人:東南大學