基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鏡頭畸變規(guī)律利用同心圓環(huán)進(jìn)行投影儀區(qū)域標(biāo)定的方法，它在解決了光學(xué)鏡頭畸變處理不足問題的同時(shí)，解決了目前視場擴(kuò)大時(shí)標(biāo)定精度不高的問題。首先利用DLP投影儀將特殊設(shè)計(jì)的棋盤格圖像投射到平面標(biāo)定板上，并用CCD相機(jī)捕獲包含粘貼棋盤和投影棋盤的標(biāo)定物圖像；多次變換平面標(biāo)定板的位置，獲得多副標(biāo)定物圖像；依據(jù)鏡頭的畸變規(guī)律，以標(biāo)定物圖像中心為圓心，計(jì)算各角點(diǎn)到圓心的距離，再比較其與給定的半徑值的大小，以此來劃分同心圓環(huán)區(qū)域；基于每一圓環(huán)區(qū)域標(biāo)定相機(jī)，再利用其標(biāo)定參數(shù)對投影棋盤數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變校正，進(jìn)而用于投影儀標(biāo)定，獲得相應(yīng)區(qū)域的投影儀內(nèi)外參數(shù)，對所有圓環(huán)區(qū)域重復(fù)以上操作即可完成投影儀的標(biāo)定。
【專利說明】基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了獲取投影儀物平面(投影儀中空間光調(diào)制器平面，以下簡稱物平面）二維點(diǎn)與 實(shí)際物理空間三維點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，需要對投影儀進(jìn)行標(biāo)定。所謂標(biāo)定，其主要目的是求出投 影儀的內(nèi)部幾何和光學(xué)特性（也即內(nèi)部參數(shù)），以及其相對于空間坐標(biāo)系的位置關(guān)系（也即 外部參數(shù)）。
[0003] 投影儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)與具有遠(yuǎn)心光學(xué)結(jié)構(gòu)的相機(jī)相同，但光路相反，因此可以認(rèn)為 投影儀的光學(xué)模型是一個(gè)具有相反光路的相機(jī)系統(tǒng)，故通常把投影儀看做是"逆向"的相 機(jī)，從而借助相機(jī)的標(biāo)定原理來完成投影儀的標(biāo)定。
[0004] 傳統(tǒng)的標(biāo)定方法包括直接線性變換標(biāo)定法（DLT)、徑向排列約束（RAC)標(biāo)定法 和平面標(biāo)定法等。Abdal-Aziz和Karara于70年代初提出直接線性變換標(biāo)定法，該方法 把理想針孔模型作為投影儀的成像模型，以此建立線性方程組，其包含了投影儀的標(biāo)定參 數(shù)。但是，在設(shè)計(jì)、加工和組裝光學(xué)鏡片等過程中不可避免的會(huì)導(dǎo)致鏡頭非線性畸變，當(dāng) 鏡頭畸變明顯時(shí)，線性模型無法準(zhǔn)確地描述投影儀的成像過程，這時(shí)在標(biāo)定過程中需要引 入畸變因子進(jìn)行校正。Tsai在文獻(xiàn)（A versatile camera calibration technique for high-accuracy3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation，1987, RA-3 (4) :323-344)中提出基 于徑向排列約束的兩步標(biāo)定法，由于考慮了徑向畸變，在系統(tǒng)標(biāo)定方面取得了很大的進(jìn)步。 在此基礎(chǔ)上，張正友采用二維標(biāo)定物，在文獻(xiàn)（A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 200 0, 22 (11) : 1330-1334)中提出平面標(biāo)定法，提供了一種快速的相機(jī)標(biāo)定方法，為測量系統(tǒng)的 速度提高奠定了基礎(chǔ)。
[0005] 但是，現(xiàn)有技術(shù)中存在如下問題：
[0006] 1)直接線性變換標(biāo)定法，采用理想針孔模型，忽略了鏡頭畸變，只適合視野較小的 情況；
[0007] 2)徑向排列約束兩步標(biāo)定法，只考慮一階徑向畸變，而忽略了其它非線性畸變因 素，只適合于精度要求不高的測量；
[0008] 3)考慮各種畸變因素時(shí)，把整個(gè)視場的畸變看成是一致的，不適合大視場光學(xué)測 量系統(tǒng)。
[0009] 其實(shí)，光學(xué)系統(tǒng)是以光軸對稱的，其光軸即為系統(tǒng)的徑向?qū)ΨQ中心，系統(tǒng)的特性函 數(shù)只與距該對稱中心的距離有關(guān)。也就是說，假設(shè)光學(xué)鏡頭各向同性，而且物象空間媒質(zhì)均 勻，則像的失真程度是關(guān)于光學(xué)中心對稱的，即在光學(xué)中心處畸變量為零，在其他位置，畸 變量隨著像元位置和光學(xué)中心的距離的變化而變化，但在以光學(xué)中心為圓心，半徑相等的 圓周上，畸變量可以近似看成是不變的。不管是上述的徑向畸變還是在設(shè)計(jì)、加工、裝配等 過程中造成的鏡頭切向畸變和偏心畸變，都與距對稱中心的距離有關(guān)。本發(fā)明正是針對現(xiàn) 有標(biāo)定技術(shù)的如上問題和基于光學(xué)鏡頭的畸變規(guī)律，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，尋找到了一種 準(zhǔn)確、快捷、簡便的標(biāo)定方法，適合于大視場光學(xué)系統(tǒng)的精密測量，并且能很好地解決上面 的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0010] 本發(fā)明目的在于提供一種依據(jù)光學(xué)鏡頭畸變規(guī)律，基于同心圓環(huán)進(jìn)行投影儀區(qū)域 標(biāo)定的方法。該方法通過簡單步驟精確地求取投影儀的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，提高了標(biāo)定 精度，在整個(gè)標(biāo)定過程中無需輔助設(shè)備。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明提供了一種基于鏡頭畸變規(guī) 律的投影儀標(biāo)定方法，根據(jù)鏡頭的畸變規(guī)律可知：以光學(xué)中心為圓心，半徑相等的圓周上畸 變量近似相同，不同半徑圓周上畸變量不同；畸變會(huì)造成圖像的變形，但從物空間到像空 間，二者之間仍存在一一對應(yīng)的映射關(guān)系；變形不會(huì)使圖像變模糊即不影響圖像的清晰度。 上述規(guī)律為本發(fā)明提供了實(shí)施條件。本發(fā)明提出的技術(shù)方案是基于鏡頭畸變規(guī)律標(biāo)定投影 儀，以半徑r作為參數(shù)劃分同心圓環(huán)，分區(qū)域標(biāo)定，以得到每個(gè)區(qū)域的標(biāo)定參數(shù)值，以便于 畸變校準(zhǔn)、計(jì)算三維坐標(biāo)、恢復(fù)三維形貌。
[0012] 本發(fā)明所述的標(biāo)定方法包括以下步驟：
[0013] 步驟1 :打印棋盤格圖像，然后將其粘貼在一個(gè)平面板的左邊(或右邊)，制成平面 標(biāo)定板；
[0014] 步驟2 :把平面標(biāo)定板置入相機(jī)和投影儀組成的系統(tǒng)視場內(nèi)，將數(shù)據(jù)處理電腦生 成的編碼棋盤投射到平面標(biāo)定板上，形成投影棋盤，且使其不要和粘貼棋盤重合；
[0015] 所述中數(shù)據(jù)處理電腦生成的編碼棋盤是：左邊是白色，右邊是棋盤格(或者左邊是 棋盤格，右邊是白色)。
[0016] 步驟3 :用CCD相機(jī)拍攝標(biāo)定板，獲得標(biāo)定物圖像；
[0017] 所述中拍攝的標(biāo)定物圖像包含粘貼棋盤和投影棋盤，且兩者不重合，并盡量以圖 像中心對稱。
[0018] 步驟4 :不斷變換標(biāo)定板的位置，重復(fù)步驟2和步驟3,得到多幅標(biāo)定物圖像，并送 入數(shù)據(jù)處理電腦進(jìn)行處理；
[0019] 步驟5 :對每一幅圖像進(jìn)行分區(qū)域操作，把用于標(biāo)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分在不同的圓 環(huán)區(qū)域內(nèi)；
[0020] 所述步驟5中劃分圓環(huán)區(qū)域操作包括如下步驟：
[0021] 步驟51 :檢測粘貼棋盤角點(diǎn)和投影棋盤角點(diǎn)；
[0022] 所述的檢測角點(diǎn)的方法是指：利用Harris角點(diǎn)檢測算法對棋盤內(nèi)角點(diǎn)進(jìn)行粗定 位，進(jìn)而計(jì)算其亞像素精確位置，從而得到準(zhǔn)確的角點(diǎn)坐標(biāo)。
[0023] 步驟52 :以標(biāo)定物圖像中心為圓點(diǎn)0,分別計(jì)算粘貼棋盤各角點(diǎn)到圓心的距離和 投影棋盤各角點(diǎn)到圓心的距離，并保存在R1和R2中；
[0024] 步驟53 :根據(jù)實(shí)際需要，給定半徑rl、r2、r3、……，比較R1中各元素值與半徑 rl、r2、r3、……的大小關(guān)系，從而把R1中各元素所對應(yīng)的角點(diǎn)坐標(biāo)劃分在圓環(huán)區(qū)域areal、 area2、area3、......中；
[0025] 步驟54 :同上半徑rl、r2、r3、......，比較R2中各元素值與半徑rl、r2、r3、...... 的大小關(guān)系，從而把R2中各元素所對應(yīng)的角點(diǎn)坐標(biāo)劃分在圓環(huán)區(qū)域areal'、area2'、 area3,......中；
[0026] 步驟6 :以各個(gè)同心圓環(huán)區(qū)域?yàn)閱挝唬謪^(qū)域標(biāo)定投影儀。
[0027] 所述步驟6中分區(qū)域標(biāo)定投影儀包括如下步驟：
[0028] 步驟61 :使用areal中的粘貼棋盤角點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)定相機(jī)，得到此區(qū)域的相機(jī)參數(shù) camera1 ；
[0029] 步驟62 :利用標(biāo)定結(jié)果cameral對areal'中的投影棋盤角點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變校準(zhǔn)；
[0030] 步驟63 :使用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)，并結(jié)合cameral，對投影儀進(jìn)行標(biāo)定，得到areal'區(qū) 域的投影儀參數(shù)projectorl ;
[0031] 步驟64 :重復(fù)步驟61-63,對各個(gè)區(qū)域進(jìn)行投影儀標(biāo)定，以此完成投影儀的分區(qū)域 標(biāo)定。
[0032] 有益效果：
[0033] 1、本發(fā)明充分考慮到光學(xué)鏡頭的畸變影響，并根據(jù)畸變規(guī)律，對標(biāo)定圖像劃分同 心圓環(huán)區(qū)域，簡單、方便地獲得投影儀的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，并提高了標(biāo)定精度；
[0034] 2、本發(fā)明采用特殊設(shè)計(jì)的投影圖案，輕易地實(shí)現(xiàn)了相機(jī)和投影儀標(biāo)定圖案的分 離，不必再經(jīng)過復(fù)雜的圖像處理過程，避免了圖像處理中可能產(chǎn)生的各種誤差；
[0035] 3、本發(fā)明原理簡單、操作靈活，不僅適用于在線標(biāo)定，而且適用于大視場條件下的 精密測量；
[0036] 4、本發(fā)明不需要特制的標(biāo)定物以及繁瑣的圖像坐標(biāo)匹配過程，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)標(biāo) 定。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0037] 圖1為本發(fā)明所提出的標(biāo)定方法在分為兩個(gè)區(qū)域時(shí)的流程圖； 標(biāo)識(shí)說明：b-代表粘貼棋盤世界坐標(biāo)；b_ll-表示小于r部分；b_12-表示大于r部 分；i-表示粘貼棋盤圖像坐標(biāo)；P-表示投影棋盤圖像坐標(biāo)；pb-表示投影棋盤世界坐標(biāo)； pb_ll-表不小于r部分；pb_12-表不大于r部分；
[0038] 圖2為本發(fā)明所涉及的光學(xué)鏡頭的畸變模型圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明所使用的投影圖像；
[0040] 圖4為本發(fā)明所提出的標(biāo)定思想的示意圖；
[0041] 圖5為本發(fā)明中利用相機(jī)標(biāo)定結(jié)果標(biāo)定投影儀的計(jì)算流程圖。

【具體實(shí)施方式】：
[0042] 以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0043] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn) 一步描述。本實(shí)施例僅用于描述本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，基于本 發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0044] 本發(fā)明具體步驟的流程圖如圖1所示，應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行投影儀標(biāo)定的具體步驟如 下：
[0045] 步驟1 :首先把棋盤格作為特征點(diǎn)，制作平面標(biāo)定板。使用A4紙打印一張9X11的 黑白棋盤格圖像，并粘貼在平面板的左側(cè)（以下簡稱粘貼棋盤)，制作平面標(biāo)定板；
[0046] 步驟2 :調(diào)整并固定好相機(jī)和投影儀，并將標(biāo)定板放置在系統(tǒng)視域范圍內(nèi)，組建測 量系統(tǒng)；
[0047] 步驟3 :基于開源圖像處理庫OpenCv平臺(tái)生成編碼圖像，其為左邊是白色右邊是 11 X 11的黑白棋盤格，如附圖3所示，并通過投影儀投射到平面標(biāo)定板上，使白色部分正好 覆蓋在左側(cè)的粘貼棋盤上，右側(cè)形成投影棋盤圖像，并使兩者不重合；
[0048] 步驟4 :用CCD相機(jī)拍攝標(biāo)定板，得到包含粘貼棋盤和投影棋盤的標(biāo)定物圖像，如 圖4所示，并確保成像清晰；
[0049] 步驟5 :不斷變換標(biāo)定板的位置，重復(fù)步驟4,得到多幅標(biāo)定物圖像，并送入數(shù)據(jù)處 理電腦進(jìn)行處理；
[0050] 步驟6 :對每一幅標(biāo)定物圖像進(jìn)行分區(qū)域操作，把用于標(biāo)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分到不 同的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，具體步驟如下：
[0051] 步驟6. 1 :在獲得了標(biāo)定物圖像后，利用角點(diǎn)提取算法提取粘貼棋盤的角點(diǎn)，并將 其值作為特征點(diǎn)在相機(jī)圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)；
[0052] 所述的角點(diǎn)提取算法包括Harr i s提取算法、SIFT提取算法等。但由于Harr i s角點(diǎn) 提取法操作簡便，在此利用其進(jìn)行角點(diǎn)提取時(shí)能夠保證檢測的準(zhǔn)確性，故，這里使用Harris 角點(diǎn)提取算法進(jìn)行角點(diǎn)的粗定位，再根據(jù)有關(guān)峰值點(diǎn)位置將其精確到亞像素級(jí)精度。其中 Harris角點(diǎn)提取算法的原理與現(xiàn)有技術(shù)中的相同；
[0053] 步驟6.2 :同上，利用角點(diǎn)提取算法提取投影棋盤的角點(diǎn)，并將其值作為投影特征 點(diǎn)在相機(jī)圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)；
[0054] 步驟6. 3 :以標(biāo)定物圖像中心為圓點(diǎn)0,在實(shí)施例中其坐標(biāo)值為（960, 540)，分別計(jì) 算粘貼棋盤各角點(diǎn)像素坐標(biāo)到圓點(diǎn)〇的歐式距離和投影棋盤各角點(diǎn)像素坐標(biāo)到圓心〇的歐 式距離，并保存在數(shù)組矩陣R1和R2中；歐式距離計(jì)算公式如下所示：
[0055]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 步驟1 :打印棋盤格圖像，然后將其粘貼在一個(gè)平面板的左邊(或右邊)，制成平面標(biāo)定 板； 步驟2 :把平面標(biāo)定板置入相機(jī)和投影儀組成的系統(tǒng)視場內(nèi)，將數(shù)據(jù)處理電腦生成的 編碼棋盤投射到平面標(biāo)定板上，形成投影棋盤，且使其不要和粘貼棋盤重合； 步驟3 :用CCD相機(jī)拍攝標(biāo)定板，獲得標(biāo)定物圖像； 步驟4 :不斷變換標(biāo)定板的位置，重復(fù)步驟2和步驟3,得到多幅標(biāo)定物圖像，并送入數(shù) 據(jù)處理電腦進(jìn)行處理； 步驟5 :對每一幅圖像進(jìn)行分區(qū)域操作，把用于標(biāo)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分在不同的圓環(huán)區(qū) 域內(nèi)； 步驟6 :以各個(gè)同心圓環(huán)區(qū)域?yàn)閱挝唬謪^(qū)域標(biāo)定投影儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于：所述步 驟6是基于鏡頭畸變規(guī)律的區(qū)域標(biāo)定，其使用于投影儀和相機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于：所述步 驟2中的數(shù)據(jù)處理電腦形成的棋盤格圖像：左邊是白色，右邊是棋盤格圖案；或者左邊是棋 盤格圖案，右邊是白色；在投射時(shí)，調(diào)整投影儀位置，使其空白的部分覆蓋在粘貼棋盤上面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于：所述步 驟3中的標(biāo)定物圖像包含粘貼棋盤和投影棋盤，且兩者不重合，并盡量以圖像中心對稱。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于，所述步 驟5的標(biāo)定物圖像劃分圓環(huán)區(qū)域的步驟如下： 步驟51 :檢測并提取粘貼棋盤角點(diǎn)和投影棋盤角點(diǎn)； 步驟52 :設(shè)定標(biāo)定物圖像中心為圓心，計(jì)算粘貼棋盤各角點(diǎn)到圓心的距離和投影棋盤 各角點(diǎn)到圓心的距離； 步驟53 :根據(jù)實(shí)際需要確定半徑個(gè)數(shù)和半徑值，通過比較粘貼棋盤角點(diǎn)到圓心的距離 和半徑的大小來劃分圓環(huán)區(qū)域； 步驟54 :同上半徑個(gè)數(shù)和半徑值，通過比較投影棋盤角點(diǎn)到圓心的距離和半徑的大小 來劃分圓環(huán)區(qū)域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏡頭畸變規(guī)律的投影儀標(biāo)定方法，其特征在于，所述的 分區(qū)域標(biāo)定投影儀的步驟如下： 步驟61 :利用每一區(qū)域的粘貼棋盤數(shù)據(jù)標(biāo)定相機(jī)，獲得相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)、畸變參數(shù)和 外部參數(shù)； 步驟62:使用相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和畸變參數(shù)對同一圓環(huán)區(qū)域的投影棋盤數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變 校正； 步驟63 :使用去畸變的投影棋盤數(shù)據(jù)和相機(jī)標(biāo)定參數(shù)標(biāo)定投影儀，獲得投影儀的內(nèi)部 參數(shù)、畸變參數(shù)和外部參數(shù)； 步驟64 :對所有圓環(huán)區(qū)域重復(fù)步驟61-63,即可完成投影儀的區(qū)域標(biāo)定。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104299218SQ201310301055
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月17日
【發(fā)明者】高志強(qiáng), 陳會(huì), 密保秀 申請人:南京郵電大學(xué)