一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法，它使用一幅簡單的標準的標定圖片，標準的標定圖片中有三個圓心在同一條直線上的圓，并測量出三個圓之間的參數(shù)作為先驗知識。攝像頭拍攝的標定圖片顯示了三個橢圓，通過橢圓檢測，橢圓曲線擬合和參數(shù)確定，橢圓參數(shù)的修正以及攝像頭參數(shù)的標定等步驟，可以從單幅標定圖中獲得攝像頭的焦距和其放置的高度。本發(fā)明具有只需要一張用于標定的攝像頭拍攝的標定圖片、就可得到攝像頭的標定參數(shù)、標定圖繪制過程簡單方便、標定效果有所提高、實驗精度非常高的優(yōu)點。
【專利說明】一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種攝像頭標定技術(shù)，尤其涉及一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法，即:攝像頭通過一幅標準圖像的處理，獲取以及校正此時攝像頭的參數(shù)，從而為接下來的圖像處理提供保障。
【背景技術(shù)】
[0002]攝像頭標定技術(shù)在視頻和圖像處理領(lǐng)域中是一個非常重要的技術(shù)。它可以獲取現(xiàn)實坐標系和攝像頭拍攝照片的坐標系之間轉(zhuǎn)換的參數(shù)和本身因物理因素而引起的畸變或是光心偏移等參數(shù)。以上兩種參數(shù)分別被稱為外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)。在通過攝像頭拍攝圖片來計算圖片中的不同點在實際場景中距離時就需要利用攝像頭的標定參數(shù)。如，現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟的行人身高檢測，或者是圖片測距，均是利用了這種技術(shù)。而在進行攝像頭標定的時候，往往需要利用一個已知部分信息的標定模板來輔助完成標定工作。這個標定模板一般會被架設(shè)在攝像頭前，通過攝像頭拍攝得到的模板圖片和模板本身長度角度的信息，來計算該攝像頭的標定參數(shù)?？紤]到這兩種參數(shù)本身是由攝像頭透鏡的物理因素決定，并遵循許多光學物理原理，比如小孔成像原理、透視原理，前人給出了許多切實可行的方法。
[0003]比如，Z.Y.Zhang 等人在《Computer Vision》上發(fā)表的論文 “Flexible CameraCalibration By Viewing a Plane From Unknown Orientations”,提出了利用一個國際象棋棋盤狀的標定模板來進行標定方法。這個方法需要攝像頭對棋盤狀標定模板以不同角度拍攝多張標定圖片為基礎(chǔ)，拍攝圖片的角度越多越好，但至少為兩個。這種方法可以同時獲取攝像頭標定的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，而且精確度也隨拍攝角度的增多和清晰度的加大而增大。這種方法也是目前絕大部分人們標定攝像頭而采用的方法。但是，這種方法需要拍攝的標定圖片太多，而且后期對于每一副拍攝的圖片都需要做標記四個邊界點的操作，這對于需要對大量攝像頭標定或是希望僅做簡潔快速標定的情況都不太適用。
[0004]也有人提出采用單幅圖片進行標定的方法，比如，Y.Li等人在《Proc.0f IEEEIntelligent Vehicles Symposium》上發(fā)表的“On Automatic and Dynamic CameraCalibration based on Traffic Visual Surveillance”,提出了利用圓形交通轉(zhuǎn)盤在不正對的情況下拍攝會變成橢圓的性質(zhì)而進行攝像頭標定的方法。這種方法僅需要拍攝一張標定圖片就能給出較為準確的攝像頭外部參數(shù)的結(jié)果。但是，這種方法只考慮了一個橢圓的變化和擬合，參數(shù)的精確度不夠高。而且它需要知道攝像頭相對于圓形交通轉(zhuǎn)盤架設(shè)的高度這一條件，適用面不夠廣，有其局限性，因為在其他很多標定要求下是不知道攝像頭與標定模板之間距離這一參數(shù)的。
[0005]因此，針對以上種種問題，極需尋找一種更加簡潔和適用面更廣的標定方法，使其能夠盡量對較少幅圖片進行標定，并在已知信息較少的情況下獲得較為精確的標定結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法，它只需要一張用于標定的攝像頭拍攝的標定圖片，就可得到攝像頭的標定參數(shù)，標定圖繪制過程簡單方便，標定效果有所提聞，實驗精度非常聞。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法，特征是:具體步驟如下:
A、繪制一張標準的標定圖片，在標定圖片中有三個半徑一致的圓，且它們的圓心在同一條直線上，并測出兩兩相鄰圓之間的距離化;
B、對攝像頭拍攝的標定圖片進行橢圓檢測，通過邊緣檢測和濾波方法在圖像中提取出三個最大的連通域，提取出的三個連通域即是圖片中的三個橢圓的邊界；
C、對步驟B中得到的三個橢圓進行橢圓參數(shù)的確定，使用“直接最小二乘擬合橢圓法”(Direct Least Square Fitting of Ellipses)對橢圓進行擬合和參數(shù)確定,計算出中間的橢圓中心和攝像頭透鏡光心的連線的中間傾角；這一步的擬合過程是在三個橢圓均放置在攝像頭透鏡光心附近的假設(shè)下進行的；
D、對步驟C中得到的橢圓參數(shù)如何進行修正和更新，計算出邊上的橢圓中心和攝像頭
透鏡光心的連線的邊上傾角辦&；
E、通過中間傾角和邊上傾角的幾何關(guān)系計算得到攝像頭的兩個重要參數(shù)——攝像頭的焦距f以及攝像頭的放置高度。
[0008]本發(fā)明的原理是:使用一幅簡單的標準的標定圖片，標準的標定圖片中有三個圓心在同一條直線上的圓，并測量出三個圓之間的參數(shù)作為先驗知識。由于攝像頭傾斜放置的原因，攝像頭拍攝的標定圖片中的圓成為了橢圓，因此需要對攝像頭拍攝的標定圖片中的橢圓曲線進行擬合，獲得橢圓參數(shù)，從而根據(jù)幾何關(guān)系得到各個圓心和攝像頭之間的連線的傾角，最后根據(jù)得到的傾角之間的幾何關(guān)系推出兩項攝像頭的重要參數(shù)——攝像頭焦距及其放置高度。
[0009]本發(fā)明用于在攝像頭拍攝獲取圖像前對該攝像頭的一些參數(shù)進行簡易地標定。本發(fā)明只需要一張用于標定的攝像頭拍攝的標定圖片，通過“直接最小二乘擬合橢圓法”擬合標準標定圖的拍攝圖中的三個橢圓曲線，從而得到橢圓的各自參數(shù)，再根據(jù)這些參數(shù)以及它們之間的幾何關(guān)系得到攝像頭的標定參數(shù)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所用標準的標定圖片簡單易得，在標定之前只需要測量標準的標定圖片中三個圓的一些實際參數(shù)，算法復(fù)雜度低，過程簡單，實現(xiàn)了快速標定攝像頭參數(shù)的功能。在實驗中和一些比較算法(如:棋盤標定法、一維物體標定法)比較時發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的標定精確度、標定效果和另外幾種方法效果相似，甚至與某些方法比較略有提高。因此，本發(fā)明具有只需要一張用于標定的攝像頭拍攝的標定圖片、就可得到攝像頭的標定參數(shù)、標定圖繪制過程簡單方便、標定效果有所提高、實驗精度非常高的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的測量示意圖。
[0012]圖2是標準的標定圖片的示意圖。
[0013]圖3是各橢圓的傾角示意圖?！揪唧w實施方式】
[0014]下面結(jié)合實施例并對照附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。
[0015]本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0016]實施例: 如圖1所示的測量示意圖，本實施例包括以下步驟:
A、繪制一張標準的標定圖片，在標定圖片中有三個半徑一致的圓，且它們的圓心在同一條直線上，并測出兩兩相鄰圓之間的距離(并測出兩兩相鄰圓之間的距離;標準的標定圖片如圖2所示。
[0017]B、對攝像頭拍攝的標定圖片進行橢圓檢測，攝像頭要拍攝的標定圖片要垂直放置進行拍攝。由于攝像頭拍攝時是傾斜放置的，所以拍攝到的圖片中將是三個不同大小的橢圓。本發(fā)明中使用sobel算子進行邊緣檢測，再使用形態(tài)學濾波中的腐蝕和膨脹對邊界檢測圖進行濾波，在得到的濾波結(jié)果中提取出三個最大的連通域，提取出的三個連通域即是圖片中的三個橢圓的邊界。需要說明的是，攝像頭要拍攝的標定圖片中的中間橢圓要在攝像頭透鏡光心附近。
[0018]C、對步驟B中得到的三個橢圓進行橢圓參數(shù)的確定，隨機地挑選橢圓邊界上的像素點，使用“直接最小二乘擬合橢圓法”(Direct Least Square Fitting of Ellipses)對每個橢圓分別進行擬合和參數(shù)確定，計算出中間的橢圓中心和攝像頭透鏡光心的連線的中間傾角;這一步的擬合過程是在三個橢圓均放置在攝像頭透鏡光心附近的假設(shè)下進行的。
[0019]擬合方程如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于單圖片三圓模版的攝像頭標定方法，其特征在于:具體步驟如下: A、繪制一張標準的標定圖片，在標定圖片中有三個半徑一致的圓，且它們的圓心在同一條直線上，并測出兩兩相鄰圓之間的距離化； B、對攝像頭拍攝的標定圖片進行橢圓檢測，通過邊緣檢測和濾波方法在圖像中提取出三個最大的連通域，提取出的三個連通域即是圖片中的三個橢圓的邊界； C、對步驟B中得到的三個橢圓進行橢圓參數(shù)的確定，使用“直接最小二乘擬合橢圓法”對橢圓進行擬合和參數(shù)確定，計算出中間的橢圓中心和攝像頭透鏡光心的連線的中間傾角 ;這一步的擬合過程是在三個橢圓均放置在攝像頭透鏡光心附近的假設(shè)下進行的； D、對步驟C中得到的橢圓參數(shù)如何進行修正和更新，計算出邊上的橢圓中心和攝像頭透鏡光心的連線的邊上傾角辦;& ； E、通過中間傾角&和邊上傾角^&的幾何關(guān)系計算得到攝像頭的兩個重要參數(shù)——攝像頭的焦距f以及攝像頭的放置高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像頭標定方法，其特征在于:步驟C中，使用“直接最小二乘擬合橢圓法”對每個橢圓分別進行擬合，得到擬合方程:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像頭標定方法，其特征在于:步驟D中:橢圓的參數(shù)誤差表示為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攝像頭標定方法，其特征在于:步驟E中，攝像頭的焦距/以及攝像頭的放置高度Α?￡)?3/_的標定:
【文檔編號】G06T7/00GK103544699SQ201310470383
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】鐘幼平, 李俊, 程宇, 左琪, 林巍峣 申請人:江西省電力公司檢修分公司