基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法屬于圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及大型鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)中攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。標(biāo)定方法首先利用變焦的方法計(jì)算出攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，在不同焦距下拍攝標(biāo)定模板的7幅圖像，通過(guò)縮比不變性求得攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，而后將大視場(chǎng)劃分成n×n個(gè)子空間，分別對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定；在測(cè)量所需的焦距下拍攝標(biāo)定模不同方位的圖像，然后對(duì)模板圖像進(jìn)行直線提?。焕盟弥本€求取對(duì)應(yīng)正交消隱點(diǎn)，即可求得攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；最后，再標(biāo)定雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的外參數(shù)。本發(fā)明解決了攝像機(jī)圖像不同區(qū)域標(biāo)定與校正參數(shù)不一致的難題，有效提高了標(biāo)定的精度，特別適用于鍛造現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確標(biāo)定。
【專利說(shuō)明】基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及大型鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)中 攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理的基本任務(wù)之一是根據(jù)二維圖像信息恢復(fù)物體的三維幾何信息。 要實(shí)現(xiàn)利用圖像點(diǎn)求取相應(yīng)的空間物體表面點(diǎn)的任務(wù)，需要確定攝像機(jī)參數(shù)，即對(duì)攝像機(jī) 進(jìn)行標(biāo)定。攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程是建立攝像機(jī)所拍攝場(chǎng)景中物體上特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)與物體上 特征點(diǎn)世界坐標(biāo)的關(guān)系。測(cè)量系統(tǒng)中需標(biāo)定的攝像機(jī)參數(shù)分為攝像機(jī)的畸變等內(nèi)參數(shù)和被 測(cè)平面相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的外參數(shù)，其中內(nèi)參數(shù)包括攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)以及尺度因子， 外參數(shù)包括兩攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量。標(biāo)定時(shí)，由場(chǎng)景中已知特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo) 和世界坐標(biāo)即可求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。攝像機(jī)標(biāo)定是構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)地一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo) 定結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度及效果有至關(guān)重要的作用。
[0003] 攝像機(jī)的標(biāo)定方法較多，Tsai提出的基于徑向約束的兩步法及張正友提出的基于 棋盤格靶標(biāo)標(biāo)定方法均可以獲得較高的精度。但是對(duì)于大視場(chǎng)下的攝像機(jī)標(biāo)定而言，由于 傳統(tǒng)標(biāo)定方法所占有視場(chǎng)較小，導(dǎo)致特征點(diǎn)提取誤差大，通過(guò)標(biāo)定獲得的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)存 在誤差，并對(duì)外參數(shù)的標(biāo)定精度產(chǎn)生影響。在實(shí)際的成像系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)復(fù)雜非線性的影 響，在視場(chǎng)的不同區(qū)域，畸變參數(shù)并不一致，用單一的一組內(nèi)外參數(shù)表示被測(cè)平面相對(duì)于攝 像機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行平面圖像測(cè)量，獲得的測(cè)量結(jié)果精度較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)在鍛造現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)標(biāo)定方 法精度較差的問(wèn)題，發(fā)明一種基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法。根據(jù)實(shí)際成像系統(tǒng)非線性畸變 的特點(diǎn)，將整個(gè)視場(chǎng)劃分為ηΧη個(gè)子空間，該方法首先求取主點(diǎn)坐標(biāo)，利用分塊的思想將 視場(chǎng)劃分成ηΧη個(gè)子空間，而后分別對(duì)ηΧη個(gè)子空間進(jìn)行標(biāo)定：利用標(biāo)定模板特征點(diǎn)計(jì) 算圖像的正交消隱點(diǎn)，并計(jì)算相機(jī)的尺度因子，最后，以基本矩陣和本質(zhì)矩陣分別得出ηΧη 個(gè)子空間的參數(shù)。在每個(gè)子空間上利用基于主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法分別進(jìn)行其余 內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)的標(biāo)定，能較好地補(bǔ)償實(shí)際成像系統(tǒng)中存在的誤差，并取得較高的圖像測(cè) 量精度。所以，這種標(biāo)定方法有效提1? 了標(biāo)定的精度。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法，其特征是，標(biāo)定方法 首先利用變焦的方法計(jì)算出攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，在不同焦距下拍攝標(biāo)定模板的7幅圖像，通 過(guò)縮比不變性求得攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，而后將大視場(chǎng)劃分成ηΧη個(gè)子空間，分別對(duì)每個(gè)區(qū)域 進(jìn)行標(biāo)定，具體標(biāo)定方法如下：在測(cè)量所需的焦距下拍攝標(biāo)定模不同方位的圖像，然后對(duì)模 板圖像進(jìn)行直線提??；利用所得直線求取對(duì)應(yīng)正交消隱點(diǎn)，即可求得攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；最后， 同時(shí)標(biāo)定雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的外參數(shù)，具體步驟如下：
[0006] 步驟1 :求取攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)
[0007] 攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)際上是要求出內(nèi)參數(shù)矩陣K，兩攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量 t。通用的攝像機(jī)模型可表示為：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于分塊的攝像機(jī)標(biāo)定方法，其特征是，標(biāo)定方法首先利用變焦的方法計(jì)算出 攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，在不同焦距下拍攝標(biāo)定模板的7幅圖像，通過(guò)縮比不變性求得攝像機(jī)主 點(diǎn)坐標(biāo)，而后將大視場(chǎng)劃分成nXn個(gè)子空間，分別對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定；在測(cè)量所需的焦 距下拍攝標(biāo)定模不同方位的圖像，然后對(duì)模板圖像進(jìn)行直線提?。焕盟弥本€求取對(duì)應(yīng) 正交消隱點(diǎn)，即可求得攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；最后，再標(biāo)定雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的外參數(shù)，標(biāo)定方法 的具體步驟如下： 步驟1 :求取攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo) 攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)際上是要求出內(nèi)參數(shù)矩陣K，兩攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量t;通 用的攝像機(jī)模型可表示為：
其中，（Xw，Yw，Zw，1)T為空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，（x，y，1)T為空間點(diǎn)在圖像坐 標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，fx，fy為攝像機(jī)尺度因子，為像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)，z為比例因 子； (1) 采集變焦距圖像 在待測(cè)目標(biāo)的同一側(cè)布置兩臺(tái)攝像機(jī)構(gòu)成雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，按照攝像的位置關(guān)系， 分別為左攝像機(jī)（2a)和右攝像機(jī)（2b);標(biāo)定左攝像機(jī)（2a)時(shí)，調(diào)整標(biāo)定模板的位置，保證 標(biāo)定模板在不同拍攝焦距時(shí)，均在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)，在最大焦距下，對(duì)攝像機(jī)合焦；標(biāo)定模板 靜止，逐漸減小攝像機(jī)焦距，在不同焦距下拍攝7幅模板圖像；使用同樣的方法采集右攝像 機(jī)（2b)的7張圖像； (2) 分別計(jì)算左、右攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo) 改變焦距時(shí)，攝像機(jī)視場(chǎng)呈現(xiàn)比例擴(kuò)縮現(xiàn)象，因此在不同焦距拍攝的圖像中，特征點(diǎn)連 線的交點(diǎn)即為主點(diǎn)；計(jì)算攝像機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，利用拍攝的七張圖片，將不同圖像上標(biāo)定模板相 同特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的7個(gè)像點(diǎn)采用線性回歸的方法擬合成n條直線，第i條直線的擬合方程為： Ii:ajU+biV+Cj= 0,(i=I, 2. . .n) (2) 以到像點(diǎn)連線距離平方和最小為目標(biāo)函數(shù)S，其中，
計(jì)算主點(diǎn)坐標(biāo)（uQ,V。），分別求出左、右攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)（u1Q,v1(l)和（U1^vki); 步驟2 :大視場(chǎng)子空間劃分 將雙目測(cè)量系統(tǒng)中的左、右攝像機(jī)合理放置，調(diào)整攝像機(jī)的視場(chǎng)，使左、右攝像機(jī)視場(chǎng) 重疊，并根據(jù)測(cè)量距離選擇合適的焦距，進(jìn)行合焦操作；按照分塊的思想，將大視場(chǎng)劃分 成nXn個(gè)等分，得到nXn個(gè)子空間，按照行列子空間分別編號(hào)為\_，（i=l，2...n，j= I, 2.. .n), 其中，i為子空間所在的行，j為子空間所在的列； 步驟3:單個(gè)子空間標(biāo)定 根據(jù)變焦距計(jì)算的主點(diǎn)坐標(biāo)，分別在各個(gè)子空間標(biāo)定出尺度因子和攝像機(jī)的外部參 數(shù)； (1) 求取攝像機(jī)尺度因子 利用已經(jīng)得出的主點(diǎn)坐標(biāo)，基于正交消隱點(diǎn)計(jì)算攝像機(jī)的尺度因子匕和&，以左像機(jī) 為例，說(shuō)明標(biāo)定的具體過(guò)程： (a) 圖像采集，分別在每個(gè)子空間Sij,(i= 1，2. . .n,j= 1，2. . .n)區(qū)域內(nèi)，拍攝標(biāo)定 模板在不同位姿下的圖像10張，作為求取攝像機(jī)尺度因子的圖像； (b) 根據(jù)拍攝得到標(biāo)定模板的不同方位的圖像，分別求出左攝像機(jī)的10組正交消隱點(diǎn) 對(duì)Pi (uPi，vPi)，Qi (uQi，vQi)，i= 1，2. ? ? 10 ; (c) 將10組正交消隱點(diǎn)對(duì)分別代入非線性方程：
其中，（uPi，vPi)、（uQi，vQi)分別為第i幅圖像的正交消隱點(diǎn)對(duì)，聯(lián)立方程組，利用非線性 最小二乘方法迭代求解非線性方程組獲得尺度因子，即fy，fx ;其中，（uw，Vltl)為左攝像機(jī)的 主點(diǎn)坐標(biāo)，fy，fx為攝像機(jī)等效焦距，由此可得左攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣
采用相同的步驟（a)、（b)和（c)可得到右攝像機(jī)的尺度因子，由步驟1中的主點(diǎn)坐標(biāo) 構(gòu)成右攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣Kk ; (2) 求取攝像機(jī)的外參數(shù) 利用基本矩陣求取攝像機(jī)的外參數(shù)，首先在子空間區(qū)域擺放兩次標(biāo)定模板，并拍攝圖 像，攝像機(jī)間外部參數(shù)的標(biāo)定的具體步驟如下： (a) 求取基本矩陣F，根據(jù)拍攝的兩張圖像，提取對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，利用對(duì)應(yīng)像點(diǎn)的齊次 坐標(biāo)獲得線性方程： [uu' ，vu' ,U1 ，uv' ,W1 ,V1 ,u,v, 1]f= 0 (6) 其中，（u，v)，（u'，v')分別為左右攝像機(jī)圖像中對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，為9維列向量， 為f= [fn，f12,f13,f21，f22,f23,f31，f32,f33]T基本矩陣F的第i行、第j列上的元素；提取所 采集的兩幅圖像中n(n彡8)組對(duì)應(yīng)點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)點(diǎn)矩陣A:
其中，（Ui，Vi)，（u/，v/ )為兩幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)；利用Af= 0,即可求得基本矩 陣F; (b) 根據(jù)左、右攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣KuKk，由公式⑶即可得到本質(zhì)矩陣E; E=KetFKl (8) (c) 本質(zhì)矩陣由雙目立體視覺(jué)的內(nèi)外參數(shù)決定，對(duì)公式⑶中得到的本質(zhì)矩陣E進(jìn)行奇 異值分解：
其中，OO2,O3為特征值且Oi彡O2彡O3 ;從本質(zhì)矩陣算出攝像機(jī)間的外部參數(shù)OIG，其中，f=M,Z為相差的比例因子，t為平移矢量； 外部參數(shù)具有下述4種組合： [UWVtIu3] ； [UWVtI-U3]； [UWtVt |u3]； [UWtVt |-u3] (10) 其中，
》U和V為分解出的矩陣，U3為U的第3列向量，|f| =l,對(duì)以 上4種參數(shù)組合進(jìn)行判斷，方法如下： 由于重建點(diǎn)應(yīng)在兩臺(tái)攝像機(jī)前方，因此將世界坐標(biāo)系分別與左、右攝像機(jī)坐標(biāo)系重合， 重建出的點(diǎn)應(yīng)取三維坐標(biāo)中Z向分量均應(yīng)為正值的組合；由上述參數(shù)組合的形式判斷,計(jì) 算出旋轉(zhuǎn)矩陣R和單位平移矢量？； (d)計(jì)算攝像機(jī)的比例因子，采用長(zhǎng)度為L(zhǎng)的高精度標(biāo)尺作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，使用上述雙目 測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行拍攝并重建出三維長(zhǎng)度1，則攝像機(jī)的比例因子
；根據(jù)f=zr確定 平移矢量t，就得到左右攝像機(jī)的外參數(shù)； 通過(guò)上述步驟計(jì)算出雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)，完成對(duì)單個(gè)子空間的標(biāo)定過(guò)程； 步驟4 :大視場(chǎng)整體標(biāo)定 按照步驟3中的標(biāo)定方法，分別對(duì)nXn個(gè)子空間進(jìn)行標(biāo)定，確定每個(gè)分塊子空間的內(nèi) 外參數(shù)，將所得的內(nèi)外參數(shù)對(duì)應(yīng)其所在子空間進(jìn)行記錄；在雙目視覺(jué)測(cè)量的后續(xù)工作中，根 據(jù)拍攝特征所在大視場(chǎng)中子空間的位置對(duì)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行調(diào)用。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104268876SQ201410505306
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】賈振元, 劉巍, 楊景豪, 樊超楠, 劉陽(yáng), 王靈麗 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)