移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法
【專利摘要】移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，包括以下步驟：采用黑白棋盤格圖像作為標(biāo)定物，在標(biāo)定物上選擇多個(gè)特征點(diǎn)；利用待標(biāo)定的移動(dòng)終端相機(jī)拍攝至少2張標(biāo)定物影像；識(shí)別特征點(diǎn)在拍攝的標(biāo)定物影像上的像方坐標(biāo)，并確定其對(duì)應(yīng)的物方坐標(biāo)；根據(jù)特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)(u,v)、物方坐標(biāo)(X,Y,Z)的投影變化關(guān)系式解算標(biāo)定參數(shù)：主距分量(fx,fy)、偏心畸變系數(shù)(cx,cy)、徑向畸變系數(shù)(k1,k2,k3)、切向畸變系數(shù)(p1,p2)。本發(fā)明是專門針對(duì)移動(dòng)終端相機(jī)物理特性設(shè)計(jì)的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定參數(shù)解算，解決傳統(tǒng)標(biāo)定法工作時(shí)間長(zhǎng)、操作不便、價(jià)格昂貴、不適用于移動(dòng)終端等問題，該方法解算結(jié)果精度高、穩(wěn)定性好，為有效實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定，獲取高質(zhì)量影像提供了有力保證。
【專利說明】移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相機(jī)標(biāo)定【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作為攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展第三個(gè)階段，以其原始數(shù)據(jù)與產(chǎn)品成果數(shù)字 化、處理過程自動(dòng)化等特點(diǎn)，已廣泛用于三維測(cè)圖、數(shù)字城市、文物保護(hù)以及三維導(dǎo)航等多 個(gè)方面。
[0003] 在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，影像的質(zhì)量是決定后期數(shù)據(jù)處理與最終成果精度與準(zhǔn)確性的 重要因素之一。然而，由于鏡頭制作工藝、原材料質(zhì)量等因素的限制，影像不可避免地包含 諸如直線彎曲、矩形錯(cuò)切等不可忽略的幾何畸變。這些畸變將導(dǎo)致后期處理中產(chǎn)生諸如精 度損失、影像變形等問題。因此，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在獲取影像前，往往需確定相機(jī)畸變系數(shù)等 標(biāo)定參數(shù)，即進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，并利用標(biāo)定結(jié)果對(duì)影像進(jìn)行重采樣，消除影像的畸變。
[0004] 隨著電子技術(shù)的發(fā)展、手機(jī)、平板等移動(dòng)終端逐漸普及并廣泛應(yīng)用于攝影攝像中， 其拍攝影像也同樣存在畸變的問題。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)不同類型相機(jī)、不同標(biāo)定方法均進(jìn)行了大量的研究，但 目前還沒有一種適用于所有相機(jī)的標(biāo)定算法和流程。傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定是在獲取標(biāo)定物影像 的基礎(chǔ)上，利用如CDW(Close-RangeDigitalWorkstation)等專業(yè)軟件，進(jìn)行相機(jī)內(nèi)方位 元素與畸變系數(shù)等標(biāo)定參數(shù)的解算。此類方法一般需要專門設(shè)備、指定程序以及特殊標(biāo)定 環(huán)境的支持，不但標(biāo)定設(shè)備價(jià)格昂貴，也不能及時(shí)獲取標(biāo)定參數(shù)，缺乏一定的靈活性，不適 用于移動(dòng)終端。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo) 定方法，以準(zhǔn)確、高效、靈活、低成本地消除移動(dòng)終端拍攝影像的幾何畸變，提高影像質(zhì)量， 解決傳統(tǒng)標(biāo)定法標(biāo)定設(shè)備昂貴、操作不便等問題。
[0007] 本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，包括以下步驟：
[0009] Sl選用標(biāo)定物：采用黑白棋盤格圖像作為標(biāo)定物，在標(biāo)定物上選擇多個(gè)特征點(diǎn)； [0010]S2拍攝待解算影像：利用待標(biāo)定的移動(dòng)終端相機(jī)拍攝至少2張標(biāo)定物影像；
[0011] S3識(shí)別特征點(diǎn)坐標(biāo)：識(shí)別特征點(diǎn)在拍攝的標(biāo)定物影像上的像方坐標(biāo)，并確定其對(duì) 應(yīng)的物方坐標(biāo)；
[0012] S4解算標(biāo)定參數(shù)：根據(jù)特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，V)和物方坐標(biāo)（X，Y，Z)解算標(biāo)定參 數(shù)，所述標(biāo)定參數(shù)包括主距分量（fx,fy)、偏心畸變系數(shù)（Cx,Cy)、徑向畸變系數(shù)Gi1,k2,k3)、 切向畸變系數(shù)（P1,P2);特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，v)、物方坐標(biāo)（X，Y，Z)的投影變化關(guān)系滿足以 下兩式：

【權(quán)利要求】
1. 移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟： Sl選用標(biāo)定物：采用黑白棋盤格圖像作為標(biāo)定物，在標(biāo)定物上選擇多個(gè)特征點(diǎn)； S2拍攝待解算影像：利用待標(biāo)定的移動(dòng)終端相機(jī)拍攝至少2張標(biāo)定物影像； S3識(shí)別特征點(diǎn)坐標(biāo)：識(shí)別特征點(diǎn)在拍攝的標(biāo)定物影像上的像方坐標(biāo)，并確定其對(duì)應(yīng)的 物方坐標(biāo)； S4解算標(biāo)定參數(shù)：根據(jù)特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，v)和物方坐標(biāo)（X，Y，Z)解算標(biāo)定參數(shù)， 所述標(biāo)定參數(shù)包括主距分量（fx，fy)、偏心畸變系數(shù)（cx，c y)、徑向畸變系數(shù)Gc1, k2, k3)、切向 畸變系數(shù)（P1, P2);特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，v)、物方坐標(biāo)（X，Y，Z)的投影變化關(guān)系滿足以下兩 式：
公式（1)中，Rp馬、R3為三個(gè)旋轉(zhuǎn)向量，用于表示空間點(diǎn)物方坐標(biāo)與像方坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn) 變化；T為平移向量，用于表示空間點(diǎn)物方坐標(biāo)與像方坐標(biāo)的平移變化；s為齊次坐標(biāo)系數(shù)； λ '為圖像變化時(shí)的縮放系數(shù)，用于表示經(jīng)旋轉(zhuǎn)、平移以及內(nèi)方位元素投影變換后的空間點(diǎn) 物方坐與像方坐標(biāo)的縮放變化； 公式（2)中，（u'，v'）是將物方坐標(biāo)（Χ，Υ，Ζ)代入公式（1)計(jì)算得到的像方坐標(biāo)理論 值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S4中根據(jù)特征點(diǎn) 的像方坐標(biāo)（u，V)和物方坐標(biāo)（Χ，Υ，Ζ)解算標(biāo)定參數(shù)的過程包括以下步驟 ： 541、 將特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，v)及其對(duì)應(yīng)的物方坐標(biāo)（Χ，Υ，Ζ)代入公式（1)求解主距 分量（fx，f y)、偏心畸變系數(shù)（cx，cy)，本步驟中至少代入4個(gè)特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，V)和物 方坐標(biāo)（X，Y，Z)，這些特征點(diǎn)至少來(lái)自兩張影像，每張影像至少選取兩個(gè)特征點(diǎn)； 542、 將解出的fx、fy、cx、Cy的值代入公式（1)，并將特征點(diǎn)的物方坐標(biāo)（X，Υ，Ζ)代入公 式（1)中計(jì)算出的特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)理論值，該像方坐標(biāo)理論值用（u'，v')表示； 543、 將特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)理論值（u'，v')以及像方坐標(biāo)（u，v)代入公式（2)，采用 最小二乘法求解徑向畸變系數(shù)G^k2, k3)、切向畸變系數(shù)（PpP2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S41包括以下步 驟： S411、首先利用標(biāo)定物黑白棋盤格圖像為平面，即所有特征點(diǎn)物方坐標(biāo)Z = O的特點(diǎn)， 將公式（1)簡(jiǎn)化為：
5412、 建立單應(yīng)性矩陣H，令單應(yīng)性矩陣H為： H = [h 九 h3] = λ，AER1 R2 T] (4) 5413、 將特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，v)及其對(duì)應(yīng)的物方坐標(biāo)（Χ，Υ)帶入式（3)，在最小二乘 原理下，采用平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)確定方法求得λ' AtR1 R2 Τ]即H的具體值，從而可求得 hp h2和h3的具體值； 5414、 由于R1, R2為旋轉(zhuǎn)向量，利用其相互正交且模長(zhǎng)相等兩個(gè)特點(diǎn)，構(gòu)建約束方程：
5415、 將步驟S413中求得的hp h2的具體值代入公式（5)中求出λ 2A^T1的值； 5416、 求解 fx、fy、cx、cy :
假定步驟S415中求得的λ 2AlT1的值為
等量代換得
根據(jù)公式（6)可求得：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S41中還利用剩余 的特征點(diǎn)的像方坐標(biāo)（U，v)和物方坐標(biāo)（X，Y，Z)采用最小二乘法對(duì)主距分量（fx，fy)、偏心 畸變系數(shù)（cx，cy)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過程中特征點(diǎn)滿足的條件為：
式中，η為待解算影像張數(shù)，m為每張待解算影像包含的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，π^_為第i張待 解算影像中第j個(gè)角點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，V)，Λ為第i張待解算影像的旋轉(zhuǎn)矩陣；Mij為第 i張待解算影像中第j個(gè)角點(diǎn)的物方坐標(biāo)（X，Y，Z)，?,為第i張待解算影像的平移向量； 為通過公式（1)計(jì)算出的第i張待解算影像中第j個(gè)角點(diǎn)的像方坐標(biāo)理論 值（U'，V '）。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S43中采用最小二 乘法龍解徑向畸奪系數(shù)（k,.k". U、切向畸奪系數(shù)（n)時(shí)端足的備件為：
式中，η為待解算影像張數(shù)，m為每張待解算影像包含的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，π^_為第i張待 解算影像中第j個(gè)角點(diǎn)的像方坐標(biāo)（u，V)，1為第i張待解算影像的旋轉(zhuǎn)矩陣；Mij為第 i張待解算影像中第j個(gè)角點(diǎn)的物方坐標(biāo)（X，Y，Z)，f,為第i張待解算影像的平移向量； /?+4名，々243，/?1，/?2，瓦，云，財(cái) (^為通過公式（1)和公式（2)計(jì)算出的第1張待解算影像中 第j個(gè)角點(diǎn)的最終理論像方坐標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟Sl中， 將所述黑白棋盤格圖像的每四個(gè)黑白交錯(cuò)的方格的中心點(diǎn)作為特征點(diǎn)，選擇特征點(diǎn)分布為 6X9或7X10的黑白棋盤格圖像作為標(biāo)定物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S2中，利 用待標(biāo)定的移動(dòng)終端相機(jī)拍攝5張標(biāo)定物影像。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S2中，利 用待標(biāo)定的移動(dòng)終端相機(jī)從不同的角度拍攝5張標(biāo)定物影像，拍攝5張標(biāo)定物影像時(shí)的移 動(dòng)終端相機(jī)與標(biāo)定物的垂直距離相等，移動(dòng)終端到標(biāo)定物中心的直線與標(biāo)定物成40-50度 夾角。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S2中，利用待標(biāo)定 的移動(dòng)終端相機(jī)從不同的角度拍攝5張標(biāo)定物影像，1張正對(duì)拍攝，另外四張分別從上下左 右四個(gè)方向以移動(dòng)終端到標(biāo)定物中心的直線與標(biāo)定物成40-50度夾角進(jìn)行拍攝。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的移動(dòng)終端相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟S3包括 以下步驟： S31特征點(diǎn)探測(cè)：獲取每張待解算影像的各特征點(diǎn)的像素級(jí)的影像坐標(biāo)（u°，v°)，判定 特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)和排布情況是否與標(biāo)定物一致，若一致則視拍攝影像正確并予以保留，若不 一致，則將特征點(diǎn)存在錯(cuò)誤的影像剔除； S32精化坐標(biāo)：采用亞像素檢測(cè)方法獲取特征點(diǎn)的亞像素級(jí)影像坐標(biāo)（u"，v")，提供 后期標(biāo)定參數(shù)解算用的像方坐標(biāo)數(shù)據(jù)； S33建立特征點(diǎn)對(duì)：確定影像中特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物方坐標(biāo)，并關(guān)聯(lián)每個(gè)特征點(diǎn)的物方坐 標(biāo)和像方坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104376572SQ201410720541
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】楊容浩, 李少達(dá), 楊曉霞, 楊佳, 張博, 王鵬 申請(qǐng)人:成都理工大學(xué)