[發明專利]一種基于方靶模型和透視投影的相機畸變校正方法

有效

• 申請號: 201310698848.1
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103729841A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 袁勇;艾青;王輝;歐飛奇
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及一種工業定焦相機圖像幾何畸變校正方法，尤其是涉及一種基于方靶模型和透視投影的相機畸變校正方法。

背景技術

由于相機鏡頭的物理非線性特征，在成像過程中不可避免的會造成實物形狀在圖像上的畸變。這種幾何畸變不僅影響采集圖像的視覺效果，而且如果直接應用到工業近景測量上，將會降低相機測量精度，對結果產生不利的影響。相機在元件的加工和鏡頭裝配過程中還存在各種誤差，也將加劇圖像的幾何畸變結果。普通工業相機成本低，使用方便，但是在成像過程中存在畸變大、幾何失真嚴重等缺點。如果能夠較好地進行圖像幾何畸變校正，成本低廉的普通工作相機在近景測量領域將有著極大的應用價值。

目前，相機的幾何畸變標定方法可以分為兩大類，一類是基于專業光學儀器的方法，該方法需要專業人員在專用的儀器上進行標定，成本高昂，普適性差，限制了該方法的推廣；另一類是對生成的圖像進行處理，不需要專門的儀器，只需要相機拍攝幾幅靶標或者標定物的圖像，通過計算機程序進行計算處理，從而標定出相機的幾何畸變參數。這種方法操作簡單，現階段被廣泛的研究和應用。

現有的圖像畸變校正方法一般都是在成像面上進行的，大多數方法是根據提出的幾何畸變模型對圖像進行校正，還有一些方法是根據標定物幾何特征的不變性來進行校正的。

相機的幾何畸變模型被廣泛的認為由三種組成：徑向畸變、離心畸變和薄棱畸變，分別可以用徑向畸變系數、離心畸變系數和薄棱畸變系數表示。離心畸變和薄棱畸變又由徑向分量和切向分量兩部分組成(J.Weng.P.Cohen，and?M.Hemiou，Camera?Calibration?with?Distortion?Models?and?Accuracy?Evaluation，IEEE?Trans.Pattem?Analysis?and?Machine?Intelligence，vol.14，no.10，pp.965-980，Oct.1992)。幾何畸變模型的不足是三種畸變參數互相耦合，模型復雜，帶來較大的計算工作量，并且不能克服裝配誤差等帶來的畸變情況。

還有的模型認為徑向畸變是畸變的主要來源(Lili?Ma，YangQuan?Chen，and?Kevin?L.?Moore,?Flexible?camera?calibration?using?a?new?analytical?radial?undistortion?formula?with?application?to?mobile?robot?localization,in?IEEE?International?Symposium?0n?Intelligence?Control，Houston，USA，October2003)，利用多項式或者其他數學函數擬合幾何畸變。這種方法簡化了計算，但是用徑向畸變來代替全部的畸變必定會使精度降低，而且使用的數學函數不能說明畸變的物理來源。

根據標定物投影之后某些幾何特征不變的特性也可以對圖像進行畸變校正，例如直線性或者截面比不變性(如：Guangjun?Zhang，Junji?He，Xianming?Yang，Calibrating?camera?radial?distortion?with?cross-ratio?invariability,?Optics?&?Laser?Technology35(2003)457-461)。這種對圖像進行校正的方法能夠解決元件或者裝配誤差造成的畸變，只使用透視投影原理，不考慮畸變的物理來源，方法精確度高，但是標定過程和原理較為復雜，精度也依賴于標定物的制作質量。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于方靶模型和透視投影的相機畸變校正方法，該方法不使用畸變模型，計算過程簡單，同時能夠很好的克服相機元件和裝配誤差造成的圖像畸變。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于方靶模型和透視投影的相機畸變校正方法，該方法包括以下步驟：

1)建立相機坐標系：以相機中心為原點，相機光軸為Z軸，圖像水平方向為X軸，圖像豎直方向為Y軸，建立相機坐標系，Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心：

2)計算網格點坐標：相機采集網格點靶標的原圖像，提取圖像中的每個網格點，計算網格點在相機坐標系中的空間坐標；

3)計算網格點靶標平面在相機坐標系中的方程：選取圖像平面上圖像中心周圍構成四邊形的4個網格點，根據方靶模型，計算出網格點靶標平面在相機坐標系中的平面方程式，該平面方程式所對應的面即為成像平面：