[發(fā)明專利]基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相機(jī)高精度標(biāo)定及畸變補(bǔ)償方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710636556.3
• 申請(qǐng)日: 2017-07-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107481290A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉書桂;韓振華;王森;馮鑫;張國(guó)雄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/80
• 分類號(hào): G06T7/80;G06T7/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 劉國(guó)威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，涉及到相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的高精度標(biāo)定方法及實(shí)現(xiàn)。具體講,涉及基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相機(jī)高精度標(biāo)定及畸變補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

攝相機(jī)的標(biāo)定是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中的重要部分，相機(jī)標(biāo)定的精度直接影響著視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的精度。相機(jī)的標(biāo)定可以追溯到1919年^[4]，A.Conrady第一個(gè)提出了離心畸變的模型，此后有很多有效的方法提出來(lái)，大致可以分為三類：線性標(biāo)定法，非線性標(biāo)定方法、線性和非線性結(jié)合標(biāo)定方法。

線性標(biāo)定方法通過(guò)求解線性方程確定標(biāo)定參數(shù)，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮鏡頭的畸變，未知數(shù)的個(gè)數(shù)通常比像點(diǎn)位置變化的自由度多，不能滿足相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)約束性，對(duì)噪聲比較敏感，收斂性也不好^[12]。直接線性變換^[8]是由Abdal-Aziz和Karara70年代初提出的，特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，精度不高。

非線性標(biāo)定法是基于未知量與已知量之間建立的非線性數(shù)學(xué)模型。通過(guò)迭代求解目標(biāo)函數(shù)，此種方法可以達(dá)到很高的精度，但是計(jì)算比較復(fù)雜，如果初始解取值不合理，就不能得到正確的結(jié)果。文獻(xiàn)[9,10,11,18,19]都屬于此類方法。相機(jī)的自標(biāo)定方法是僅靠多幅圖片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定^{[13,14,15,16]}，靈活性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，但是魯棒性不高。

目前應(yīng)用較多的方法屬于線性和非線性相結(jié)合的方法。在相機(jī)的標(biāo)定過(guò)程中部分用到了線性方程求解，也用到了非線性迭代優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化計(jì)算而且具有較高的精度。Tsai提出的基于徑向約束的兩步法最具有代表性^[6,7]，算法的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)迭代實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化，但是只考慮了徑向畸變，需要非線性優(yōu)化，畸變補(bǔ)償精度不夠高。張正友提出了比較靈活的相機(jī)標(biāo)定方法^[17]，利用多幅不同姿態(tài)的棋牌格圖建立約束關(guān)系，利用線性方程求解畸變系數(shù)，利用非線性進(jìn)行優(yōu)化。后來(lái)一些研究者針對(duì)畸變補(bǔ)償精度不高的問(wèn)題提出了徑向畸變、離心畸變、薄棱鏡畸變等數(shù)學(xué)模型^{[1,2,3,5,12,19]}，在一定程度上提高了相機(jī)畸變的補(bǔ)償精度，但是對(duì)于大尺寸的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)畸變補(bǔ)償精度仍然不能滿足需要。傳統(tǒng)標(biāo)定方法所用標(biāo)定物大多是刻劃的平面特征圖案，空間立體特征信息提取較少，提取的特征點(diǎn)成像一般只能覆蓋部分成像面，很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)成像面的覆蓋。

基于以上研究現(xiàn)狀本發(fā)明提出了一種基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相機(jī)高精度標(biāo)定及畸變補(bǔ)償方法。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)高精度標(biāo)定及畸變補(bǔ)償。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相機(jī)高精度標(biāo)定及畸變補(bǔ)償方法，步驟1確定傳統(tǒng)相機(jī)成像模型各個(gè)參數(shù)的求解方法，根據(jù)步驟2采集的數(shù)據(jù)標(biāo)定出步驟1中的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)并按照步驟1的畸變公式進(jìn)行補(bǔ)償，步驟3是在步驟1和步驟2進(jìn)行標(biāo)定和畸變補(bǔ)償之后根據(jù)剩余的成像畸變量建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行再一次的畸變補(bǔ)償，具體地：

步驟1確定新的相機(jī)標(biāo)定及畸變補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

根據(jù)小孔成像模型建立理想坐標(biāo)系，由于實(shí)際成像時(shí)存在各種畸變，實(shí)際的像面坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為理想像面坐標(biāo)系，圍繞x_i軸的旋轉(zhuǎn)角是θ，圍繞y_i軸的旋轉(zhuǎn)角切向畸變用這種旋轉(zhuǎn)變換來(lái)表示，根據(jù)原始成像點(diǎn)坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角θ,以及一階徑向畸變系數(shù)為k₁,二階階徑向畸變系數(shù)為k₂，世界坐標(biāo)系是o_w-x_wy_wz_w，攝像機(jī)坐標(biāo)系為o_c-x_cy_cz_c，理想像面坐標(biāo)系為o-x_iy_i，實(shí)際像面坐標(biāo)系為o-x_ry_r。點(diǎn)P為實(shí)際物點(diǎn)，p_i為理想成像點(diǎn)，p_r為實(shí)際成像點(diǎn)， p_d為具有徑向畸變的成像點(diǎn)，以o為原點(diǎn)，基于理想像面坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸x_i,y_i以及相機(jī)光軸建立坐標(biāo)系o-z_cx_iy_i，則: