[發明專利]基于自配極三角形的相機參數標定方法

在審

• 申請號: 201811559076.2
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN109754430A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 周果清;張琦;吳淇;王慶
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種基于自配極三角形的相機參數標定方法，主要環節包括標定板設計以及相機投影模型的建立，線性初始化中相機內參和外參的求解、非線性優化中畸變模型和代價函數的建立以及最優解的迭代方法。本發明能夠更加靈活、魯棒地求解相機的內參和外參。

技術領域

本發明涉及計算機視覺、計算機攝像學和圖像工程領域，具體涉及一種相機參數標定模型和方法。

背景技術

相機標定是圖像測量和機器視覺應用中非常關鍵的環節，它通過建立相機成像的幾何模型，來確定空間物體表面點的幾何位置與其在圖像對應點之間的幾何關系，可根據需求用于后期的測距、位姿估計和三維重建等實際應用。然而，標定結果的精度和算法的穩定性直接影響到了相機工作結果的準確性。精確穩定的標定結果對后續測距和位姿估計的精度，以及三維重建結果質量的改善等都有十分重大的意義。

1987年，Tsai建立了經典的Tsai攝像機模型，提出了兩步標定法，它通過非共面的三維標定物提供圖像點和三維空間點的對應來計算標定參數，但由于其畸變模型簡單，因此不適用于視場較大和畸變嚴重的場合。1999年，張正友提出了一種基于棋盤格標志物的相機參數標定方法，它通過多個視點下棋盤格角點與對應圖像點之間的幾何關系來進行標定參數的求解，由于其角點提取與標定結果高度耦合，因此不適用于一些復雜、特定的環境。2015年，Huang等人提了一種基于自配極三角形的同心圓環標定方法，但由于圓環的各向同性，其無法對相機外參數進行求解。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種相機參數的標定方法，旨在更加靈活、魯棒地求解相機的內參和外參。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

S1、設計具有同心嵌套的至少一個圓與至少一個橢圓圖案的標定板；建立世界坐標系和圖像坐標系，將相應坐標系下的世界點和圖像點用齊次坐標表示，繼而建立由標定物平面到成像平面的投影變換；

S2、拍攝至少3個不同姿態的標定板圖像，每張圖像通過邊緣檢測和最小二乘擬合獲取同心圓與橢圓方程，進而形成兩組自配極三角形，包括一組唯一的共自配極三角形，建立至少6組正交約束關系，求解出絕對二次曲線的圖像K^-TK^-1，通過矩陣分解和逆變換得到內參矩陣K；利用建立的投影模型計算出每個姿態下相機的外參數，包括旋轉矩陣R和平移向量t；

S3、引入畸變模型，建立Sampson誤差代價函數；利用Levenberg-Marquard方法迭代求得最優解。

本發明的有益效果是：

1、相比之前的標定方法，本發明在標定板的設計上，引入了橢圓和圓的同心嵌套，不僅增加了標定板的自配極三角形特性，還實現了標定圖樣的各向異性，解決了傳統圓環方法不能求解外參的缺陷。

2、本發明在特征提取階段，利用Canny邊緣檢測和最小二乘擬合方法提取標定曲線方程，規避了對角點的提取過程，實現了圖像中大量點與最終相機內外參精度之間的耦合，解決了傳統方法依賴于有限點數，精度不高的缺點，提高了最終結果對于噪聲的魯棒性。

3、本發明利用自配極三角形對于絕對二次曲線圖像的正交約束關系，通過絕對二次曲線的特性，最終求解出了相機的內參數。絕對二次曲線圖像的酉對稱特性，實現了在5自由度下對內參矩陣的求解，其結果僅依賴于3個姿態下的6組約束，并且內參求解的整個過程只發生曲線方程自身的運算，而并不需要傳統的點對應關系，有效地解決了復雜環境下的誤匹配情況。

4、本發明在外參求解過程中，所利用的共自配極三角形的頂點均能通過曲線方程的奇異值分解得到，而不用依賴于圖像的直接提取，具有很高的魯棒性，另外，考慮世界平面下共配極三角形的圓心和消影點與圖像平面上相應點之間的對應關系具有比角點更高的顯著性，其同樣能遏制誤匹配情況的發生。

附圖說明