[發(fā)明專利]一種基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910007205.5
• 申請(qǐng)日: 2019-01-04
• 公開（公告）號(hào): CN109754435B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉震;任一鳴;李若銘;吳穗寧;閻峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/80
• 分類號(hào): G06T7/80
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;成金玉

1.一種基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟a、將小的高精度圓發(fā)光點(diǎn)靶標(biāo)靠近鏡頭，靶標(biāo)特征點(diǎn)為圓發(fā)光點(diǎn)，保證靶標(biāo)圖像占整個(gè)圖像的60％～70％，同時(shí)保證靶標(biāo)擺放角度變化范圍為±45°；所用小靶標(biāo)特征點(diǎn)圓發(fā)光點(diǎn)橫縱向間距均為2mm，特征點(diǎn)數(shù)量為10×10，小靶標(biāo)尺寸為2cm×2cm；

步驟b、調(diào)整待標(biāo)定攝像機(jī)光圈與曝光時(shí)間，對(duì)不同擺放位置的小靶標(biāo)進(jìn)行拍攝，得到可辨識(shí)的靶標(biāo)圖像；

步驟c、建立拍攝所得的靶標(biāo)圖像中圓發(fā)光點(diǎn)，即特征點(diǎn)圖像定位不確定度數(shù)學(xué)模型，求解出每個(gè)特征點(diǎn)圖像的中心定位不確定度，先采用張正友標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，得到攝像機(jī)內(nèi)參的初值以及參數(shù)的不確定度；

步驟d、以步驟c中的特征點(diǎn)及參數(shù)的不確定度為約束，進(jìn)行非線性優(yōu)化，得到每個(gè)特征點(diǎn)定位偏差；

步驟e、基于步驟d中獲得的圖像特征點(diǎn)定位偏差，補(bǔ)償特征點(diǎn)的定位偏差，采用補(bǔ)償偏差后的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行張正友標(biāo)定方法標(biāo)定，得到攝像機(jī)的內(nèi)參值；

所述步驟c中，建立特征點(diǎn)定位不確定度的數(shù)學(xué)模型以及求解每個(gè)特征點(diǎn)的中心定位不確定度的過程為：

(1)依據(jù)靶標(biāo)圖像中特征點(diǎn)圖像對(duì)稱特性，靶標(biāo)圖像在圓特征點(diǎn)區(qū)域的灰度分布滿足高斯分布，采用基于光點(diǎn)亞像素求解方法對(duì)靶標(biāo)圖像中特征點(diǎn)進(jìn)行建模；

(2)通過在步驟(1)中靶標(biāo)圖像特征點(diǎn)模型基礎(chǔ)上疊加圖像噪聲模型，建立特征點(diǎn)中心坐標(biāo)定位不確定度與圖像噪聲之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示：其中為圖像噪聲的方差，n為下角標(biāo)，代表噪聲，K為理想無噪聲圖像的最大灰度值，為圖像中坐標(biāo)為(s₀,t₀)的點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)軸方向上的定位方差；

(3)通過求解特征點(diǎn)周圍圖像噪聲，由步驟(2)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式，得出每個(gè)特征點(diǎn)中心定位不確定度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法，其特征在于：步驟a中采用2cm×2cm的發(fā)光圓點(diǎn)靶標(biāo)靠近鏡頭，打破了常規(guī)攝像機(jī)標(biāo)定中靶標(biāo)必須擺放在聚焦空間內(nèi)、靶標(biāo)要加工的足夠大這兩個(gè)核心約束；同時(shí)，也很容易使得靈活小靶標(biāo)在擺放過程中占據(jù)較大的圖像面積，且能夠保證較大的擺放角度；其中，靶標(biāo)圖像占整個(gè)圖像的60％～70％，同時(shí)保證靶標(biāo)擺放角度變化范圍為±45°之內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法，其特征在于：步驟b中，得到可辨識(shí)的靶標(biāo)圖像的方法如下：

(1)減小光圈增加攝像機(jī)景深,以使得小靶標(biāo)成像盡量清晰；

(2)減小光圈的同時(shí)提高攝像機(jī)曝光時(shí)間，最終得到可辨識(shí)的靶標(biāo)圖像。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法，其特征在于：步驟d中,得到每個(gè)特征點(diǎn)定位偏差的過程如下：

(1)分離攝像機(jī)成像過程中的透視投影、畸變模型以及圖像噪聲模型；

(2)基于步驟c中得到每個(gè)特征點(diǎn)中心定位不確定度，得到透視投影模型中的無畸變圖像點(diǎn)，以無畸變圖像點(diǎn)平面到靶標(biāo)平面之間單應(yīng)矩陣映射為根據(jù)，構(gòu)造圖像投影點(diǎn)誤差、圖像反投影點(diǎn)誤差為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行非線性優(yōu)化，最終得到每個(gè)特征點(diǎn)定位偏差，所述非線性優(yōu)化具體過程為：

(21)以圖像投影點(diǎn)誤差、圖像反投影點(diǎn)誤差建立目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為E(a)＝e₁+e₂，其中e₁,e₂分別為圖像投影點(diǎn)誤差、圖像反投影點(diǎn)誤差，M是靶標(biāo)擺放的位置數(shù)，N靶標(biāo)特征點(diǎn)數(shù)量，p和q分別為靶標(biāo)特征點(diǎn)在靶標(biāo)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；

(22)確定參數(shù)優(yōu)化范圍的約束其中Δu,Δv為圖像偏差，σ_u(ij)和σ_v(ij)為小靶標(biāo)第i個(gè)擺放位置處第j個(gè)點(diǎn)在圖像中特征點(diǎn)定位不確定度，n是非零比例系數(shù)，f_x,f_y,u₀,v₀,k₁,k₂為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)；

(23)采用Levenberg-Marquardt算法得到最優(yōu)解。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小靶標(biāo)模糊圖像的攝像機(jī)在線標(biāo)定方法，其特征在于：步驟e中，以優(yōu)化后的圖像特征點(diǎn)坐標(biāo)作為新的圖像特征點(diǎn)坐標(biāo)，再使用標(biāo)定方法求出新的圖像特征點(diǎn)下標(biāo)定出的攝像機(jī)內(nèi)參值。