[发明专利]基于空间共线点的单光心反射折射摄像机焦距标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种摄像机焦距标定方法，尤其是涉及一种基于空间共线点的单光心反射折射摄像机焦距标定方法。

背景技术

许多计算机视觉应用都希望有一个大视角的成像系统，如机器人导航、视觉监控、虚拟现实等。普通摄像机的视角非常有限。单光心反射折射摄像机由一个普通摄像机和一个旋转镜面组成，空间景物先投影到旋转镜面上，然后经过镜面的反射投影到普通摄像机进行成像，因而单光心反射折射摄像机有非常大的视角。摄像机标定就是要估计从三维景物到二维图像的物理成像参数，是许多视觉应用的前提与基础。焦距是最重要的成像参数，其它成像参数可以比较容易地从系统配置或场景的先验信息中获取，而焦距估计是摄像机标定中必不可少的内容。

单光心反射折射摄像机的标定一般可以分为三类：一类是利用标定物进行标定，如利用一维标定杆、标定球、三维标定块等，由于已知三维到二维的精确对应，这类方法标定精度较高，但是需要制作精密的标定物，因而灵活性较差，适用范围较小；第二类是不需要任何场景信息，利用多幅图像中的点对应进行自标定，这类方法适用范围广，但是，由于反射折射图像有很大的畸变，寻找点对应本身就是一个非常困难的任务，因而标定精度较差；第三类是基于直线的反射折射投影，直线是人造场景中普遍存在的几何元素，一条空间直线的单光心反射折射图像是一个二次曲线段，这类方法一般都需要对直线的像进行二次曲线拟合，标定的精度严重依赖于曲线拟合的精度。然而，由于镜面遮挡，一条空间直线的像仅仅占整个二次曲线的一小段，这使得曲线拟合的效果非常差，从而标定精度较差。

申请号为CN201010222347.2的发明专利申请就公开了一种从图像序列中计算摄像机焦距的实时方法，包括以下步骤：从图像序列中选取相邻两张图像；对所述的两张图像进行特征点匹配以得到匹配点对；对所述匹配点对中任意七组匹配点对求解以得到焦距的多个可能解；评估所述每个可能解的准确性且把评估值作为所述每个可能解的权重；依据所述权重对所述每个可能解计算加权求和以评估得到焦距的概率密度函数；在所述焦距的概率密度函数曲面上多次采样以得到多个采样点；运用高斯函数拟合所述采样点，并以所述函数峰值作为最终焦距值。具备上述步骤的从图像序列中计算摄像机焦距的实时方法，存在灵活性较差，适用范围较小的严重缺陷。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术中的不足，提供一种灵活性好、适用范围广、标定精度较高的基于空间共线点的单光心反射折射摄像机焦距标定方法。

为解决现有技术中的问题，本发明基于空间共线点的单光心反射折射摄像机焦距标定方法，包括以下步骤：

1)获取图像点集：提取反射折射图像的边缘，从图像的边缘得到属于一条空间直线的图像点集；

2)随机采样：从步骤1)获取的图像点集中随机采样M组图像点，每组图像点由三个不同的图像点组成，其中M≥1；

3)约束方程的建立与求解：确定步骤2)中采样的每组图像点关于焦距的多项式约束方程，并求解得到M个焦距估计值；

4)焦距的确定：对步骤3)中得到的M个焦距估计值进行预处理，利用单位视球成像模型中空间点的射影性质，根据预处理后的每个焦距估计值，分别确定与步骤1获取的图像点集对应的空间点在单位视球上的投影点集，利用该投影点集，拟合一个通过单位视球球心的平面，计算该投影点集到该平面的平均距离，对应最小平均距离的焦距估计值即为所确定的单光心反射折射摄像机的焦距。

上述方法中，步骤1)中所述提取反射折射图像的边缘是通过基于Canny算子的边缘提取方法。

上述方法中，步骤1)中所述从图像边缘得到属于一条空间直线的图像点集是使用聚类方法或手工方式。

上述方法中，步骤2)中所述采样M组图像点是按照RANSAC方法中的准则进行确定。

上述方法中，步骤3)中所述约束方程的建立包括如下分步骤：

3.1)预处理：令m＝(u v 1)^T表示任意一个图像点，则是将图像原点移至图像主点p＝(u₀ v₀ 1)^T的平移变换，令{m_i：i＝1，2，3}表示步骤2)中采样的任意一组图像点，则i＝1，2，3；

3.2)多项式约束方程的建立：一组图像点{m_i：i＝1，2，3}关于焦距f的多项式约束方程表示如下：