[发明专利]一种摄像机分步自标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，更具体的说，涉及摄像机自标定方法。

背景技术

随着信息和通信技术的不断发展，计算机视觉中三维重建以及增强现实技术得到了越来越广泛的应用。由于计算机获取的都是二维的图像图形信息，缺乏必要的真实感，三维重建技术则可以通过利用场景的两幅、多幅图像或者一段视频序列恢复场景的三维立体结构，使人们能够更加全面地认识和把握真实的事物；增强现实则是通过计算机技术将虚拟物体准确的放置在真实的环境中，并且借助各种显示设备实现虚拟世界与现实世界的无缝融合，从而呈现给用户一个视觉效果真实的新环境。三维重建以及增强现实技术在实际中应用范围十分广大，如在现代工业中，轿车车身、凸轮轴、旋转机械叶片等的表层曲面难于测量设计，使用三维重建技术则能够方便快速的重构出这些结构和曲面；增强现实则可以在电视转播的过程中对视频数据进行补充，添加虚拟的广告信息，然后将融合后的视频数据呈现在电视屏幕上，从而有效降低广告的成本。一个三维重建、增强现实系统的实现，摄像机标定是其中的重要环节，是三维重建、增强现实实现的基础。在三维重建中，摄像机自标定将确定如何从多幅图像中恢复摄像机的运动参数(包括位姿状态)、自身成像有关参数(如焦距等)和场景结构的方法，而在增强现实中，摄像机自标定可为虚实配准提供准确的数据来源，是一个增强现实系统必不可少的关键技术。

摄像机标定的基本任务之一是从摄像机获取的图像信息出发计算三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程称为摄像机标定，标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数以及摄像机相对于世界坐标系的方位。摄像机标定技术十分重要，摄像机标定的参数精度直接影响后期三维重建的精度，因此摄像机标定技术一直是计算机视觉领域里研究的基本任务之一。

摄像机标定通常采用经典的针孔摄像机成像模型，该模型的数学表达如下公式所示：

其中，(x_w y_w z_w 1)^T是空间中任一点P的齐次坐标，(u v 1)^T是图像上对应空间点(x_w y_w z_w 1)^T像点的齐次坐标，α是一比例因子，矩阵K为内参数矩阵，(u₀ v₀)^T是摄像机主点的坐标，即摄像机光轴与图像平面交点的图像坐标，f_u，f_v是摄像机图像u方向和v方向上物理坐标到图像像素坐标的比例系数，R是一个3×3的单位正交矩阵，t是一个平移向量，而矩阵M描述了摄像机相对于世界坐标系的位姿状态。