[发明专利]基于镜头畸变规律的投影仪标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别涉及一种基于镜头畸变规律的投影仪标定方法。 

背景技术

为了获取投影仪物平面（投影仪中空间光调制器平面，以下简称物平面）二维点与实际物理空间三维点的对应关系，需要对投影仪进行标定。所谓标定，其主要目的是求出投影仪的内部几何和光学特性(也即内部参数)，以及其相对于空间坐标系的位置关系(也即外部参数)。 

投影仪的光学结构与具有远心光学结构的相机相同，但光路相反，因此可以认为投影仪的光学模型是一个具有相反光路的相机系统，故通常把投影仪看做是“逆向”的相机，从而借助相机的标定原理来完成投影仪的标定。 

传统的标定方法包括直接线性变换标定法(DLT)、径向排列约束(RAC)标定法和平面标定法等。Abdal-Aziz和Karara于70年代初提出直接线性变换标定法，该方法把理想针孔模型作为投影仪的成像模型，以此建立线性方程组，其包含了投影仪的标定参数。但是，在设计、加工和组装光学镜片等过程中不可避免的会导致镜头非线性畸变，当镜头畸变明显时，线性模型无法准确地描述投影仪的成像过程，这时在标定过程中需要引入畸变因子进行校正。Tsai在文献(A versatile camera calibration technique for high-accuracy3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses.IEEE Journal of Robotics and Automation,1987,RA-3(4):323-344)中提出基于径向排列约束的两步标定法，由于考虑了径向畸变，在系统标定方面取得了很大的进步。在此基础上，张正友采用二维标定物，在文献(A flexible new technique for camera calibration.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334)中提出平面标定法，提供了一种快速的相机标定方法，为测量系统的速度提高奠定了基础。 

但是，现有技术中存在如下问题： 

1）直接线性变换标定法，采用理想针孔模型，忽略了镜头畸变，只适合视野较小的情况； 

2）径向排列约束两步标定法，只考虑一阶径向畸变，而忽略了其它非线性畸变因素，只适合于精度要求不高的测量； 

3）考虑各种畸变因素时，把整个视场的畸变看成是一致的，不适合大视场光学测量系统。 

其实，光学系统是以光轴对称的，其光轴即为系统的径向对称中心，系统的特性函数只与距该对称中心的距离有关。也就是说，假设光学镜头各向同性，而且物象空间媒质均匀， 则像的失真程度是关于光学中心对称的，即在光学中心处畸变量为零，在其他位置，畸变量随着像元位置和光学中心的距离的变化而变化，但在以光学中心为圆心，半径相等的圆周上，畸变量可以近似看成是不变的。不管是上述的径向畸变还是在设计、加工、装配等过程中造成的镜头切向畸变和偏心畸变，都与距对称中心的距离有关。本发明正是针对现有标定技术的如上问题和基于光学镜头的畸变规律，根据实际应用的要求，寻找到了一种准确、快捷、简便的标定方法，适合于大视场光学系统的精密测量，并且能很好地解决上面的问题。 

发明内容：

本发明目的在于提供一种依据光学镜头畸变规律，基于同心圆环进行投影仪区域标定的方法。该方法通过简单步骤精确地求取投影仪的内部参数和外部参数，提高了标定精度，在整个标定过程中无需辅助设备。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一种基于镜头畸变规律的投影仪标定方法，根据镜头的畸变规律可知：以光学中心为圆心，半径相等的圆周上畸变量近似相同，不同半径圆周上畸变量不同；畸变会造成图像的变形，但从物空间到像空间，二者之间仍存在一一对应的映射关系；变形不会使图像变模糊即不影响图像的清晰度。上述规律为本发明提供了实施条件。本发明提出的技术方案是基于镜头畸变规律标定投影仪，以半径r作为参数划分同心圆环，分区域标定，以得到每个区域的标定参数值，以便于畸变校准、计算三维坐标、恢复三维形貌。 

本发明所述的标定方法包括以下步骤： 

步骤1：打印棋盘格图像，然后将其粘贴在一个平面板的左边（或右边），制成平面标定板；