[发明专利]一种基于OpenCV摄像头标定的3D输入方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D输入方法，具体涉及一种具有6自由度的基于OpenCV摄像机标定技术的3D输入方法。

背景技术

传统的2D输入设备，如轨迹球、鼠标和绘图仪等，只提供平面（二维）位置信息，不能提供其在空间坐标系中的三维位置和方向信息。为了弥补2D输入设备的不足，近年来出现了很多三维输入设备，它们广泛应用到娱乐、机器人仿真、医学、工业等诸多领域，如三维操作系统的输入设备，各种游戏类、模拟类虚拟场景的多维控制，机器人主从控制系统，飞行器仿真，手术控制等。

当前主流3D输入设备依据工作原理可分为机械式、电磁式、光学式、声学式和惯性式等，这些设备结构复杂，连线多，成本高，维护难，应用起来十分不方便。本发明基于跨平台计算机视觉库OpenCV摄像机标定技术，利用普通网络摄像机以及PC机（或者嵌入式处理器）实现对棋盘空间位姿精确计算，然后将棋盘位姿信息作为系统的输入信息，为3D输入设备应用开拓了新的领域。

发明内容

本发明的目是提供一种结构简单、连线少、安装方便、成本低、易实现的基于OpenCV摄像机标定的技术，具有6自由度的三维（3D）输入方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）输入棋盘方格大小、角点数目以及摄像机输出图像的大小参数；

（2）判断本次输入的参数是否与上一次保存的棋盘方格大小、角点数目，输出图像大小一致，若一致，程序执行步骤（3），否则程序执行步骤（4）；

（3）对摄像头进行标定，求解摄像机的内部参数矩阵以及摄像机镜头引起的畸形系数：

1）输入需要进行摄像机标定的图像数量；

2）移动或旋转棋盘到不同的位置，通过摄像机采集棋盘的图像，按顺序进行编号并保存；

3）对采集的图像进行灰度处理，提取棋盘图像的角点信息；

4）判断提取的棋盘图像的角点数量与棋盘的角点总数是否一致，若一致，则执行5），若不一致，重新步骤2），采集下一张图片；

5）提取棋盘所有角点的信息，并临时保存；

6）判断摄像机进行标定的图像数量是否与设定的数目相同，若不同，返回步骤2）继续采集图片，若相同，执行步骤7）；

7）收集每张不同角度的棋盘角点信息，计算出摄像头的内参矩阵以及畸形系数；

8）将计算得到的内参矩阵以及畸形系数，保存成XML文件，并释放内存，执行步骤4）；

（4）对摄像头采集棋盘的图像进行灰度处理；

（5）提取图像上棋盘的角点信息；

（6）判断输入图像的角点数目与棋盘的角点总数是否一致，若不一致，提取新的图像，重新执行步骤（4），若一致，执行步骤（7）；

（7）提取棋盘所有角点的位置信息，根据摄像头的内参矩阵以及畸形系数，求解出当前棋盘的位姿，通过空间解析，分别求出棋盘的6个自由度信息，即位置(x,y,z)和姿态(γ,β,α)，最后返回步骤（4）进行新一轮循环计算，直到提取完所有图像。

本发明的有益效果在于：

本发明使用棋盘在空间的移动或旋转量作为3D输入设备的输入信息，克服了传统3D输入设备的结构复杂、成本高、维护困难等缺点。经过实验测试，该3D输入设备能够更准确地获取并有效处理棋盘的位姿，实现操作者的控制意图。

附图说明

图13D输入设备示意图；

图23D输入设备流程图；

图3摄像头标定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明用一个有规律的黑白棋盘、一台普通网络摄像机以及一台PC机（或嵌入式微处理器），基于OpenCV视觉处理库的摄像机标定技术，通过摄像机采集的图片，并进行图像处理，实时计算出棋盘空间位姿，以棋盘位姿作为输入信息的3D输入设备。

本发明首先使用摄像机采集不同位置的棋盘图片，利用OpenCV的摄像机标定技术，提取棋盘中的角点位置信息，利用棋盘上的角点和其图像的对应点进行直接线性变换（DLT变换）以及最小二乘法来确定摄像头的内部参数、以及由摄像机镜头引起的畸形系数，生成并保存摄像机内参矩阵和畸形系数的XML文件；然后通过摄像机实时拍摄棋盘图片，并对图片进行灰度处理；识别并提取棋盘的角点，判断通过识别的棋盘角点数目与棋盘真实的角点数目是否一致；若是角点的数目保持一致，则进行计算棋盘角点的位置信息；结合已求解的内参、畸形系数以及棋盘的角点位置信息，求解出以摄像机为原点的棋盘空间坐标信息，这个棋盘空间坐标就作为3D输入设备的实时的输入信息。