[发明专利]多台立体相机标定方法和系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及图像和视频处理领域。更具体地，本发明涉及一种利用高度已知的移动物体来标定多路双目立体相机外参的方法和装置。

背景技术

当前，对一个现代化的视频监控系统的要求已经不再局限于和过去一样，只要求在二维图像平面上对物体进行跟踪识别；而是能在实际的三维立体空间中来精确定位和识别物体。正是由于这一需求的提出，立体相机标定目前已经成为计算机视觉应用领域的一个重要组成部分，如何将二维图像平面提取的信息准确地转换到三维立体空间中已成为许多研究者的研究课题。

近些年来，对物体进行定位的研究目标之一是扩大立体相机的跟踪范围但同时也要保证不降低对目标进行三维定位的准确度。为了达到这一目标，通常的做法是增加这些系统中立体相机的数量，使得该系统能覆盖更广的区域同时能捕获到高质量的视频画面。因此，同时对多台相机进行协调管理，将它们的跟踪结果统一起来就变得十分重要。更确切地说，就是要解决两方面的问题。一方面是将每台立体相机在立体相机坐标系下的跟踪结果统一到一个公共的坐标系中，以方便后续多立体相机跟踪结果融合的处理。另一方面是将这个统一的坐标系与真实的物理世界联系起来。在此，本发明将上述两个问题的解决过程统称为立体相机的标定。

现有的立体相机标定的方法大致可以分成自标定方法和基于物体的标定方法两大类。基于物体的标定方法又可以再细分为基于三维物体的标定方法和基于二维物体的标定方法。

自标定方法一般是通过将立体相机绕一个未知的静止的场景移动来实现的。从本质上说，这种标定方法就是找不同图像间点或者线的对应关系，进而求出满足对极约束的立体相机参数。但是，这种方法的一个显著的局限性就是必须找到不同图像间的足够多的点线对应关系，但当场景中的特征较少(如角点)，场景非静止有显著的变化，或是场景和相机是相对静止的时候，该方法将失效。另外一种自标定的方法是通过找消失点来实现的，而消失点可以通过场景中存在的一些标记(如建筑物相互平行的边)来定位，进而求出联系消失点与这些平行线的立体相机参数。

基于物体的标定方法利用几何信息已知的标定物来实现参数的求取。当这些已知的几何信息准确时，这种标定方法的标定精度通常较高。用于标定的物体可以是三维的也可以是二维的。基于三维物体的标定技术是一种最通用的标定技术，它要求用于标定的物体的三维几何信息在标定开始时已知。三维点的坐标和它们在图像平面上的投影之间的转换是通过一个投影矩阵(projection matrix)来实现的。当获得了足够多的三维与二维的对应关系之后，就可以通过直接的线性变换(DLT)来求解投影矩阵中所包含的参数。采用这种方法所获得的标定精度通常较高。与较为复杂的基于三维物体的标定方法相比，基于二维物体的立体相机标定方法则利用一些平面上已知的几何信息来完成标定。这种方法使得标定的准备更加简易可行。操作者通常需要在标定开始前将一些已知的几何图案粘贴到硬纸板上(如采用棋盘格)，然后在待标定的立体相机前移动该硬纸板数次(至少两次)。这种方法是通过硬纸板上的点与图像平面上对应点的单应性来求解立体相机参数的。相对于基于三维物体的标定方法，基于二维物体的标定方法的标定物的准备更加简易、好操作，并且也能达到较好的标定精度。

专利US 2012/0229627 A1设计了一个用于检测移动物体的图像分析系统，同时可以分析移动物体的速度。该系统考虑了图像的透视和尺度等变化，通过立体相机的标定，将图像中的坐标点转换到真实的世界坐标系中。对于该系统，它需要事先将4个反射标记物放置于道路的两旁以定义道路路面。然后测量出由这4个反射标记物确定的道路区域的长度和宽度，然后将测量结果输入到系统中以完成立体相机的标定。

专利US005768443A提出了一种标定多立体相机系统的方法，该系统中的每台立体相机可以同时拍摄到同一个物体各个不同部分的图像。该方法的最终目标是将多台相机的视野统一到一个公共坐标系中来进行精确的测量，即使图像中存在图像畸变。该发明的步骤包括：(1)将待标定的摄相机固定于包含有标记的平台上；(2)确保每台相机能拍摄到平台上的标记；(3)找出拍摄到的每张标记物图像上的特征点；(4)校正图像中特征点的失真；(5)将所有特征点转换到一个统一的全局坐标系中。该发明一方面考虑了如何将每台相机的图像坐标系转换到一个统一的物理坐标系中，另一方面，考虑了如何去除图像的失真。另外，它的标定是通过平台上静止的标记来完成的。