[发明专利]基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置

说明书

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及标定技术领域的高精度锡膏测量系统摄像机标定装置。

背景技术

结构光三维测量系统是通过采集物体的二维图像信息，在二维信息的基础之上建立相应物体的三维形貌，三维形貌的准确性是以规范的和精确的二维图像信息为基础的。因此，规范计算机视觉系统参数对于结构光投影三维测量前期的二维图像采集及后期的三维形貌的重构都十分重要。在大多数情况下，这些参数必须通过实验和计算才能得到，这个过程称为摄像机标定。摄像机标定作为机器视觉的主要内容之一，是机器视觉实现的前提和关键步骤。随着机器视觉技术的不断普及，对摄像机标定技术进行深入研究有着重要的意义，并受到了国内外学者的高度重视和广泛关注。在过去二十多年的发展中，摄像机的标定技术得到了很大的发展，许多学者根据实际应用具体需要提出了一些不同的摄像机模型和标定方法，基于不同的出发点和思路取得了一系列的成果。目前摄像机标定领域的学术研究思想非常的活跃，新技术新方法也不断涌现。

对于摄像机的标定的研究有很多，主要分为传统摄像机标定法、自标定法以及基于主动视觉的摄像机标定法三类。利用最为广泛的摄像机标定方法为Tsai法和张正友法。Tsai的方法依赖于对确定好参考坐标系的外部3-D校准物的精确3-D测量。所有位置和方位的测量都是相对于这个参考坐标系的。该方法己被广泛地用于在多摄像头系统。张的方法采用的是平面的校准物。该方法的优点是，与3-D的校准物相比平面校准物更容易构造，而且相机的外在(相机与世界或相机与相机构成的几何形状)和固有参数(内部参数)可以在同一系统中进行标定。Sturm和Maybank也提出类似的方法，对标定结果的奇异性进行了讨论。Brown提出了用以补偿镜头畸变的8参数模型，后来研究学者有发展了10参数模型和多参数模型。张正友以及Tsai使用的模型都是较为简单的参数模型。2001、2002年Luhmann和Hastedt等提出了一种基于有限元的混合畸变差模型。2004年冯文颜教授等提出基于二维直接线性变换的数字畸变差模型。

摄像机标定技术不仅受到国外学者的研究，国内的研究者们也极度关注和广泛重视摄像机标定技术。近年来，中国科学院自动化所的马颂德等人对摄像机标定技术有着标志性的见解，代表了我们国内的摄像机标定技术的研究水平。虽然在国际应用领域还没有一定的影响力，但表示国内已经具备了开展摄像机标定领域研究的人才和技术条件，并且为推动摄像机标定技术的研究和应用起到了模范的作用。此外，国内很多重点实验室也对摄像机标定做了广泛的研究，比如清华大学的智能技术与系统国家重点实验室、中国科学院的模式识别国家重点实验室和天津大学的精密测试技术与仪器国家重点实验室等。

如何提高系统标定的精度和效率一直都是众多学者所研究的热点和难点。尽管不少研究学者提出了不同的摄像机标定方法。但是大多数现有的摄像机标定方法所采用的畸变模型都是比较简单的畸变模型，还有些学者直接采用的线性模型根本都不考虑畸变，很少有人使用比较复杂的畸变模型对摄像机进行标定。

发明内容

本发明目的在于解决贴近物理现实条件的高精度锡膏测量系统摄像机标定问题，提出了一种基于混合畸变模型的高精度摄像机标定装置，技术方案如下：

包括：

模型建立模块，建立摄像机畸变模型；

选取、提取及标号模块，标定图案选取、标定特征提取及特征点自动编号；

标定模块，摄像机标定。

所述模型建立模块用于建立摄像机畸变模型，该模型包括

1)小孔成像模型：在该模型中建立四个基本坐标系，包括：世界坐标系O_wX_wY_wZ_w，相机坐标系O_cX_cY_cZ_c，图像坐标系xy，像素坐标系uv，摄像机坐标系(X_c,Y_c,Z_c)以摄像机镜头光心O_c为坐标原点，X_c,Y_c轴平行于图像平面，Z_c轴垂直于图像平面，于图像平面的交点在图像坐标系上的坐标为(u₀,v₀)，其摄像机的主点，摄像机镜头光心与主点之间的距离就是焦距f；

基于上述坐标系，可得，空间一点P(X_w,Y_w,Z_w)的位置在摄像机坐标系下可表示为：