[发明专利]一种高精度相机标定和目标姿态估计方法

权利要求书

1.一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，所述方法为基于圆阵列平面标靶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)拍摄M幅不同姿态的标靶图像，M＞2，从多幅标靶图像中提取投影椭圆中心坐标，得到相机的初始参数；

(2)固定相机内参，对基准标靶上每个圆进行采样，利用最新估计的相机参数投影到图像空间，拟合椭圆得到投影椭圆的中心，利用其和实拍标靶图像椭圆中心位移量，对基准标靶圆心投影重新估计，如果位移量满足指定精度或者超过迭代次数，则进入步骤(5)；

(3)固定相机内参，利用标靶圆心在各实拍标靶图像投影的最新估计，重新计算标靶姿态参数；

(4)固定相机内参，利用最新估计的标靶姿态参数，返回步骤(2)继续迭代；

(5)利用基准标靶圆心坐标的最新投影估计，计算得到改进精度的相机内参和标靶的姿态参数，利用最新估计的相机内参和标靶的姿态参数，按照步骤(2)重新对采样圆进行投影，并计算拟合椭圆的中心坐标和标靶成像椭圆中心坐标的位移量，如果位移量满足精度指定或者超过迭代次数，算法结束，否则返回步骤(2)继续迭代。

2.根据权利要求1所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，拍摄M幅不同姿态的标靶图像，M2，得到标靶图像上对应的椭圆中心坐标：其中，N为标靶上圆的数量，M为实拍不同姿态的标靶图像的数量，设基准标靶上对应圆心坐标为：(X_i,Y_i,0),i＝0,1,...N-1，相机内参和标靶的姿态参数通过使下列重投影误差最小得到：

其中A是相机内参矩阵，是镜头畸变系数，(R_k,t_k)是第k个标靶的姿态参数，(X_i,Y_i)是基准标靶上第i个圆的中心坐标，P是基准标靶在图像空间上的投影。

3.根据权利要求2所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，对所述重投影误差公式进行优化求解,得到相机内参和对应的一组标靶姿态参数的初始估计。

4.根据权利要求2所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，在迭代运算中，始终保持标靶图像上对应的椭圆中心不变，通过迭代，逐步得到标靶圆心在实拍标靶图像上对应坐标的精确估计。

5.根据权利要求4所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，设置外循环迭代次数初值N_E＝0,内循环迭代次数初值N_I＝0，在后续的迭代过程中，标靶圆心在实拍标靶图像上对应坐标的估计表示为其初值就是标靶图像上对应的椭圆中心坐标：

6.根据权利要求5所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，设圆阵列基准标靶上圆的半径为r，间距为d，圆心坐标为：(cx_i,cy_i,0),i＝0,1,...,N-1，其中N是标靶特征点个数，对基准标靶上圆的外轮廓采样得到下列采样坐标：

其中Np是圆外轮廓采样点数；

然后按照相机模型将每个圆的采样点投影到图像空间并拟合椭圆，得到其中心坐标计算位移量：

如果下式满足事先设定的精度ε，或者超过迭代次数T_NI，即：

or N_I＞T_NI

则直接进入步骤(5)；否则继续。

7.根据权利要求6所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，按照计算的位移量标靶圆心在实拍标靶图像投影坐标估计为：

。

8.根据权利要求7所述的一种高精度相机标定和目标姿态估计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据步骤(2)得到的最新圆心投影坐标最新估计，重新计算相机内参和各标靶姿态参数，然后按照步骤(2)的采样公式对基准标靶圆的外轮廓采样，按照最新估计的标靶外参重投影到图像空间，得到最新的拟合椭圆中心坐标：并按照步骤(2)的位移公式计算位移量：

如果下式满足给定精度ε，或者超过迭代次数T_NE，即：

or N_E＞T_NE

则算法结束；否则返回步骤(2)继续。