[发明专利]一种基于任意已知平面形状的单目相机自标定方法

说明书

本发明公开了一种基于任意已知平面形状的单目相机自标定方法。本发明充分利用目标中已知平面形状信息，对目标与相机间位姿关系无任何要求，适应尺度、旋转及射影变换，且对遮挡、杂波具有一定的鲁棒性；无需额外标定物及相机特殊运动，大大降低相机标定过程的复杂度；解决了自标定结果实时性、准确性差的技术问题。

技术领域

本发明涉及相机标定技术领域，具体涉及一种基于任意已知平面形状的单目相机自标定方法。

背景技术

在机器视觉测量领域，为确定空间物体的三维几何位置与其在图像中对应点之间的转换关系，必须建立相机成像的几何模型，而这一转换关系由相机成像的几何模型决定。相机标定就是求解这些几何模型参数的过程，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。因此，相机标定在机器视觉应用中十分关键，是后续测量工作的前提，改善标定方法、提高标定精度是机器视觉研究工作的重点所在。

相机标定技术大致上可以分为三类：传统的摄影测量学中的标定方法，主动视觉标定方法和自标定方法。传统标定方法需要使用经过精密加工的标定块，通过建立标定块上三维坐标已知的点与其图像点间的对应,来计算摄像机的内外参数。该方法的优点在于可以获得较高的精度，但标定过程费时费力，不适用于在线标定和不可能使用标定块的场合；基于主动视觉的标定方法需要控制摄像机做某些特殊运动，如绕光心旋转或纯平移等，利用这种运动的特殊性可以计算出内参数。该方法优点在于算法简单，往往能获得线性解，缺点是对摄像机做特殊运动时的精度要求高，且不能适用于摄像机运动未知或无法控制的场合；相机自标定方法利用摄像机内参数自身存在的约束实现标定，通过在某一静态场景对目标物体进行多次拍摄，或者多个相机对目标同时拍摄，利用图像序列之间的相互约束关系标定，灵活性强，有很广发的应用范围，但利用摄像机内参数自身约束的自标定方法标定过程复杂，不适用于实时性较强的场合，且由于自标定方法采用非线性标定，依赖良好的初值估计，鲁棒性不足，只适用于对精度要求不高的场合。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于任意已知平面形状的单目相机自标定方法解决了传统标定技术中摄像机做特殊运动时操作复杂、精度要求高，以及自标定方法实时性差、标定结果精度差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于任意已知平面形状的单目相机自标定方法，包括以下步骤：

S1、基于目标中已知平面形状信息建立模板集合；

S2、通过单目相机获取目标图像，所述图像包含模板集合中的已知平面形状信息；

S3、在模板集合中搜索与目标图像中相匹配的模型，得到该模型的单应性矩阵；

S4、通过亚像素角点检测以及最小二乘拟合将单应性矩阵精确到亚像素级别；

S5、根据多幅图像的亚像素级别下单应性矩阵计算单目相机的内参矩阵及外参矩阵；

S6、对内参矩阵和外参矩阵进行极大似然估计，得到畸变系数和内参矩阵的最优解，完成单目相机的自标定。

进一步地：所述步骤S1具体包括：

S11、获取包含已知平面形状信息的ROI图像；

S12、对ROI图像生成ROI图像高斯金字塔；

S13、通过射影变换参数对ROI图像的每级金字塔进行转换得到图像集合，转换公式为：

上式中，为单应性矩阵，a_pq为齐次坐标下的射影变换参数，p＝1,2,3，q＝1,2,3，其中任意8个为自由度，为图像上一点的齐次坐标经射影变化后的坐标，可分解为：