[发明专利]一种高精度双目相机标定方法

权利要求书

1.一种高精度双目相机标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取标定板原图像：用双目相机对标定板进行多次拍摄，每次拍摄时双目相机与标定板的相对位置各不相同，获得标定板原图像；

步骤二：提取标定板原图像中控制点的图像坐标并与世界坐标匹配：借助opencv函数库进行控制点的坐标提取，获得图像坐标并设为[u,v,1]^T，由于标定板中控制点位置已知，设世界坐标为[X_w,Y_w,Z_w,1]^T；图像坐标与世界坐标匹配的方法为：根据圆形图案面积及轮廓周长排除不完整的圆形图案，根据标定板原图像中大圆的圆心图像坐标以及彼此间的直线距离确定他们的各自所在位置，然后根据小圆的圆心图像坐标与大圆的圆心图像坐标在水平与竖直方向的位移判定小圆的圆心坐标在标定板中处于的行和列，根据每个圆心所处行和列将图像坐标与世界坐标相匹配，根据控制点的世界坐标在左右相机标定板原图像中各匹配了一个图像坐标，从而将控制点在左右相机中的图像坐标相匹配；

步骤三：利用步骤二中计算出的图像坐标[u,v,1]^T，以及已知的世界坐标[X_w,Y_w,Z_w,1]^T，对双目相机进行初次标定；初次标定的方法为：利用步骤二中计算出的图像坐标[u,v,1]^T，以及已知的世界坐标[X_w,Y_w,Z_w,1]^T带入相机非线性畸变模型利用张氏标定法求解出所有相机参数；

步骤四：构建标定板正视图像：正视图像为标定板平面与相机拍摄平面平行时，标定板呈现在相机拍摄平面中的图像，根据非线性畸变模型计算标定板原图像畸变前的各点的图像坐标，对标定板原图像进行校正，得到非畸变图像，根据相机的内外参数初值合成透视变换矩阵，对非畸变图像进行透视变换，获取左右相机在每个拍摄位置下的标定板正视图像；

步骤五：构建标定板标准图像：所述标定板标准图像为用计算机创建的标定板平行于相机拍摄平面时呈现在相机拍摄平面中的理想图像，根据给定的标定板世界坐标及每个拍摄位置下的图像尺度，计算标定板标准图像控制点在各位置尺度下的图像坐标，构建标定板平面平行于相机拍摄平面的标准图像，缩放标准图像与正视图像尺度相一致；

步骤六：利用数字图像相关法计算标定板正视图像中控制点图像坐标：选取标准图像中每个圆形图案所在区域，根据圆形图案面积大小设置阈值排除正视图像中不完整的圆形图案，通过建立位移表达式来描述正视图像与标准图像的对应关系，建立相关函数来表示正视图像与标准图像在选定区域内的相似程度，通过最大化相关函数确定形变函数进而求取正视图像中控制点图像坐标；

步骤七：修正标定板原图像中控制点图像坐标；根据双目相机标定出的内外部参数以及相机非线性畸变模型，将正视图像中控制点图像坐标投影变换到标定板原图像中；具体为：设步骤六中获得的正视图像中控制点图像坐标为[X_f,Y_f]，根据步骤三中计算出的每个拍摄位置下的外参数矩阵R_l,T_l,R_r,T_r，为方便描述统一令外参矩阵为：

求标定板原图像中控制点的图像坐标[u′,v′]，设中间转换坐标为[x_s,y_s]，计算如下：

将x_s和y_s带入畸变补偿模型得出δ_x′与δ_y′，所涉及的畸变补偿模型如下：

其中k₁、k₂和k₃为径向畸变，p₁和p₂为切向畸变，则控制点图像坐标[u′,v′]为：

其中a_x,a_y,u₀,v₀分别为相机的内参矩阵A的参数：

上述计算将正视图像中获得的控制点图像坐标投影到双目相机拍摄标定板时所在平面，得到标定板原图像中控制点的图像坐标；

步骤八：利用步骤七中计算出的图像坐标[u′,v′，1]^T，以及已知的世界坐标[X_w,Y_w,Z_w,1]^T，再次对双目相机进行标定，根据相机非线性畸变模型，利用张氏相机标定法标定出左右相机的内外参数，根据左右相机外参数计算相机间固定位置关系参数；

步骤九：对步骤八中的双目相机参数进行总体优化；优化方法为以左相机内外参数右相机内参数以及R_l2r,T_l2r为优化变量，建立最小化目标函数为：

式中：X_lj与X_rj分别是左右相机拍摄图像中控制点的真实坐标，为左相机拍摄图像中检测到的控制点坐标，是标定板上靶点使用相机非线性畸变模型计算出的像素坐标，同理和分别对应右相机的两个坐标，其中R_l2r与T_l2r分别是左右相机之间固定位姿的旋转矩阵以及平移矩阵；通过最小化目标函数来进一步优化相机内外参数，即可得到最终双目相机最终结果。