[发明专利]一种面向图像畸变分区求解的标定场设计和图像处理方法

权利要求书

1.一种面向图像畸变分区求解的标定场设计和图像处理方法，其特征在于，首先，设计由光刻在正方形基底上的数个矩形块和圆构成的标定场，每一行所有矩形块的水平边组成水平直线，每一列所有矩形块竖直边组成竖直直线，两两矩形块顶点的交点构成角点；其中，圆可实现像平面与标定场间平行关系的调整；直线可实现图像畸变的独立求解；角点可为指定直线上边缘点的提取提供约束，另外，还可用来完成相机模型中内参数的求解；其次，对标定场上的圆、角点和指定直线上的边缘点进行图像处理，在定位到角点和圆重心的像素坐标后，通过相邻角点的距离约束和相邻角点直线的上下公差约束对canny算子检测到的直线边缘点进行重筛选；然后，通过判断边缘点与设定的角点编号、同心圆半径以及构成封闭区域的多条曲线方程间的关系，实现标定场上指定目标直线片段上边缘点的提取，从而为分区畸变求解提供数据支撑；面向图像畸变分区求解的标定场设计和图像处理方法具体如下：

(1)标定场设计

标定场由光刻在正方形基底上的数个矩形块和圆构成，每列所有矩形块的竖直边组成竖直直线，每行所有矩形块的水平边组成水平直线，两两矩形块顶点的交点构成角点；其中，结合图像处理得到的圆心像素坐标后，通过位姿算法可实现标定场与像平面间平行关系的调整；通过图像处理检测到的水平直线和竖直直线上边缘点的像素坐标可完成图像畸变的独立求解；通过图像处理获得的角点像素坐标可为直线的划分和直线上边缘点的重筛选提供约束，通过判断边缘点与设定的角点编号、同心圆半径以及构成封闭区域的多条曲线方程的关系，可实现指定直线片段上边缘点的提取，从而满足不同分区策略对指定直线边缘点的提取需求；此外，角点为相机内参数的求解提供距离约束，从而为位姿算法提供已知的内参数信息；

(2)标定场图像采集

利用相机采集标定场的图像；

(3)标定场图像处理

标定场图像处理方法，根据其所包含的元素，分为圆中心的定位、角点检测以及指定直线上边缘点的检测；

首先，应用灰度重心法定位标定场图像中圆的中心，灰度重心法用公式(1)表达为：

其中，f(u,v)为像素点位置(u,v)处的灰度值，Ω为图像上圆所围成的像素点的集合；为由灰度重心法定位得到的圆的中心坐标；

其次，采用Harris检测算子定位角点的像素坐标，Harris矩阵M用公式(2)表达为：

其中，I_u为像素位置(u,v)处的灰度值I在u方向的偏导数，I_v为像素位置(u,v)处的灰度值I在v方向的偏导数；进一步计算矩阵M的两个特征值λ₁和λ₂，然后计算角点的响应值，用公式(3)表示为：

其中，R为角点的响应值，detM为矩阵M的行列式，trace(M)为矩阵M的迹，k为系数；对求得的R进行非最大值抑制，即可定位出角点的像素坐标；遍历所有角点，按照从上到下，从左右的顺序排布角点得到编号矩阵；

再次，对于标定场指定直线上边缘点的图像处理，在初步定位直线边缘点的基础上，通过相邻角点的距离约束和相邻角点直线的上下公差约束直线边缘点进行重筛选；然后，判断边缘点与设定的角点编号、同心圆半径以及构成封闭区域的多条曲线方程间的关系，根据判定结果实现标定场上目标直线片段上边缘点的提取；具体步骤为：

1)边缘点检测

采用Canny算子亚像素提取直线上的边缘点；

2)边缘点链接

以相邻角点的距离为约束，将相邻角点内的边缘点组成单位片段；对于每一单位片段，设置最小链接长度l₁，并从检测的某一边缘点开始，在其八联通区域内应用David Lowe方法追踪并链接该边缘点的后续边缘点；然后，设置裁剪长度l₂，以删去靠近角点处的边缘点；

3)单位片段上边缘点的重筛选

畸变在图像上分布不均匀，在图像上具有中间小、四周大的特性，使得图像上的噪声去除困难；为此，令相邻两角点的像素坐标为(u₁,v₁)和(u₂,v₂)，则两角点构成的直线方程用公式(4)表达为：

(v₂-v₁)·v+(u₁-u₂)·u+(u₂·v₁-u₁·v₂)＝0 (4)

令a＝v₂-v₁，b＝u₁-u₂，c＝u₂·v₁-u₁·v₂；在该条直线的上方和下方求解与之平行的两条直线，设置两条直线与该条直线的距离均为公差d，两条直线的方程用公式(5)表示：

根据边缘点是否位于公差d内，即是否在上下两直线之间，即可完成单位片段上边缘点的重筛选；

a)指定单根直线上边缘点的提取

相邻角点间的边缘点组成单位片段，单位片段相连组成直线片段；对于水平直线，指定编号矩阵的行编号以确定水平直线的编号；然后，指定编号矩阵中该行内的两个列对应的角点，连接两角点间的单位片段，即得到所提取的该条水平直线上目标直线片段上的边缘点；对于竖直直线，指定编号矩阵的列编号以确定竖直直线的编号；然后，指定编号矩阵中该列内的两个行对应的交点，连接两角点间的单位片段，即得到所提取的该条竖直直线上目标直线片段上的边缘点；

b)指定同心圆区域内直线片段上边缘点的提取

对于同心圆区域，设定两个同心圆的半径分别为r₁和r₂，且r₁r₂；遍历图像上所有重新筛选出的边缘点(u_i,v_i)，计算公式：

其中，(u₀,v₀)为图像中心的像素坐标，若(u_i,v_i)满足上式，即可确定其为同心圆区域内直线片段上的边缘点；这样，通过半径的设定，即实现指定同心圆区域内直线片段上边缘点的提取；

c)指定封闭区域内直线片段上边缘点的提取

假定指定的封闭区域由m条几何线围成，对该m条几何线进行分类，其中该封闭区域处于m₁条几何线的上方，这些曲线的方程分别为该封闭区域处于m₂条几何线的下方，这些曲线的方程分别为该封闭区域处于m₃条几何线的左方，这些曲线的方程分别为该封闭区域位于剩余的几何线的右方，这些曲线的方程分别为计算公式(7)：

对于重新筛选出来的直线上的边缘点(u_i,v_i)，判断是否满足公式(7)，则认定该边缘点处于该区域内，遍历所有边缘点，即提取得到了指定封闭区域内直线片段上的边缘点。