[发明专利]一种基于准三维靶标的摄像机标定方法

权利要求书

1.一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：在准三维靶标上选取标定点，并获取其世界坐标；

步骤2：在摄像机的视场范围内，自由移动所述准三维靶标至至少2个位置，并在每个位置为所述准三维靶标拍摄一幅完整图像；

步骤3：将所有拍摄图像平均分割为左半部分和右半部分，并储存分割后的图像作为标定图像；

步骤4：空间中所述标定点在所述标定图像中对应的透视投影为椭圆，提取所有标定图像中的椭圆，并获取椭圆在图像坐标系下的图像坐标；

步骤5：利用提取的所有图像坐标及对应所述标定点的世界坐标标定摄像机，得到摄像机标定参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤1中准三维靶标由两块呈预设角度的平面靶标组合而成；材料为硬铝；每块平面靶标上有4个圆孔，排列方式为两行两列，圆孔的直径为30mm，两个横排圆孔的圆心距离均为50mm，两个竖排圆孔的圆心距离均为80mm；

选取准三维靶标的两个平面靶标上的8个圆孔的圆心作为标定点，分别对两块平面靶标建立世界坐标系，选取平面靶标上4个圆心中任意一个为原点，以平面靶标的平面为xy平面建立坐标系，计算其余3个圆心在xy平面坐标系的位置，获得世界坐标。

3.根据权利要求2所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，每移动一个位置，所述摄像机拍摄一幅图像，并且所述准三维靶标上的圆孔包含在图像内，所述准三维靶标的两块平面靶标的交线处于图像中央，交线位置与图像中央位置误差不超过设定位置阈值。

4.根据权利要求1所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤4中提取椭圆的具体步骤如下：

S411：利用对比度拉伸变化函数对所述标定图像进行处理，输出处理图像；

S412：利用canny算子对处理图像进行边缘检测；

S413：提取连通分量，计算每一个连通分量的像素个数，根据设定个数阈值，剔除像素个数在个数阈值之外的连通分量；

S414：利用圆形度评价进一步剔除非椭圆特征的连通分量，剩余连通分量为椭圆。

5.根据权利要求4所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，圆形度评价的圆形度指标为C＝4πS/L²，其中S为图形面积，L为图形周长，C的取值范围为(0,1]，C值越大，图形越接近于圆形。

6.根据权利要求1所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，所述步骤4中计算所有标定点对应的椭圆的图像坐标，具体步骤如下：

步骤421：对提取的椭圆离散点进行椭圆拟合，获得椭圆在标定图像的图像坐标系下的方程；

步骤422：在图像坐标系下，求取每个椭圆与相邻椭圆的外公切线方程，计算外公切线与椭圆的切点坐标；

步骤423：根据所述外公切线与椭圆的切点连线方程求取标定点在图像坐标系下的坐标。

7.根据权利要求1所述的一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，其特征在于，所述摄像机参数包括有效焦距、摄像机主点和外部参数；

构建摄像机模型：

O_w-X_wY_wZ_w为世界坐标系，O_c-X_cY_cZ_c为摄像机坐标系，O_c点为透视中心；O_cZ_c轴垂直于像平面π且交于摄像机主点O；O_f-UV为图像坐标系；O-XY为投影坐标系，其中O_cX_c//OX//O_fU，O_cY_c//OY//O_fV；

任意空间点P在π的投影点p为O_cP与π的交点；

空间点P在世界坐标系下的坐标为P_w＝[X_w Y_w Z_w]^T，在摄像机坐标系下的坐标为P_c＝[X_cY_c Z_c]^T，p在投影坐标系下的坐标为p_t＝[x y]^T，则P_c与P_w满足欧氏变换的关系：

P_c＝[R|T]P_w (1)

其中R为3×3的正交旋转矩阵，T为3×1的平移矢量；

P_c与p_t满足透视投影的关系：

p_t＝[f_xX_c/Z_c f_yY_c/Z_c] (2)

其中，f为摄像机焦距；

投影点p在图像坐标系下的坐标为p_m＝[u v]^T，摄像机主点O的坐标为(u₀,v₀)；则p_m与p_t满足如下关系：

p_m＝[x+u₀ y+v₀]^T (3)

其中，x、y分别为每一像素在X轴、Y轴方向上的物理尺寸；

根据公式(1)～(3)表示的摄像机模型，利用标定点的世界坐标P_wi，计算得到的标定点的图像坐标p_mi＝[u v]^T，结合由椭圆在图像坐标系下的图像坐标p_ui，建立摄像机校准的优化目标函数：

其中，f_x和f_x为有效焦距；摄像机主点坐标为(u₀,v₀)；R和T为外部参数；n表示标定图像中椭圆的个数，d²(p_mi,p_ui)表示标定点的图像坐标到椭圆的图像坐标的距离。