[发明专利]一种基于准三维靶标的摄像机标定方法

说明书

本发明公开了一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，准三维靶标由两块呈任意角度的平面靶标组合而成，每块靶标上有四个圆孔阵列，每个圆孔与分别与相邻的两个圆孔作外公切线共产生四个切点，根据圆之间的公切线与切点具有透视投影不变性的特点，两个相对切点所在的直线交于圆心，利用圆心的世界坐标和图像坐标，采用非线性优化方法对摄像机进行标定。本发明设计的靶标加工方便，标定过程简单，提取的标定特征点无透视投影畸变且坐标精度较高，适合在不允许大幅度移动靶标的环境下进行标定。

技术领域

本发明涉及测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于准三维靶标的摄像机标定方法。

背景技术

视觉测量具有非接触、速度快、柔性好、精度高等特点，广泛应用于物体的几何尺寸和物体的位置测量等领域。视觉传感器的标定是视觉测量能否成功应用的关键，其途径是根据摄像机模型，由已知特征点图像坐标和世界坐标求解摄像机的模型参数，从而建立图像像素位置与空间三维点之间的映射关系实现摄像机标定，该步骤是建立视觉测量系统的一个重要环节。

目前，常见的摄像机标定技术主要有：基于三维立体靶标的标定、基于二维平面靶标的标定和摄像机自标定等。在以上几种典型标定方法中，基于三维立体靶标的标定只需要一幅图像就可以标定出全部参数，并可以获得比较高的精度，但需要使用精密加工的立体靶标，其加工和维护比较困难；摄像机自标定技术在理论上是一种不错的方法，但在实际的标定过程中很难做到摄像机平台的完全平移与正交运动，所以在实用性和精度方面必然受到一定的限制；基于二维平面靶标的标定方法具有操作方法简单和标定精度高等特点，是目前最为广泛使用的方法，但是平面靶标需要移动多次才能达到较高的标定精度，使得标定过程比较繁琐。而准三维靶标由两块平面靶标拼接而成，只需要移动普通平面靶标一半的次数便可达到相同的标定效果，并且比立体靶标加工方便。

同时，靶面上设置的标定点一般为图1所示的6种形式之一：圆的中心、方块中心、十字线的交点、米字线的交点、方块的顶点和棋盘的格点。使用圆作为特征较于其它形式具有以下优点：1)对阈值不敏感，即使在复杂的背景中仍能准确的识别和跟踪；2)通过曲线拟合的方式获得特征的准确参数，具有很强的抗噪声和抗遮挡能力。但是圆孔的透视投影为椭圆，经透视投影后其中心与原物体的中心不一致。

因此，如何简化摄像机标定过程，改善其工程化应用的可操作性和便捷性，提高标定精度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，采用准三维靶标进行移动，相比于三维靶标加工方便，同时采集该靶标的一幅图片相当于将普通的二维靶标移动一次前后采集的两幅图片，并且采用基于切点的计算圆心透视投影点的方法提取标定特征点，利用公切点作为辅助，提取圆心作为标定特征点，使得提取的标定特征点无透视投影畸变，具有较高的标定精度，从而通过移动靶标少量的次数便可达到较高的标定精度，简化标定过程，改善其工程化应用的可操作性和便捷性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于准三维靶标的摄像机标定方法，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：利用步骤4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，并将摄像机标定参数保存在参数文件中，以备测量调用，根据摄像机标定参数标定所述摄像机。