[发明专利]一种基于正八边形模板的车载摄像机内参数的标定方法

摘要

本发明公开了一种摄像机内参数的标定方法，它涉及到计算机视觉领域，尤其是利用车载摄像机测距对摄像机进行标定的场合。本发明采用的技术方案是：采用正八边形平面模板作为标定模板。用摄像机至少从三个不同的方位拍摄模板，至少可以得到三幅模板的图像。采用可以精确到亚像素级别的角点检测方法获取单幅模板图像中九个特征点的坐标值，求取四条对角线方向上的四个消失点的坐标，进而求取两个圆环点的坐标。由至少三幅不同方位模板的图像，得到至少六个圆环点坐标，从而得到摄像机内参数矩阵，进而得到摄像机的内参数。本发明采用单幅正八边形模板对摄像机内参数进行自标定，是一种非常实用的标定方法。

主权项

1.一种基于正八边形模板的车载摄像机内参数的标定方法，摄像机标定说到底就是确定世界坐标系到计算机图像坐标系的变换矩阵，此变换过程和变换关系即中心投影关系表达形式如下：其中λ为比例因子，为摄像机的内部参数矩阵，其中R是3×3的矩阵表示世界坐标系与摄像机坐标系之间的旋转关系，t是三维的向量表示世界坐标系与摄像机坐标系之间的平移关系；fu，fv为摄像机在u，v方向的等效焦距；u₀，v₀为计算机图像坐标系中的中心坐标也叫主点；s为摄像机镜头的畸变因子；所谓摄像机的内参数的标定就是求取摄像机内部参数矩阵K；其特征在于，包括以下步骤：1).制作正八边形模板；它的八个顶点记为A、B、C、D、E、F、G、H，中心记为O点；其中AB，CD，EF，GH分别是正八边形的四条对角线，O点为正八边形的中心；2).用摄像机至少从三个不同的方位拍摄位于三维空间中的模板，至少可以得到三幅不同方位平面模板的图像；标定模板的图像之一上面的点A’，B’，C’，D’，E’，F’，G’，H’，O’分别为正八边形模板上面点A，B，C，D，E，F，G，H，O的像点；3).采用Hartis角点检测的方法提取模板图像的九个特征点的坐标；根据Harris角点检测的原理可知检测到的正八边形模板上八个顶点以及中心即为正八边形模板9个特征点的坐标；(u_A’，V_A’)，(u_B’，v_B’)，(u_C’，v_C’)，(u_D’，v_D’)，(u_L’，v_E’)，(u_F’，v_F’)，(u_G’，v_G’)，(u_H’，v_H’)，(u_O’，v_O’)；根据Forstner算子原理，提出了在Harris角点检测的基础上可以精确到亚像素级别的角点检测方法；对用Hartis角点检测方法检到的角点坐标(u_A’，v_A’)，(u_B’，V_B’)，(u_C’，v_C’)，(u_D’，v_D’)，(u_E’，v_E’)，(u_F’，v_F’)，(u_G’，v_G’)， (u_H’，v_H’)，(u_O’，v_O’)进行进一步坐标细化；假设(x₁，y₁)为其中一个用Harris算法检测到的角点坐标；令s＝pl-q²利用上述公式进一步细化角点坐标：x’＝(lm-qn)/s    y’＝(pn-qm)/s，即(x’，y’)为(x₁，y₁)细化后的角点坐标；要求对模板图像中九个特征点的坐标都要根据本步骤所提出的算法进行细化；把细化后九个角点的坐标分别记为(u_A”，v_A”)，(u_B”，v_B”)，(u_C”，v_C”)，(u_D”，v_D”)，(u_E”，v_E”)，(u_F”，v_F”)，(u_G”，v_G”)，(u_H”，v_H”)，(u_O”，v_O”)；4).求取模板图像四个对角线方向上的消失点；设P₁，P₂，P₃，P₄分别为A’B’，C’D’，E’F’，G’H’方向上的消失点；所谓消失点是指在射影几何中两平行直线交于无穷远处一点，该点在图像平面的投影点称为消失点；由高等几何摄影理论可知，存在已知的如下关系式：步骤3已经提取出正八边形模板九个特征点的坐标，根据上面方程组(2)求解出消失点P₁、P₂、P₃、P₄的坐标如下所示：5).求取两个圆环点的坐标；所谓圆环点圆周与消失线的交点；由高等几何中拉盖尔定理的推论，可知P₁、P₄与两个圆环点像点V_l，V_n调和共轭，P₂、 P₃与两个圆环点像点V_l，V_n也调和共轭，可得如下关系式：把P₁、P₂、P₃、P₄的坐标代入上式即可求圆环点的像点V₁，V_n的坐标；因为两个圆环点是一对共轭点，由圆环点的性质可知两个圆环点的像点V_l，V_n也是一对共轭点；设V_l，V_n可能的坐标分别是：其中i表示虚部的单位，若则V_l¹，V_n¹是两个圆环点的像点即否则V_l²，V_n²是两个圆环点的像点即6).求解摄像机的内部参数；由圆环点的性质可知，两个圆环点是一对共轭点，则两个圆环点的像点V_l，V_n也是一对共轭点，且两个圆环点的像点在绝对二次曲线C上；C为对称矩阵，令把V_l，V_n表示为V₁＝(V_l1，V_l2，1)^T，V_n＝(V_n1，V_n2，1)^T，由步骤5)可得，当时，则有否则，当时，则有令A＝[V_l1·V_l2，2V_l1·V_l2，2V_l1，V_l1·V_l2，2V_l2，1]，C_6×1＝[C₁₁，C₁₂，C₁₃，C₂₂，C₂₃，C₃₃]可得：其中：Re(A)，Im(A)分别表示求矩阵A的实部和虚部；利用摄像机在至少三个不同的方位获得至少三幅模板图像，确定至少3组方程式(4)，利用最小二乘法即可求解矩阵C；矩阵C求出后根据已知的摄像机内参数矩阵和摄像机内参数的关系求解摄像机的摄像机内部参数矩阵K，其关系如下：