[发明专利]基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法

摘要

本发明请求保护一种基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，用于视觉检测与图像测量领域。本方法利用透明玻璃板完成多相机的标定，整个多相机标定过程包括：第一阶段，仔细调整相机的视野，以满足两个相机之间存在相同的覆盖区域要求；第二阶段，利用张正友标定方法获得相机的内部参数；第三阶段，分别使用小孔成像模型和折射投影模型获取标定板前后方相机的外部参数；第四阶段，将每台相机的外部参数统一到同一坐标系下。与现有技术相比，本发明采用基于最小光程和透明玻璃标定板的多相机标定方法可以同时对系统中多台相机完成标定，提高了精确性和可靠性。

主权项

1.一种基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，多相机标定系统中，包括1块只在一面印有标定图案的透明玻璃标定板，N台具有相同参数的相机，若干台相机分布于标定板前方，另外的相机置于标定板后方，其特征在于，包括以下步骤：

1)、调整所述N台相机的视野，使得两个相机之间存在相同的覆盖区域；

2)、每台相机从不同角度对标定板拍摄多张图像，利用张正友标定方法获取每台相机的内部参数；

3)、获取相机外部参数，其中，对印有标定图案一侧的相机直接用小孔成像投影模型的方法来优化每台相机的外部参数；对标定板没有印标定图案一侧的相机，即存在折射现象侧，采用由最小光程原理推理所得的折射投影模型来优化每台相机的外部参数；

4)、将每台相机的外部参数统一到同一坐标系下，完成标定。

2.根据权利要求1所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述步骤1)所述的调整相机的视野，是将具有N台相机的多相机系统对物体进行全局三维测量时，每台相机的位置和方向进行按需分配，对于目标物体上的每个点必须至少有两台相机存在重叠区域才能对目标物体进行全局三维重建。

3.根据权利要求1所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述步骤2)所述利用张正友标定方法获得相机的内部参数，具体包括：

1)、从不同角度拍摄若干张印有棋盘格标定图案的平面；

2)、检测出图像中的特征点；

3)、利用检测的特征点位置信息获得相机内部参数初值；

4)、求解相机的畸变系数；

5)、利用最大似然估计进行优化。

4.根据权利要求1所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述步骤3)对标定板前后方相机的外部参数进行标定包括步骤：

1)、在初始化时直接用线性的方法来获取4台相机的外部参数；

2)、当获取每台相机外部参数的初始化值之后，通过光束法平差的方法来优化相机的外部参数。

5.根据权利要求4所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述当获取每台相机外部参数的初始化值之后，通过光束法平差的方法来优化相机的外部参数，其目标函数可表示为：

其中，h(k＝1,2,...h)表示系统中相机的个数，l(i＝1,2,...l)表示从不同的角度对标定板拍摄图像数，n(j＝1,2,...n)表示利用程序对每张图像提取特征点个数，x_kij和m_kij分别表示第k台相机关于第i个位置的标定板图片上的第j个被测量的图像二维点和预测的图像二维点，R_1i和T_1i分别表示其他相机相对于参考坐标系即第一台相机坐标系的旋转矩阵和平移向量。

6.根据权利要求5所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述步骤3)对于印有标定图案一侧的相机，由于不存在折射现象，因此直接采用小孔成像投影模型获取预测的图像二维点，小孔成像投影模型可以表示为：

假设空间中的一点M的坐标为(X_w,Y_w,Z_w)，其与在图像平面上的投影点m(u,v)之间的关系可以表示为：

其中，λ表示比例因子，R和T分别表示由世界坐标系转换到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量，它们构成相机的外部参数，即空间中一点M在世界坐标系下投影到像素坐标系下的点m之间的关系可以用如下公式表示：

m＝f(K,R,T,ζ,M)                        (4)

其中，K指的是相机的内部参数，ζ表示每台相机由径向畸变模型与切向畸变模型中的畸变系数组成的畸变向量。

7.根据权利要求6所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述对标定板另一侧的相机，即存在折射现象侧，采用由最小光程原理推理所得的折射投影模型获取预测图像二维点，即空间中一点M在世界坐标系下投影到像素坐标系下的点m之间的关系可以用如下公式表示：

m＝f′(K,R,T,ζ,M,μ₁)                   (7)

其中，μ₁表示玻璃标定板的折射率。

8.根据权利要求6所述的基于最小光程原理和透明玻璃标定板的多相机标定方法，其特征在于，所述步骤4)将每台相机的外部参数统一到同一坐标系下，玻璃标定板两侧的相机在标定的过程中设置两个辅助的世界坐标系，将两个坐标系转换到同一参考坐标系下，以便为后续利用标定参数进行三维重建过程中，将前后相机所获得的三维信息结合起来。