[发明专利]一种基于多约束的高精度双目相机标定方法

摘要

本发明公开了一种基于多约束的高精度双目相机标定方法。首先采用张正友标定法计算初始双目相机参数，然后计算重投影误差和极线误差，之后根据左右相机图像中的特征点坐标以及双目相机参数重建三维特征点，并计算由相邻距离误差、共线误差以及直角误差构成的3D几何误差。建立由重投影误差累加和、极线误差累加和、相邻距离误差累加、共线误差累加和以及直角误差累加和构成的优化目标函数，采用列文伯格‑马夸尔特法对优化目标函数进行求解获得最优的双目相机参数。和张正友标定法相比，本发明对双目相机进行标定，使得距离测量误差、共线误差以及直角误差都得到了明显降低。

主权项

1.一种基于多约束的高精度双目相机标定方法，其特征在于包括以下标定步骤：(1)使用双目相机从多个视角方位朝向同一国际象棋黑白棋盘格图案拍摄多次，获得多对左右图像，并以黑白棋盘格图案中两条线交叉处的点作为特征点；(2)使用张正友标定法计算获得左相机的内参矩阵Al、左相机的畸变系数Dl、左相机的外参矩阵Nl、右相机的内参矩阵Ar、右相机的畸变系数Dr、右相机的外参矩阵Nr以及由右相机坐标系转换到左相机坐标系的相机间外参矩阵Nrl，并作为双目相机的初始参数；(3)针对每一个世界坐标系下黑白棋盘格图案中坐标已知的特征点M，将特征点M分别通过左右相机的内外参矩阵计算获得特征点M在左、右图像坐标系下的理论图像点ml(ucl,vcl)、mr(ucr,vcr)，其中ucl,vcl分别表示左图像坐标系下理论图像点ml的横纵坐标，ucr,vcr分别表示右图像坐标系下理论图像点mr的横纵坐标，左、右图像坐标系是分别以左、右图像平面为基准的二维笛卡尔坐标系；并对左右图像进行角点检测获得特征点M在左右图像中对应的实际图像点(4)由理论图像点ml(ucl,vcl)、mr(ucr,vcr)根据步骤(1)获得左右相机的畸变系数Dl(k1l,k2l,p1l,p2l)和Dr(k1r,k2r,p1r,p2r)基于二阶径向和切向畸变的畸变模型采用以下公式计算获得理论畸变后的图像点 u d l v d l = ( 1 + k 1 l r l 2 + k 2 l r l 4 ) u c l v c l + 2 p 1 l u c l v c l + p 2 l ( r l 2 + 2 u c l 2 ) 2 p 2 l u c l v c l + p 1 ( r l 2 + 2 v c l 2 ) ]]> u d r v d r = ( 1 + k 1 r r r 2 + k 2 r r r 4 ) u c r v c r + 2 p 1 r u c r v c r + p 2 r ( r r 2 + 2 u c r 2 ) 2 p 2 r u c r v c r + p 1 r ( r r 2 + 2 v c r 2 ) ]]>式中，rl是理论图像点ml到左图像坐标系原点的距离，rr是理论图像点mr到右图像坐标系原点的距离；k1l,k2l,p1l,p2l分别表示左相机的一阶径向畸变系数、二阶径向畸变系数、一阶切向畸变系数和二阶切向畸变系数，k1r,k2r,p1r,p2r分别表示右相机的一阶径向畸变系数、二阶径向畸变系数、一阶切向畸变系数和二阶切向畸变系数，udl,vdl分别表示左图像坐标系下理论畸变后的图像点的横纵坐标，udr,vdr分别表示右图像坐标系下理论畸变后的图像点的横纵坐标；(5)根据实际图像点和步骤(4)所得的理论畸变后的图像点处理获得重投影误差累加和Jrep；(6)根据步骤(1)获得左右相机的畸变系数Dl和Dr和特征点M在左右图像中对应的实际图像点使用无畸变递归求解方法计算获得特征点M在左右图像中对应的矫正后的无畸变图像点和并作为无畸变图像点对(7)通过无畸变图像点对和基础矩阵F计算极线误差累加和Jepi；(8)由无畸变图像点和采用最优化三角测量方法计算出满足对极几何约束的可用于三维重建的最优左右图像特征点对最优左右图像特征点对的两个点分别和各自相机光心作连线和连线连线和连线相交于空间中一点点作为特征点M的三维重建特征点；(9)根据三维重建特征点处理获得相邻距离误差累加和Jadj；(10)根据三维重建特征点处理获得共线误差累加和Jcol；(11)根据三维重建特征点处理获得直角误差累加和Jrig；(12)建立优化目标函数进行求解获得最优的相机参数，完成对双目相机的高精度标定。