四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法
【專利摘要】本發明公開了一種四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法，該方法包括以下步驟：使用基于平面模板的標定方法估計四自由度雙目視覺系統中左、右攝像機的內參數；計算雙目視覺系統初始姿態下左右攝像機的外參數；估計左攝像機的水平旋轉軸和垂直旋轉軸，以及右攝像機的水平旋轉軸和垂直旋轉軸；計算當前姿態下左右兩攝像機的外參數。利用本發明的技術方案，給定當前姿態下每個攝像機分別繞兩個旋轉軸旋轉的度數，能夠有效計算出兩攝像機對應的攝像機內、外參數。
【專利說明】四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機視覺【技術領域】，尤其涉及一種四自由度立體視覺系統中的攝像機標定方法。
【背景技術】
[0002]在計算機視覺領域，攝像機標定是三維重建、視覺導航、工業檢測、機器人定位、三維測量等應用中的一個關鍵問題，長期以來受到人們的關注。攝像機標定是指確定相機的內外參數，其中內參數是指相機固有的、與位置參數無關的內部幾何與光學參數，包括圖像中心坐標(主點坐標)、焦距、比例因子和畸變系數等；而外參數的標定是指確定攝像機坐標系相對于世界坐標系的變換關系，可以用旋轉矩陣R和平移向量T來表示。從上世界70年代開始，國內外學者對此做了大量的研究工作，提出了諸多方法。這些方法根據是否有標定物分為:有標定物法、無標定物法；根據標定物的維數分為3D、2D、1D、0D標定法；根據所采用的模型分為線性模型標定法與非線性模型標定法；根據標定方式分為傳統標定、主動標定與自標定。
[0003]傳統的攝像機標定方法包括傳統標定方法、主動視覺方法和自標定方法，其中，傳統標定方法是指用一個結構已知、精度很高的標定塊作為空間參照物，通過空間點與圖像點之間的對應關系來建立攝像機模型參數的約束，然后通過優化算法來求取這些參數的方法。傳統標定方法的優點在于可以獲得較高的精度，適用于精度要求高且攝像機的參數不經常變化的場合。不足之處是標定過程復雜，需要高精度的標定塊。在這類方法中，最具有代表性的工作是Zhang于1999年提出的基于平面模板的標定方法(ZhengyouZhang, Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations.1EEE International Conference on Computer Vision, Vol.1，666-673，1999.X 這種方法既具有較好的魯棒性，又不需要昂貴的精致標定塊，實用性較強。主動視覺方法是指利用已知相機的某些運動信息對相機進行標定的方法。該類方法需要控制攝像機做某些特殊運動，利用這些運動的特殊性來計算攝像機的內參數。該類方法的優點是算法簡單，往往能夠獲得線性解，魯棒性較高；缺點是系統的成本高，需要特殊的實驗設備而且不適合運動參數未知或者無法控制的場合。自標定方法是指不需要標定塊，僅依靠多幅圖像對應點之間的關系直接進行標定的方法。該類方法只利用了攝像機內參數自身存在的約束，與場景和攝像機的運動無關，具有靈活、方便的特點；但是其最大的不足是精度不高。
[0004]對于多攝像機系統，多個攝像機可以對同一物體從不同的角度分別成像，利用已標定得到的攝像機內參數可以計算出相機之間的相對平移和旋轉。但是四自由度雙目視覺系統是由兩個可以繞水平方向和豎直方向進行旋轉的攝像機組成的，兩個攝像機之間的位置關系并不是固定的，這給雙目立體視覺系統的標定帶來了一定程度的困難。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法。給定當前姿態下每個攝像機分別繞兩個旋轉軸旋轉的度數，可計算出兩攝像機對應的攝像機內、外參數。
[0006]本發明提出的一種四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法包括以下步驟:
[0007]步驟1，使用基于平面模板的標定方法估計得到四自由度雙目視覺系統中左、右攝像機的內參數；
[0008]步驟2，計算雙目視覺系統初始姿態下左攝像機的外參數Rltl和t1Q，以及右攝像機的外參數R20和t20 ；
[0009]步驟3，估計左攝像機的水平旋轉軸A1和垂直旋轉軸A2,以及右攝像機的水平旋轉軸A3和垂直旋轉軸A4 ；
[0010]步驟4，計算當前姿態下左右兩攝像機的外參數。
[0011]根據以上技術方案，本發明提出的四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法的有益效果有:
[0012](I)能夠有效計算雙目視覺系統中左、右攝像機水平旋轉軸和垂直旋轉軸；
[0013](2)在已知左、右攝像機繞水平旋轉軸和垂直旋轉軸及其旋轉角度的前提下，能夠有效計算當前姿態下左、右攝像機的外參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法的流程圖；
[0015]圖2是四自由度雙目視覺系統的結構示意圖；
[0016]圖3a_f是用來標定左攝像機內參數的六幅平面模板圖像；
[0017]圖4a_c是初始姿態下使用左攝像機獲得的三幅平面模板圖像；
[0018]圖5a_c是初始姿態下使用右攝像機獲得的三幅平面模板圖像；
[0019]圖6a_c是用來估計左攝像機水平旋轉軸的三幅平面模板圖像；
[0020]圖7a_c是用來估計左攝像機垂直旋轉軸的三幅平面模板圖像；
[0021]圖8a_b是任意姿態下使用左、右攝像機獲得的一組圖像。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0023]本發明提出的四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法主要包括左(右)攝像機內參數標定、左右攝像機初始姿態外參數標定、左(右)攝像機水平(垂直)旋轉軸估計、當前姿態下兩攝像機的外參數計算4個部分，圖1是本發明四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法的流程圖，圖2是四自由度雙目視覺系統的結構示意圖，如圖1和圖2所示，所述攝像機標定方法包括以下步驟:
[0024]步驟1，使用基于平面模板的標定方法估計得到四自由度雙目視覺系統中左、右攝像機的內參數；
[0025]下面以左攝像機為例對于該步驟進行說明。
[0026]步驟11，在不同的平面模板姿態下使用左攝像機獲取多幅O 3)標定圖像，如圖3a_f所示；[0027]步驟12，以每個模板平面作為XOY平面分別建立世界坐標系，則由攝像機模型可
得到每幅標定圖像的坐標系與世界坐標系之間的關系式，如下式所示:
[0028]
【權利要求】
1.一種四自由度雙目視覺系統中的攝像機標定方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1，使用基于平面模板的標定方法估計得到四自由度雙目視覺系統中左、右攝像機的內參數； 步驟2，計算雙目視覺系統初始姿態下左攝像機的外參數Rltl和t1(l，以及右攝像機的外參數R20和t20 ； 步驟3，估計左攝像機的水平旋轉軸A1和垂直旋轉軸A2,以及右攝像機的水平旋轉軸A3和垂直旋轉軸A4 ； 步驟4，計算當前姿態下左右兩攝像機的外參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟I進一步包括以下步驟: 步驟11，在不同的平面模板姿態下使用攝像機獲取多幅標定圖像； 步驟12，以每個模板平面作為XOY平面分別建立世界坐標系，則由攝像機模型可得到每幅標定圖像的坐標系與世界坐標系之間的關系式； 步驟13,聯合多幅標定圖像對應的坐標系關系式，估計得到每幅標定圖像對應的單應矩陣H ； 步驟14，根據估計得到的多個單應矩陣來估計攝像機的內參數。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述標定圖像的坐標系與世界坐標系之間的關系式表示為:
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟14中，利用多幅標定圖像對應的多個單應矩陣對于攝像機內參數矩陣的約束估計得到攝像機的內參數矩陣K，所述約束表示為:
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2進一步包括以下步驟: 步驟21，在初始姿態下，使用左、右攝像機獲取相應的平面模板圖像； 步驟22，基于左、右攝像機獲取的圖像，使用直接線性變換方法計算此時左攝像機的外參數R1和V以及右攝像機的外參數R2和t2 ；步驟23，利用初始姿態下左攝像機的外參數R1和V以及右攝像機的外參數R2和t2，計算得到具有不同平面模板姿態的圖像所對應的右攝像機坐標系相對于左攝像機坐標系的旋轉矩陣R21和平移向量t21 ； 步驟24，對多幅具有不同平面模板姿態的圖像對應的右攝像機坐標系相對于左攝像機坐標系的旋轉向量和平移向量進行平均，得到平均旋轉向量對應的平均旋轉矩陣和平均平移向量； 步驟25，利用得到的平均旋轉矩陣和平均平移向量，計算得到初始姿態下左攝像機的外參數Rltl和t1(l，以及右攝像機的外參數R2tl和t2Q。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述直接線性變換方法表示為:
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟23中，利用下式計算右攝像機坐標系相對于左攝像機坐標系的旋轉矩陣R21和平移向量t21:
8.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟25中，利用下式計算得到初始姿態下左攝像機的外參數Rltl和t1(l，以及右攝像機的外參數R2tl和t2Q:
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3進一步包括以下步驟: 步驟31，設攝像機初始姿態下的外參數為Rltl和t1(l，繞旋轉軸旋轉α度后的外參數為R11和tn，利用下式計算得到攝像機旋轉后的攝像機坐標系相對于初始姿態下的攝像機坐標系的旋轉矩陣Ra: 其中，Rltl為初始姿態下攝像機的外參數，R11為繞旋轉軸旋轉a度后攝像機的外參數； 步驟32，根據旋轉矩陣Ra估計得到攝像機的旋轉軸。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4中，利用下式來計算當前姿態下左右兩攝像機的外參數:
【文檔編號】G06T7/00GK103854291SQ201410123114
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】曾慧, 高偉, 胡占義 申請人:中國科學院自動化研究所