專利名稱：近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)，具體是針對(duì)近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
攝像機(jī)標(biāo)定是從二維圖像提取三維空間信息的前提，是三維重建、立體視覺(jué)研究的關(guān)鍵步驟，標(biāo)定結(jié)果直接影響著三維測(cè)量和重建的精度。攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)質(zhì)是求解攝像機(jī)成像的幾何模型參數(shù)，亦稱攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。該幾何模型決定了空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。標(biāo)定過(guò)程就是利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系確定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)(幾何和光學(xué)參數(shù))、外部參數(shù)。外部參數(shù)是攝像機(jī)相對(duì)于世界坐標(biāo)系的方位 (旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矢量)。目前，人們主要依靠形狀和尺寸規(guī)則的標(biāo)定板對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，該標(biāo)定板一般為平面模板，如由激光打印機(jī)打印出的棋盤(pán)格、由液晶屏生成的黑白棋盤(pán)格等。這些標(biāo)定板適用于普通光學(xué)成像系統(tǒng)的標(biāo)定，標(biāo)定方法多采用Moyanov的攝像機(jī)標(biāo)定工具箱進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定精度很高。對(duì)于近紅外攝像機(jī)，由于其不能捕獲普通光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定板的紋理，因此不能采用普通標(biāo)定板的標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供適應(yīng)于近紅外攝像機(jī)標(biāo)定的方法，通過(guò)采用標(biāo)識(shí)點(diǎn)為近紅外發(fā)光點(diǎn)的標(biāo)定模板，解決標(biāo)識(shí)點(diǎn)不共面，任意相鄰兩點(diǎn)不等距的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定方法，包括如下步驟(1)所采用標(biāo)定板的標(biāo)定點(diǎn)為陣列近紅外發(fā)光點(diǎn)，將陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)設(shè)為起始標(biāo)定點(diǎn)；(2)將標(biāo)定板放置在近紅外攝像機(jī)的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，改變其位置，拍攝一系列該標(biāo)定板在不同位置的圖像；(3)采用鼠標(biāo)取點(diǎn)的方式，從每幅圖像上的起始標(biāo)定點(diǎn)開(kāi)始，按相同方向順次點(diǎn)擊陣列發(fā)光區(qū)域四個(gè)角的標(biāo)定點(diǎn)，提取到四個(gè)點(diǎn)的亞像素值，然后依據(jù)圖像上發(fā)光點(diǎn)所在的位置區(qū)域，進(jìn)一步提取每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值；發(fā)光點(diǎn)亞像素坐標(biāo)的提取按照一定順序取點(diǎn)，以保證與標(biāo)定模板的正確對(duì)應(yīng)。(4)確立每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值與近紅外標(biāo)定模板的三維坐標(biāo)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用線性估計(jì)和非線性估計(jì)的方法求解出紅外攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)。所述起始標(biāo)定點(diǎn)是通過(guò)在陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)旁增加一個(gè)近紅外發(fā)光點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記的。所述發(fā)光區(qū)域有8X8陣列的近紅外發(fā)光點(diǎn)(近紅外發(fā)光管)。近紅外攝像機(jī)可捕獲64個(gè)發(fā)光標(biāo)定點(diǎn)。64個(gè)標(biāo)定點(diǎn)是參與求解參數(shù)的，而用于標(biāo)記的近紅外發(fā)光點(diǎn)不參與求
3解參數(shù)。本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)采用的標(biāo)定板上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)為近紅外發(fā)光點(diǎn)，可以被近紅外攝像機(jī)拍攝，且標(biāo)定不受環(huán)境光的影響。(2)該標(biāo)定方法無(wú)須要求標(biāo)定板為平面標(biāo)定板，無(wú)須要求標(biāo)定板相鄰兩點(diǎn)的距離相等。(3)該標(biāo)定方法能用于近紅外攝像機(jī)的高精度標(biāo)定。


圖1為對(duì)近紅外攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的流程圖。圖2為獲得圖像上光點(diǎn)亞像素坐標(biāo)的效果圖。(a)鼠標(biāo)取點(diǎn)順序示意圖；(b)提取鼠標(biāo)所選區(qū)域所有光點(diǎn)亞像素值效果圖。圖3為有效視場(chǎng)內(nèi)不同位置的標(biāo)定板的三維重建效果。(a)標(biāo)定板的三維重建； (b)近紅外攝像機(jī)與標(biāo)定板的空間相對(duì)位置。圖4為標(biāo)定結(jié)果的重投影誤差圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種對(duì)近紅外攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的方法。標(biāo)定步驟如下步驟一制作標(biāo)定板，采用8X8陣列的近紅外發(fā)光點(diǎn)作為64個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，在陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)旁增加一個(gè)近紅外發(fā)光點(diǎn)將其作為起始標(biāo)定點(diǎn)。步驟二 將近紅外標(biāo)定板放置在近紅外攝像機(jī)前方的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，并調(diào)整攝像機(jī)的焦距、光圈等，使攝像機(jī)能夠清晰地捕獲到標(biāo)定板的紋理。然后改變所述標(biāo)定板的放置位置，拍攝一系列不同位置的圖像。在圖3中，(a)是標(biāo)定板三維重建后的效果圖，可以看出標(biāo)定板的位置變化。(b)顯示了近紅外攝像機(jī)與標(biāo)定模板的位置關(guān)系。其中，拍攝圖像時(shí)需要注意(1)放置所述標(biāo)定板在攝像機(jī)的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，使近紅外攝像機(jī)能夠捕獲整個(gè)標(biāo)定板的紋理。(2)確保拍攝圖像清晰。主要依據(jù)為圖像上的亮點(diǎn)的大小、亮度適中，而且無(wú)模糊、 無(wú)晃動(dòng)偽跡。步驟三依次讀取拍攝的圖像，首先用鼠標(biāo)取點(diǎn)的方式，按照?qǐng)D2(a)標(biāo)注的順序取得四個(gè)角的光點(diǎn)亞像素坐標(biāo)值。然后將這四個(gè)坐標(biāo)放置在一個(gè)矩陣中，計(jì)算出單應(yīng)性矩陣，再利用網(wǎng)格化得到圖像上每一個(gè)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)，即獲取近紅外標(biāo)定板上每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息。其效果如圖2(b)所示。用十字表示亞像素提取的結(jié)果，可以看出所有的光點(diǎn)都被精確的找出。步驟四確定所述標(biāo)定板上各發(fā)光點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)與步驟二中得到二維坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)線性和非線性的方法求解近紅外攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)。其中，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是由攝像機(jī)的成像幾何模型決定的。將近紅外攝像機(jī)假設(shè)成經(jīng)典的針孔模型。假設(shè)在二維圖像平面上有一點(diǎn)P = [U, ν]τ，其對(duì)應(yīng)的在世界坐標(biāo)系下物體表面的三維點(diǎn)位P = [X，Y，ζ]τ。對(duì)于針孔模型來(lái)說(shuō)，P和P的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以表示如下
H是透視變換矩陣，R和T分別是世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，即攝像機(jī)的外部參數(shù)；A是攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，矩陣形式如下

fxfy是攝像機(jī)的焦距，(u, ν)是攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)，s是攝像機(jī)的傾斜因子。本發(fā)明的標(biāo)定方法就是依據(jù)拍攝到的一系列紅外圖像求解出所述攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)即求解fx，fy，U, V, R，T等參數(shù)。本發(fā)明應(yīng)用直接線性變換(DirectLinear Transformation, DLT)實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)參數(shù)的線性估計(jì)。DLT可用于估計(jì)透視變換矩陣H，它是3X4齊次矩陣。式⑴可以寫(xiě)成
已知(Ui，Vi)TiP (X，Y，Z)T可以構(gòu)造如下矩陣
由此，(3)進(jìn)行線性變換消去Si。對(duì)于N個(gè)控制點(diǎn)可構(gòu)造線性方程Lh = 0(6)L可以由N個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)表示出來(lái)的2NX 12的齊次矩陣，當(dāng)N > 12時(shí)，可采用最小二乘法求解式(6)中的h值。為了避免h中出現(xiàn)為零的項(xiàng)，可設(shè)置約束條件，h34 = 1 使得對(duì)12X12維矩陣L' XL非奇異，用求偽逆的方法求解h。求得H后，對(duì)其進(jìn)行分解
H=P (Mb) = A (RT)(7)P為以未知的比例系數(shù)，使得|M| = 1。設(shè)m' ι;πι' 2,m' 3表示矩陣M的三行。 旋轉(zhuǎn)矩陣R的各行的模都為1且相互正交。依據(jù)相關(guān)知識(shí)可以求得攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)。DLT方法求解攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)時(shí)無(wú)迭代求解過(guò)程，其計(jì)算速度快，但它沒(méi)有考慮鏡頭的徑向和切向失真。且在求解H過(guò)程中并沒(méi)有考慮各個(gè)參數(shù)的特性對(duì)H的約束，所以還需引入鏡頭畸變模型采用非線性方法進(jìn)一步優(yōu)化，得到精確結(jié)果。攝像機(jī)采集的圖像通常含有各種噪聲，其對(duì)標(biāo)定結(jié)果影響較大。在標(biāo)定攝像機(jī)過(guò)程中可以最小化由投影模型計(jì)算得打的圖形坐標(biāo)( )和標(biāo)定點(diǎn)(Ui,Vi)之間的誤差優(yōu)化標(biāo)定結(jié)果，其中i = l，…，N。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定方法，其特征在于，包括如下步驟(1)所采用標(biāo)定板的標(biāo)定點(diǎn)為陣列近紅外發(fā)光點(diǎn)，將陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)設(shè)為起始標(biāo)定點(diǎn)；(2)將標(biāo)定板放置在近紅外攝像機(jī)的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，拍攝一系列該標(biāo)定板在不同位置的圖像；(3)采用鼠標(biāo)取點(diǎn)的方式，從每幅圖像上的起始標(biāo)定點(diǎn)開(kāi)始，按相同方向順次點(diǎn)擊陣列發(fā)光區(qū)域四個(gè)角的標(biāo)定點(diǎn)，提取到四個(gè)點(diǎn)的亞像素值，然后依據(jù)圖像上發(fā)光點(diǎn)所在的位置區(qū)域，進(jìn)一步提取每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值；(4)確立每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值與近紅外標(biāo)定模板的三維坐標(biāo)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系求解出紅外攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于，所述起始標(biāo)定點(diǎn)是通過(guò)在陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)旁增加一個(gè)近紅外發(fā)光點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的標(biāo)定方法，其特征在于，所述發(fā)光區(qū)域有8X8陣列的近紅外發(fā)光點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種近紅外攝像機(jī)的標(biāo)定方法，包括如下步驟(1)所采用標(biāo)定板的標(biāo)定點(diǎn)為陣列近紅外發(fā)光點(diǎn)，將陣列發(fā)光區(qū)域一角的標(biāo)定點(diǎn)設(shè)為起始標(biāo)定點(diǎn)；(2)將標(biāo)定板放置在近紅外攝像機(jī)的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)，拍攝一系列該標(biāo)定板在不同位置的圖像；(3)采用鼠標(biāo)取點(diǎn)的方式，從每幅圖像上的起始標(biāo)定點(diǎn)開(kāi)始，按相同方向順次點(diǎn)擊陣列發(fā)光區(qū)域四個(gè)角的標(biāo)定點(diǎn)，提取到四個(gè)點(diǎn)的亞像素值，然后依據(jù)圖像上發(fā)光點(diǎn)所在的位置區(qū)域，進(jìn)一步提取每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值；(4)確立每個(gè)發(fā)光點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)值與近紅外標(biāo)定模板的三維坐標(biāo)點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系求解出紅外攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)。該標(biāo)定方法能用于近紅外攝像機(jī)的高精度標(biāo)定，且對(duì)標(biāo)定板要求較低。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102156986SQ201110091328
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者劉素娟, 吳效明, 楊榮騫, 溫小艷, 王志剛 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)