專利名稱：折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及計算機視覺領域中全向相機的參數(shù)標定方法。具體來說是一種獲得折反射全向相機中反射鏡面與透視相機之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量等位姿參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
能覆蓋水平方向360度視場的折反射全向相機彌補了傳統(tǒng)相機視場受限的不足， 在移動機器人導航、視頻會議、遠程教育、視頻監(jiān)控和場景重建等領域得到了廣泛的應用。 折反射全向相機一般由一個普通透視相機和一個反射鏡面組成。它們的共同特點是來自物體的入射光線先經(jīng)過鏡面反射后再進入透視相機。決定全向相機特性的參數(shù)主要有鏡面參數(shù)、透視相機參數(shù)以及鏡面和透視相機之間的位姿參數(shù)。全向相機標定方法大致分為如下兩類一類不再把全向相機各個組成部分的參數(shù)單獨考慮，而是將其總的成像特性用泰勒級數(shù)模型表示，通過拍攝多幅標定模板的圖像，根據(jù)特征點的對應關(guān)系獲得泰勒級數(shù)模型的參數(shù)。這類標定方法適合相機和鏡面參數(shù)未知，但鏡面和透視相機安裝精度較高，軸向誤差很小的情況。如魚眼相機、單視點折反射全向相機等。當安裝誤差較大時，單視點折反相機也變成了非單視點。另一類方法可以針對非單視點折反射相機，它還是將全向相機的參數(shù)分為鏡面參數(shù)、透視相機參數(shù)以及位姿參數(shù)，全部或者部分進行標定。文獻l(Jonathan Fabrizio，Jean-Philippe Tarel and Ryad Benosman, "Calibration of Panoramic Catadioptric Sensors Made Easier，，，in Proceedings of the Third Workshop on Omnidirectional Vision, pp.45-52, (2002)) 利用鏡面的外邊緣和專門設計的底部邊緣作為標定物，從鏡面的邊界圖像上恢復出未知的 CCD相機內(nèi)參以及鏡面與相機之間的位置關(guān)系。但專門設計的鏡面底部邊緣無疑占用了胃身寸^；· 2(Mashit￡i，Τ. ，lwai，Y. and Yachida, Μ. "Calibration method for misaligned catadioptric camera，，，in IEICE-Trans，E89-D，1984-1993 (2006))禾Ij 用鏡面上邊緣以及多條無窮遠直線的像來估計鏡面與相機的位置關(guān)系。但是這種方法僅僅適合于鏡面中心軸與攝像機光軸不重合誤差較小的情況，并且還需要準備由多條直線構(gòu)成的標定模板。文獻 3 (Morel，0.，F(xiàn)ofi，D.，“Calibration of catadioptric sensors by polarization imaging，，，in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation,pp. 3939-3944(2007))利用偏振圖像來標定鏡面參數(shù)，它需要拍攝三幅不同的偏振圖像。文獻 4 (Goncalves，N.，Arauj 〇，H.，“Estimating parameters of noncentral catadioptric systems using bundle adjustment”， in Computer Vision and Image Understanding, pp. 11-28(2009))基于場景中預先布置好的標定模板，采用非線性優(yōu)化的方法(光束平差法)標定出透視相機內(nèi)參，鏡面參數(shù)以及鏡面與相機之間的位置關(guān)系。在實際應用中，折反射全向相機的鏡面參數(shù)一般已知而且加工精度較高，誤差很小可以忽略。透視相機參數(shù)也可以通過很成熟的相機標定方法事先獲得。而鏡面和透視相機之間的位姿參數(shù)，受安裝精度的限制很難得到保證。因此需要對該參數(shù)進行標定。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有標定方法的不足，針對鏡面參數(shù)和相機內(nèi)參已知的情況，本發(fā)明的目的在于提供一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法，不需要任何其他標定物，只需折反射相機拍攝的一幅圖像就能完全確定反射鏡面與透視相機之間相對位置關(guān)系的標定方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下(1)利用折反射全向相機拍攝一幅圖像，確保圖像中反射鏡面邊緣成像清晰；(2)利用Carmy算子，分別檢測出圖像中反射鏡面邊緣和相機鏡頭邊緣的成像邊界，利用這兩組橢圓成像邊界像素點構(gòu)成的點集，分別擬合出兩個橢圓的方程；兩個橢圓系數(shù)分別用矩陣表示為I和Q C1;(3)根據(jù)反射鏡面邊緣成像的橢圓方程和已知的鏡面以及透視相機參數(shù)，估計反射鏡面與透視相機之間的兩組候選位姿參數(shù)；(4)將實際相機鏡頭邊緣和相機投影中心的距離hi在取值范圍內(nèi)離散化，對每一個Ii1，利用獲得的兩組候選位姿參數(shù)，分別生成兩組鏡頭預測成像；(5)比較兩組鏡頭預測成像和實際鏡頭成像，平均誤差最小的鏡頭預測成像所對應的位姿參數(shù)即為所求的鏡面位姿參數(shù)，同時它所對應的h就是實際鏡頭邊緣和相機投影中心的距離。所述的步驟(3)中候選位姿參數(shù)的估計步驟為令Ie = KTIK，其中K為已知的透視相機內(nèi)參矩陣，將進Ic進行特征值分解為Ic = VAVt，其中Λ =CliagiA1, λ 2, λ 3}為特征值矩陣，V = (vi; V2, V3)為特征值對應的特征向量矩陣。則鏡面坐標系和攝像機坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換為Rm = VR ；
其中R為一旋轉(zhuǎn)矩陣
權(quán)利要求
1.一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法，其特征在于，該方法的步驟如下(1)利用折反射全向相機拍攝一幅圖像，確保圖像中反射鏡面邊緣成像清晰；(2)利用Carmy算子，分別檢測出圖像中反射鏡面邊緣和相機鏡頭邊緣的成像邊界，利用這兩組橢圓成像邊界像素點構(gòu)成的點集，分別擬合出兩個橢圓的方程；兩個橢圓系數(shù)分別用矩陣表示為I和％；(3)根據(jù)反射鏡面邊緣成像的橢圓方程和已知的鏡面以及透視相機參數(shù)，估計反射鏡面與透視相機之間的兩組候選位姿參數(shù)；(4)將實際相機鏡頭邊緣和相機投影中心的距離Ii1在取值范圍內(nèi)離散化，對每一個h1; 利用獲得的兩組候選位姿參數(shù)，分別生成兩組鏡頭預測成像；(5)比較兩組鏡頭預測成像和實際鏡頭成像，平均誤差最小的鏡頭預測成像所對應的位姿參數(shù)即為所求的鏡面位姿參數(shù)，同時它所對應的Ii1就是實際鏡頭邊緣和相機投影中心的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法，其特征在于，所述的步驟(3)中候選位姿參數(shù)的估計步驟為令Ie = KTIK，其中K為已知的透視相機內(nèi)參矩陣，將進Ic進行特征值分解為Ic = VAVt，其中A = CliagU1, K，^3I為特征值矩陣，V= (Vl, V2, V3)為特征值對應的特征向量矩陣，則鏡面坐標系和攝像機坐標系之間的旋轉(zhuǎn)變換為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法，其特征在于，所述的步驟(4)兩組鏡頭預測成像生成的步驟為將攝像機坐標系下的半徑為！^且其中心距離光心Ii1的鏡頭邊緣上的L個均勻采樣點
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法，其特征在于，所述的步驟(5)中鏡面位姿參數(shù)選擇的步驟為從實際鏡頭圖像的橢圓中心Utl每隔固定的角度向橢圓邊界= 0，1，2)拉W條射線，分別與三個橢圓相交于ukl (k = 0，1，2 ;1 =0，1，2··· W-1)，由下式來定義平均誤差
全文摘要
本發(fā)明公開了一種折反射全向相機鏡面位姿的單圖自標定方法。它首先利用所采集的圖像中鏡面外邊緣上的像點所擬合而成的橢圓，計算獲得兩個候選位姿。利用這兩個候選位姿分別生成透視相機鏡頭邊緣的兩組預測成像。將這兩組預測成像和實際鏡頭成像比較，差別小的預測成像所對應的候選位姿即為實際鏡面位姿。標定過程中必需的實際鏡頭邊緣和相機投影中心的距離是通過優(yōu)化搜索的方法獲得的。本發(fā)明克服了已有標定方法的不足，在已知鏡面參數(shù)和透視相機參數(shù)的情況下，不需要任何其它的標定物，只需要折反射全向相機的一幅自拍圖像即可估計出反射鏡面與透視相機之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。本標定方法兼具抗干擾性強、操作簡單、精度較高的特點。
文檔編號G06T7/00GK102184545SQ20111014946
公開日2011年9月14日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者孫波, 項志宇 申請人:浙江大學