專利名稱：利用兩個同心圓線性求解攝像機內(nèi)參數(shù)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算機研究領域，涉及一種用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的兩個同心圓靶標。利用場景中任意兩個同心圓，通過求解三幅圖像上的圓環(huán)點的像的坐標或兩個正交方向上消影點的坐標，從而線性確定攝像機的內(nèi)參數(shù)。
背景技術：
計算機視覺的基本任務之一，就是從攝像機獲得的二維圖像信息出發(fā)恢復物體在三維空間中的幾何信息,從而識別和重建三維空間中物體的幾何形狀。在此過程中必須確定空間物體點的三維幾何位置與其圖像中的對應點之間的相互關系，而這種關系又由攝像機成像的幾何模型決定的，這些幾何模型的參數(shù)就是攝像機參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)都是通過實驗得到的，這就是攝像機標定。它一般分為傳統(tǒng)標定和自標定兩種方法，無論哪種標定方法，標定物體都是采用一些特殊的幾何模型，例如平面正方形、三角形，圓，空間立方體、圓柱等等。如何建立這些幾何模型與攝像機參數(shù)之間的關系尤其是某種線性的關系，是目前攝像機標定所追求的目標，也是目前計算機視覺領域研究的熱點之一。傳統(tǒng)的攝像機標定方法雖然可以獲得較高的精度，但是標定塊制作困難，不便于操作。針對這一問題文獻“A flexible new technique for camera calibration，，，(Zhengyou Zhang,IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，vol. 22，no. 11，pp. 1330-1334，2000.)提出了用平面模板代替?zhèn)鹘y(tǒng)標定塊的方法，這種方法簡單方便，成本低，并且能獲得較高的精度，但需要精確定位模板上點陣的物理坐標。文獻“Planar conic based camera calibration，，，(Changjiang Yang，F(xiàn)engmei Sun, ZhanyiHu, In Proceedings of International Conference on Pattern Recognition，vol. 1，pp. 555-558,2000.)將這一方法作了推廣，用圖像和模板之間的二次曲線對應來標定攝像機，而不是利用點與點之間的對應。由于二次曲線是一種更簡潔更全局化得基元，因而可以進一步提高方法的穩(wěn)定性。于是用曲線解決標定問題被廣泛研究。文獻“A new easycamera calibration technique based on circular points，，，(Xiaoqiao Meng，ZhanyiHu, Pattern Recognition，vol. 36, no. 5, pp. 115-1164，2003.)提出 了用一個圓和通過圓心的若干條直線構成的標定模板，利用圓環(huán)點來求解攝像機內(nèi)參數(shù)的方法，該方法首次將射影幾何中的圓環(huán)點融入到攝像機標定中，于是圓環(huán)點成了攝像機自標定方法的理論基礎(Hartley Richard，Zisserman AndrewZiMultiple view geometry in computer vision，，，Cambridge University Press, Cambridge,2000.)圓是平面上一條特殊的二次曲線，平面上所有的圓都通過圓環(huán)點。利用圓作為標定模板，結合圓環(huán)點的理論來進行攝像機標定的方法逐漸被推廣。文獻(Yihong Wu,Haijiang Zhu，Zhanyi Hu，F(xiàn)uchao Wu，“Camera calibration from the quas1-affineinvariance of two parallel circles，，，In Proceedings of the ECCV, pp. 190-202，2004.)提出了用平行圓標定的方法，根據(jù)平行圓的交點是圓環(huán)點直接求解兩個平行圓的像的交點來完成標定。文獻(Yihong WuiXinju LiiFuchao Wu,Zhanyi HuZiCoplanar circle，quas1-affine invariance and calibration，，，Image and Vision Computing, vol. 24,no. 4, pp. 319-326, 2006.)討論了平面上任意兩個圓的位置關系,根據(jù)圓的位置關系計算圖像中二次曲線的交點來求得圓環(huán)點的像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制作簡單，適用廣泛，穩(wěn)定性好的用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的靶標。該靶標是由兩個同心圓和在其中一個圓上不在同一條直線上的任意兩個點組成。在求解攝像機內(nèi)參數(shù)的過程中，只需攝像機從不同方位拍攝3幅圖像就可以線性求解出5個攝像機內(nèi)參數(shù)。本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明是由兩個不同大小的同心圓和在其中一個圓上不在同一條直徑上的任意兩點構成的用于攝像機自標定的靶標。具體的步驟包括提取圖像上曲線方程，求解同心圓的圓心的像的坐標，在圖像平面上求解兩個已知點關于圓心的像在圓的投影曲線上的對應 點，計算兩個正交方向上的消影點，通過求解圓環(huán)點的對偶二次曲線計算圖像平面上的一條消影線，計算消影線與一個圓的投影曲線的交點得到兩個圓環(huán)點的像的坐標，根據(jù)三幅圖像上兩個正交方向消影點或圓環(huán)點的像線性求解攝像機內(nèi)參數(shù)。(I)擬合圖像中曲線方程利用VC++6. O平臺的OpenCV程序中的函數(shù)提取出圖像特征點的坐標，并用最小二乘算法擬合圖像中的各條曲線，獲取圖像上各條曲線方程。(2)求解同心圓圓心的像的坐標在圖像平面上，圓Q的像為一條橢圓曲線，記為C，在單應變換H下，有AC =FtQF1, λ為非零尺度因子。設有兩個同心圓Qj, j = 1,2,于是有λ jCj = FtQjF10假設在世界坐標系上，選取同心圓的圓心為坐標原點，圓的曲線方程可以表示為G =A呢(1，1,-r/)，
則0；1 = diagiXX-^)?？紤]線性組合 , ,滿足detA=0，其中β關0，曲線C1, C2 rjA = C1 -PC2，
的方程可從圖像上獲得，則此式是關于β的一個3次方程，故有3個解?？梢越獾谩う×預 ，其中，β !是方程的二重根。把代入A = C1-1-/JC2-1,得到A1是一個秩為I的矩陣，SPA1 = C1'1 - JS1C;1 ~ HdiagiQ, O, I)Ht = οοτ。其中，ο = Η(0，0，1)τ。由于在世界坐標平面上，同心圓的圓心與世界坐標系的原點重合，故ο為同心圓的圓心在圖像平面上的投影。當把β 2代入Δ = Cf1-PCJ1，得到A2是一個秩為2的矩陣，SPA2 = C1'1 — P2Clx ~ Hdiagd 10)ΗΓ。因為圓環(huán)點的對偶二次曲線-Aflg(UO)，它是由兩個圓環(huán)點構成的退化二次曲線，所以A2是匸1在圖像平面的投影曲線。(3)計算兩個正交方向的消影點
當Λ秩為I時，可以計算出圓心的像的坐標O。在圖像平面上，可以計算出已知像點a，b關于0在投影曲線上的對應點a'，b'，則四邊形aba' b'是一個矩形或一個正方形的投影。所以兩個正交方向上的消影點V1 = (aXb) X (a' Xb' ), V2 =(bXa' )X(aXb')。(4)計算兩個圓環(huán)點的像的坐標當Λ秩為2時，它表示圓環(huán)點的對偶二次曲線的像。在世界坐標系上，無窮遠直線L00是C:的零矢量，即
權利要求
1.一種用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的同心圓靶標，其特征在于此靶標是由兩個同心圓和其中在一個圓上不在一條直徑上的兩點構成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用平面上兩個同心圓及在其中一個圓上不在同一條直徑上的兩個點求解兩個正交方向的消影點或圓環(huán)點的像進行攝像機標定的方法。對靶標從不同方向拍攝三幅圖像，提取每幅圖像上的曲線及兩個點的坐標。計算圓心的像和兩個點關于圓心的像在該曲線上的對應點，由直線交點得到兩個正交方向上的消影點；由圓環(huán)點的對偶二次曲線的理論可得圖像上的一條消影線，消影線和圓的像的交點是圓環(huán)點的像，建立正交方向上的消影點或圓環(huán)點的像關于攝像機內(nèi)參數(shù)的約束方程，線性求解攝像機5個內(nèi)參數(shù)。利用本發(fā)明中的靶標可實現(xiàn)全自動標定，減少了標定過程中由測量引起的誤差。二次曲線是一種更簡潔更全局化的基元，在標定過程中提高了精度。
文檔編號G06T7/00GK102999895SQ20111027405
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者趙越, 陳旭 申請人:云南大學