專(zhuān)利名稱(chēng)：利用兩個(gè)相同的相交橢圓線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域，涉及一種用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的橢圓模板。利用平面上共主軸的兩個(gè)相同相交的橢圓作為標(biāo)定模板，利用二次曲線(xiàn)的性質(zhì)得到一對(duì)正交方向上的消失點(diǎn)，線(xiàn)性確定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基本任務(wù)之一，就是從攝像機(jī)獲得的二維圖像信息出發(fā)恢復(fù)物體在三維空間中的幾何信息,從而識(shí)別和重建三維空間中物體的幾何形狀。在此過(guò)程中必須確定空間物體點(diǎn)的三維幾何位置與其圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，而這種關(guān)系又由攝像機(jī)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(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，這就是攝像機(jī)標(biāo)定。它一般分為傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法，無(wú)論哪種標(biāo)定方法，標(biāo)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 間立方體及圓柱等等。如何建立這些幾何模型與攝像機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系尤其是某種線(xiàn)性的關(guān)系，是目前攝像機(jī)標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法雖然可以獲得較高的精度，但是標(biāo)定塊制作困難，不便于操作。針對(duì)這一問(wèn)題文獻(xiàn)“A flexible new technique for camera calibration，，，
(Zhengyou Zhang, IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, vol. 22，no. 11，pp. 1330-1334，2000.)提出了用平面模板代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)定塊的方法，這種方法簡(jiǎn)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(diǎn)陣的物理坐標(biāo)。文獻(xiàn)“Planar conic based camera calibration，，，(Changjiang Yang,Fengmei Sun ， Zhanyi Huj In Proceedings of International Conference on PatternRecognition, 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(xiàn)對(duì)應(yīng)來(lái)標(biāo)定攝像機(jī)，而不是利用點(diǎn)與點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)。由于二次曲線(xiàn)是一種更簡(jiǎn)潔更全局化的基元，因而可以進(jìn)一步提高方法的穩(wěn)定性。于是用曲線(xiàn)解決標(biāo)定問(wèn)題被廣泛研究。文獻(xiàn)“A new easy camera calibration technique based on circular points，，，(Xiaoqiao Mengj Zhanyi Hu, Pattern Recognition, vol. 36，no. 5，pp. 115-1164，
2003.)提出了用一個(gè)圓和通過(guò)圓心的若干條直線(xiàn)構(gòu)成的標(biāo)定模板，利用圓環(huán)點(diǎn)來(lái)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，該方法首次將射影幾何中的圓環(huán)點(diǎn)融入到攝像機(jī)標(biāo)定中，于是圓環(huán)點(diǎn)成了攝像機(jī)自標(biāo)定方法的理論基礎(chǔ)(Hartley Richard, Zisserman Andrew，“Multiple viewgeometry in computer vision，，，Cambridge University Press, Cambridge, 2000·)。圓是平面上一條特殊的二次曲線(xiàn)，平面上所有的圓都通過(guò)圓環(huán)點(diǎn)。利用圓作為標(biāo)定模板，結(jié)合圓環(huán)點(diǎn)的理論來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的方法逐漸被推廣。文獻(xiàn)(Yihong WujHaijiang Zhuj Zhanyi Huj Fuchao Wuj “Camera calibration from the quasi-affineinvariance of two parallel circles，，，In Proceedings of the ECCVj pp. 190-202，
2004.)提出了用平行圓標(biāo)定的方法，根據(jù)平行圓的交點(diǎn)是圓環(huán)點(diǎn)直接求解兩個(gè)平行圓的像的交點(diǎn)來(lái)完成標(biāo)定。文獻(xiàn)(Yihong Wuj Xinju Li，F(xiàn)uchao Wuj Zhanyi Huj uCoplanarcircle, quasi-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(gè)圓的位置關(guān)系，根據(jù)圓的位置關(guān)系計(jì)算圖像中二次曲線(xiàn)的交點(diǎn)來(lái)求得圓環(huán)點(diǎn)的像。在二次曲線(xiàn)中，圓是一個(gè)非常特殊的圖形，對(duì)于一般二次曲線(xiàn)目前尚未有明確的標(biāo)定方法，而本文是在二次曲線(xiàn)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，給出了較于圓更一般的二次曲線(xiàn)，即橢圓的攝像機(jī)標(biāo)定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種制作簡(jiǎn)單，適用廣泛，穩(wěn)定性好的用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的靶標(biāo)，該靶標(biāo)是由共主軸的兩個(gè)相同的相交橢圓組成。在求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的過(guò)程中，只需攝像機(jī)從不同方位拍攝5幅圖像就可以線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明是由共主軸的兩個(gè)相同的相交橢圓構(gòu)成的用于攝像機(jī)自標(biāo)定的靶標(biāo)。具體的步驟包括從圖像上提取橢圓方程并求解兩個(gè)橢圓的交點(diǎn)的像，根據(jù)配極原則及共點(diǎn)四條直線(xiàn)的交比的性質(zhì)，得出圖像平面上正交方向上的消失點(diǎn)，利用正交方向上的消失點(diǎn)與絕對(duì)二次曲線(xiàn)的像的約束線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。(I)擬合圖像中曲線(xiàn)方程
利用Matlab程序中的Edge函數(shù)提取出圖像特征點(diǎn)的坐標(biāo)，并用最小二乘算法擬合出圖像中的橢圓，得到圖像上各橢圓方程。(2)計(jì)算圖像平面兩橢圓交點(diǎn)所在直線(xiàn)關(guān)于二次曲線(xiàn)的極點(diǎn)
在世界坐標(biāo)系的一個(gè)平面上，存在一個(gè)共主軸的兩個(gè)相同橢圓(如

圖1)，
Sr &是兩個(gè)共主軸的相同的橢圓5是兩橢圓相交的交點(diǎn)。過(guò)點(diǎn)I S分別作兩橢圓的四條切線(xiàn)分別交于點(diǎn)況，由于橢圓是對(duì)稱(chēng)圖形，y兩點(diǎn)一定在橢圓主軸上，連接M、M與A 5相交于O點(diǎn)，即r占是MV與25兩線(xiàn)段的中點(diǎn)。在像平面上(如圖2)，橢圓& Q2的像是Cr C2,用Matlab提取橢圓的邊緣點(diǎn)，用最小二乘擬合橢圓曲線(xiàn)，橢圓的方程Cr C2,用系數(shù)矩陣表示為Zfr /Z2,提取兩橢圓的交點(diǎn)為、A，過(guò)點(diǎn)4、乓得到橢圓Cr C2的切線(xiàn)，四條切線(xiàn)兩兩相交于一點(diǎn)分別為Afr隊(duì)。Mr珥是直線(xiàn)4巧關(guān)于橢圓4 C2的極點(diǎn)，由交比不變性得，極點(diǎn)的像仍為極點(diǎn)，即碼、碑分別是點(diǎn)抓的像。為巧與AilN1相交于O1點(diǎn)，O1是點(diǎn)ο的像點(diǎn)。(3)計(jì)算正交方向上的消失點(diǎn)的坐標(biāo)
在模板平面(如圖I)，O是直線(xiàn)與·的中點(diǎn)，且與MN互相垂直，設(shè)AS方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)為6 , J#/方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)為有OP1J=-I, (MN, OP2J=-I,由交比不變性在像平面(如圖2)有(為爲(wèi)，O1F1)=-!, (M1F1, O1Z^=-I其中召為4巧方向
的消失點(diǎn)，^為M1N1方向的消失點(diǎn)。(4)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
獲取五幅圖像，由正交方向的消失點(diǎn)線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
權(quán)利要求
1.一種利用兩個(gè)相同的相交橢圓線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，其特征在于利用一個(gè)平面的靶標(biāo)，此靶標(biāo)是由平面上共主軸的兩個(gè)相同的相交橢圓構(gòu)成；首先從圖像上提取橢圓方程并求解兩個(gè)橢圓的交點(diǎn)的像，根據(jù)配極原則及共點(diǎn)四條直線(xiàn)的交比的性質(zhì)，得出圖像平面上正交方向上的消失點(diǎn)，最后利用正交方向上的消失點(diǎn)與絕對(duì)二次曲線(xiàn)的像的約束線(xiàn)性求解攝像機(jī)5個(gè)內(nèi)參數(shù)；具體步驟包括擬合圖像中曲線(xiàn)方程，圖像平面兩橢圓交點(diǎn)所在直線(xiàn)關(guān)于二次曲線(xiàn)的極點(diǎn)求解，正交方向上的消失點(diǎn)的坐標(biāo)求解，求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣中的fM,s,u0,fv,v0 5個(gè)參數(shù)求解； (1)計(jì)算圖像平面兩橢圓交點(diǎn)所在直線(xiàn)關(guān)于二次曲線(xiàn)的極點(diǎn) 在世界坐標(biāo)系的一個(gè)平面上，存在一個(gè)共主軸的兩個(gè)相同橢圓(如圖i)，Gr a是兩個(gè)共主軸的相同的橢圓，A 5是兩橢圓相交的交點(diǎn)；過(guò)點(diǎn)A S分別作兩橢圓的四條切線(xiàn)分別交于點(diǎn)M況，由于橢圓是對(duì)稱(chēng)圖形，M況兩點(diǎn)一定在橢圓主軸上，連接M N與A 5相交于O點(diǎn)，S卩占、是■與^方兩線(xiàn)段的中點(diǎn)；在像平面上(如圖2)，橢圓Q2的像是Cr C2 ,用Matlab的Edge函數(shù)提取橢圓的邊緣點(diǎn)，用最小二乘擬合橢圓曲線(xiàn)，橢圓的方程Cr 用系數(shù)矩陣表示為A'、H2 ;提取兩橢圓的交點(diǎn)冬B1，過(guò)點(diǎn)4'爲(wèi)得到橢圓CV Cf2的切線(xiàn)，四條切線(xiàn)兩兩相交于一點(diǎn)分別為F1 ; Mr 是直線(xiàn)4A關(guān)于橢圓Cr C2的極點(diǎn)，由交比不變性得，極點(diǎn)的像仍為極點(diǎn)，即Mr珥分別是點(diǎn)iV的像；45i與M1N1相交于O1點(diǎn)，O1是盧的像點(diǎn)； (2)計(jì)算正交方向上的消失點(diǎn)的坐標(biāo) 在模板平面(如圖1)，O是直線(xiàn)I 與胃的中點(diǎn)，且J5與胃互相垂直，設(shè)A5方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)為方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)為I，有(仙，由交比不變性在像平面(如圖2)有(為爲(wèi)，O1P1)=-! , CM1A^p O1P2)=-1其中召為為巧方向的消失點(diǎn)，馬為Ai1-V1方向的消失點(diǎn)； (3 )求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù) 獲取五幅圖像，由正交方向的消失點(diǎn)線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用兩個(gè)相同的相交橢圓線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，該方法是由共主軸的兩個(gè)相同的相交橢圓構(gòu)成的用于攝像機(jī)自標(biāo)定的靶標(biāo)。對(duì)靶標(biāo)從不同方向拍攝五幅圖像，從圖像上提取橢圓方程并求解兩個(gè)橢圓的交點(diǎn)，根據(jù)配極原則及共點(diǎn)四條直線(xiàn)的交比的性質(zhì)，得出圖像平面上正交方向上的消失點(diǎn)，利用正交方向上的消失點(diǎn)與絕對(duì)二次曲線(xiàn)的像的約束線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。利用本發(fā)明中的靶標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)標(biāo)定，減少了標(biāo)定過(guò)程中由測(cè)量引起的誤差。由于二次曲線(xiàn)是一種更簡(jiǎn)潔更全局化的基元，在攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程中提高了標(biāo)定精度。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102930548SQ20121046546
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者趙越, 余敦來(lái) 申請(qǐng)人:云南大學(xué)