專利名稱：利用正六棱臺求解攝像機內(nèi)參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機研究領(lǐng)域，涉及一種用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的一個底邊邊數(shù)為6的正棱臺靶標(biāo)，利用平面上任意一個正六棱臺作為標(biāo)定模板，通過求解兩幅圖像上的正交隱消點的坐標(biāo)，線性確定攝像機的內(nèi)參數(shù)。
背景技術(shù)：
計算機視覺的基本任務(wù)之一，就是從攝像機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(yīng)點之間的相互關(guān)系，而這種關(guān)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(biāo)定。它一般分為傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法，無論哪種標(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參數(shù)之間的關(guān)系尤其是某種線性的關(guān)系，是目前攝像機標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計算機視覺領(lǐng)域研究的熱點之一。傳統(tǒng)的攝像機標(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，針對這一問題文獻(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(biāo)，由于隱消點(消隱點)是一種更簡潔更全局化的基元，因而可以進一步提高方法的穩(wěn)定性，于是用隱消點解決標(biāo)定問題被廣泛使用，文獻(xiàn)”Criminisi A, Reid IZisserman. Sing Ie View Metrology [J], International Journal of Computer Vision,2000，40 (2) , pp. 123- 148. ”利用隱消點的屬性，從單一投影圖像中計算攝像機的內(nèi)參數(shù)，該方法首次將射影幾何中的隱消點融入到攝像機標(biāo)定中，于是隱消點成了攝像機自標(biāo)定方法的理論基礎(chǔ)。隱消點是像平面上一個特殊的點，平面上某個方向上的所有平行直線都交于一個無窮遠(yuǎn)點，無窮遠(yuǎn)點在像平面上的投影稱為隱消點。文獻(xiàn)(王年，范益政，梁棟，韋穗，“一種基于等腰梯形的攝像機自標(biāo)定方法”，東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，vol. 35，no. 2, pp.195-198，2005.)根據(jù)等腰梯形的性質(zhì)和交比不變性計算圖像中的隱消點，文獻(xiàn)(胡培成，黎寧，趙亮亮，“一種新的基于消失點的攝像機標(biāo)定方法”，第十三屆全國圖像圖形學(xué)學(xué)術(shù)會議，PP. 1-5，2006.)利用隱消點標(biāo)定攝像機的方法，根據(jù)兩條平行線的交點是無窮遠(yuǎn)點，直接求解兩個平行線的像的交點來完成標(biāo)定。

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(biāo)。該靶標(biāo)是一個底邊邊數(shù)是6的正棱臺，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2幅圖像就可以線性求解出攝像機的5個內(nèi)參數(shù)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明是由底邊邊數(shù)是6的正棱臺構(gòu)成的用于攝像機自標(biāo)定的靶標(biāo)，其特征在于此靶標(biāo)是將空間中任意一個正六棱錐平行于底面切割得到。具體的步驟包括從圖像上提取正六棱臺的上底面和兩個側(cè)面上的特征點，根據(jù)兩平行直線的交點是無窮遠(yuǎn)點，而無窮遠(yuǎn)點的像稱為隱消點，以及共線四點交比的性質(zhì)，得出圖像平面上隱消點坐標(biāo)，根據(jù)兩幅圖像上正交隱消點對絕對二次曲線的約束，線性求解攝像機的內(nèi)參數(shù)。1.提取圖像中的特征點
在Matlab軟件中利用Harris角點檢測提取出每個圖像平面特征點的坐標(biāo)。2.求隱消點的坐標(biāo)
(1)計算正六棱臺上底面的隱消點
在世界坐標(biāo)系的一個平面上，存在一個正六棱臺(如圖1)，正六棱臺的上底面是一個正六邊形記為泌i (如圖2)，其中四個角點為式5,;對應(yīng)于下底面
也是一個正六邊形，為,知C1為其中3個角點。線段&干行于線段五￡)，它們的交點是
無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為;線段平行于線段它們的交點也是無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為 如
圖3, a,bj,e分別是J的像，巧,P2分別是幾’ I，的像，因為I =(仙)x (5D)
,= (AE)X(BD),根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有P1 = (ab)x(ed),
P2 = (ae)x(bd),從而可以求得P1, P2的坐標(biāo)
(2)計算正六棱臺側(cè)面的隱消點
在正六棱臺的一幅圖片中，可以看到它的兩個側(cè)面是兩個全等的等腰梯形，如圖4所示，AS平行于4巧，G1分別是迎和為巧的中點，并連接G1 , If是GG1的中點，設(shè)Al為巧上的無窮遠(yuǎn)點為I , GG1方向上的無窮遠(yuǎn)點是I。如圖5, 龍分別是在昃M的像，是無窮遠(yuǎn)點iL的像點，即仙，4 方向上的隱消點，P4是無窮遠(yuǎn)點iL的像點，即ggI方向上的隱消點。因為iL是Ag和4務(wù)的交點，所以P、=(掏X(AA),根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有P3 = (ab)x(aA),根據(jù)射影幾何中調(diào)和共軛理論，得(GG1, MP4J = -1,根據(jù)射影變換中的交比不變性，得(ga,^4) = -1, 從而解出A的坐標(biāo)。在另一個等腰梯形SCS1C1中也能找到一組正交隱消
點，記為巧,P6，得到計算公式為巧=(k)XC￥i) , ( }=-' O3.求解攝像機內(nèi)參數(shù)
利用在兩幅圖像中所求的六組正交隱消點對絕對二次曲線的約束可以列出六個方程，
s uO
線性求解出攝像機的5個內(nèi)參數(shù)，即矩陣尤=0 fv F0，s為圖像的畸變因子，匕人為圖
_ 0 0 I _像坐標(biāo)系中U軸TT軸的尺度因子，(UD，V。)是主點坐標(biāo)，為攝像機的5個內(nèi)參數(shù)。本發(fā)明優(yōu)點
(I)該靶標(biāo)制作簡單，將一個正六棱錐平行于底面切割，就可以得出一個正六棱臺。(2)只需用攝像機從不同方位拍攝兩幅圖像便可線性求解出攝像機的5個內(nèi)參數(shù)。(3)方法很容易移植到其它的偶數(shù)的正棱臺上。


圖1用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的靶標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是靶標(biāo)上底面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是靶標(biāo)頂面的平面隱消點求解原理圖。圖4是靶標(biāo)側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是靶標(biāo)側(cè)面隱消點的求解原理圖。
具體實施例方式一種用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的靶標(biāo)，它是由空間中的一個底邊邊數(shù)是6的正棱臺構(gòu)成的，如圖1。用此新型靶 標(biāo)完成攝像機內(nèi)參數(shù)的求解需要經(jīng)過以下步驟基于正交隱消點的攝像機標(biāo)定方法采用的實驗?zāi)０迨强臻g中的任意的一個正六棱臺，如圖1所示。其上底面是一個正六邊形，側(cè)面是六個全等的等腰梯形，利用本發(fā)明中的方法對用于實驗的攝像機進行標(biāo)定，具體步驟如下1.擬合圖像中的特征點
在Matlab軟件中利用Harris角點檢測法提取出圖像特征點的坐標(biāo)。2.計算隱消點
(I)計算正六棱臺上底面的隱消點
在世界坐標(biāo)系的一個平面上，存在一個正六棱臺(如圖1)，其上下底面是一個正六邊形記為泌(上底面如圖2)，其中的四個角點為在;對應(yīng)于下底
面也是一個正六邊形，4.戽為其中3個角點。線段J5平行于線段■，它們的交點
是無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為;線段平行于線段它們的交點也是無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為 如
圖3, a,h,d,e分別是忒的像，Pl, P2分別是iL ’ ^，的像，因為I =(燦)x(SD)
,= Cas') x (bd),根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有Pi = ( *) X (病,
P-2 = (ss)x(bd)。(2)計算正六棱臺側(cè)面上的隱消點
在正六棱臺的一幅圖片中，可以看到它的兩個側(cè)面是兩個全等的等腰梯形，如圖4所示，AS平行于4 , GJJ1分別是和為務(wù)的中點，并連接GJJ1, ikf是GG1的中點，設(shè)
AB ’ 451上的無窮遠(yuǎn)點為4 , GGi方向上的無窮遠(yuǎn)點是iL。如圖5,分別是A昃4 AaG1,M的像，ft是無窮遠(yuǎn)點Bim的像點，即燦，4巧方向上的隱消點，A是無窮遠(yuǎn)點的像點，即GG1方向上的隱消點。因為P3e是J5和4A的交點，所以I = (as),根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有P、=⑷)x(.噸),根
據(jù)射影幾何中調(diào)和共軛理論，得(GG1,MP4J = -1,根據(jù)射影變換中的交比不變性，得(ga.呼4)=-1 ,從而解出“的坐標(biāo)。在另一個等腰梯形SCB1C1中也能找到一組正交隱消
點，記為巧,P6，得到計算公式為巧= (te)x(￥i) ’ —6)=-1,計算出巧,P6。3.求解攝像機內(nèi)參數(shù)
獲取兩幅圖像，利用正交隱消點對絕對二次曲線的約束，線性求解出攝像機的5個內(nèi)
參數(shù)，即矩陣
權(quán)利要求
1. 一種用于求解攝像機內(nèi)參數(shù)的靶標(biāo)，其特征在于此靶標(biāo)是將空間中任意一個正六棱錐平行于底面切割得到，具體的步驟為(1)計算正六棱臺上底面的隱消點在世界坐標(biāo)系的一個平面上，存在一個正六棱臺，正六棱臺的上底面是一個正六邊形記為ABCDSF，其中角點為在昃GD, P ;對應(yīng)于下底面也是一個正六邊形，為,IC1為對應(yīng)反Cf的3個角點；線段泌平行于線段，它們的交點是無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為;線段平行于線段,它們的交點也是無窮遠(yuǎn)點，設(shè)為設(shè)分別是在狄D,5的像，Pi > / 分別是石<0，^2m，的像，因為民處=(-^5) X (ED) , P2m = (.ΛΕ) X (BD),根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有-.Pi = (ah)x(ed) , = (ae)x(hd)；(2)計算正六棱臺側(cè)面的隱消點在正六棱臺的一幅圖片中，可以看到它的兩個側(cè)面是兩個全等的等腰梯形，其中一個記為ASA爲(wèi)，AB平行于, 分別是和4巧的中點，并連接σ，σι，M是GG1的中點，設(shè)25, 4Α上的無窮遠(yuǎn)點為芎》, GG1方向上的無窮遠(yuǎn)點是P4d ;設(shè)UAalJjlIg1^n分別是在5,4 AG，G1,Jkf的像，| 3是無窮遠(yuǎn)點Bim的像點，即AB，為巧方向上的隱消點，p.是無窮遠(yuǎn)點I的像點，即GG1方向上的隱消點；因為Zic是AB和4Α的交點，所以= (AS) χ(為5I)，根據(jù)射影變換中相應(yīng)點的射影不變性，有P3 ^ (ah) X(^b1),根據(jù)射影幾何中調(diào)和共軛理論，得=(GG1H) = -1,根據(jù)射影變換中的交比不變性，得(gS,嘩4) = -1,從而解出％的坐標(biāo)；在另一個等腰梯形中也能找到一組正交隱消點，記為Λ , P6，得到計算公式為P5 = (&)x(*A) , (Ii1^p6) = -1 ；(3)計算攝像機的內(nèi)參數(shù)獲取兩幅圖像，利用正交隱消點對絕對二次曲線的約束，線性求解出攝像機的5個內(nèi)參數(shù)，分別為.力圖像的畸變因子，K為圖像坐標(biāo)系中U、V軸的尺度因子，( , )是主點坐標(biāo)，即內(nèi)參數(shù)矩陣/Γ。
全文摘要
本發(fā)明是由底邊邊數(shù)是6的正棱臺構(gòu)成的用于攝像機自標(biāo)定的靶標(biāo)。具體的步驟包括從圖像上提取正六棱臺的上底面和兩個側(cè)面上的特征點，根據(jù)兩平行直線的交點是無窮遠(yuǎn)點，而無窮遠(yuǎn)點的像稱為隱消點，以及共線四點交比的性質(zhì)，得出圖像平面上隱消點坐標(biāo)，根據(jù)正交隱消點對絕對二次曲線的約束,實現(xiàn)對攝像機內(nèi)參數(shù)的線性求解。對靶標(biāo)從不同方向拍攝兩幅圖像，提取每幅圖像上的特征點坐標(biāo)，計算正六棱臺上底面和兩個側(cè)面上的正交隱消點，建立正交隱消點關(guān)于攝像機內(nèi)參數(shù)的約束方程，線性求解攝像機內(nèi)參數(shù)矩陣。利用本發(fā)明中的靶標(biāo)可實現(xiàn)全自動標(biāo)定，減少了標(biāo)定過程中由測量引起的誤差。隱消點是一種更簡潔更全局化的基元，在標(biāo)定過程中提高了精度。
文檔編號G06T7/00GK103035007SQ20121054183
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者趙越, 徐麗敏, 邵德坡 申請人:云南大學(xué)