本發(fā)明屬于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，特別涉及一種多攝像機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

多攝像機(jī)系統(tǒng)在場(chǎng)景重建、運(yùn)動(dòng)捕捉和工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是系統(tǒng)的全局標(biāo)定，確定各個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。但對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，多攝像機(jī)排布規(guī)則不盡相同，可能會(huì)出現(xiàn)鄰近攝像機(jī)無(wú)公共視場(chǎng)的情況。而傳統(tǒng)的全局標(biāo)定方法需要攝像機(jī)間存在一定的公共視場(chǎng)，同時(shí)標(biāo)靶需置于攝像機(jī)景深之內(nèi)，限制了其應(yīng)用范圍。對(duì)于聚焦較遠(yuǎn)的攝像機(jī)，往往需要大尺寸標(biāo)靶，才能覆蓋足夠的攝像機(jī)視場(chǎng)并拍攝到清晰的標(biāo)靶圖像，同樣增加了系統(tǒng)標(biāo)定的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供了一種多攝像機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法，適用性強(qiáng)、抗離焦性好、靈活性高。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種多攝像機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法，該方法標(biāo)定步驟如下：

步驟a、采用相位標(biāo)靶分別對(duì)多攝像機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)子攝像機(jī)，以及輔助攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，任選一子攝像機(jī)作為基準(zhǔn)攝像機(jī)，建立全局坐標(biāo)系；

步驟b、進(jìn)行兩兩子攝像機(jī)的局部標(biāo)定，將兩相位標(biāo)靶分別置于兩子攝像機(jī)可見(jiàn)視場(chǎng)范圍之內(nèi)，其中包括一個(gè)基準(zhǔn)攝像機(jī)或已完成局部標(biāo)定的子攝像機(jī)；采集相位標(biāo)靶圖像并提取特征點(diǎn)，計(jì)算兩個(gè)子攝像機(jī)與對(duì)應(yīng)相位標(biāo)靶的轉(zhuǎn)換矩陣；保持兩相位標(biāo)靶位置不變，移動(dòng)輔助攝像機(jī)，使其可同時(shí)拍攝到兩個(gè)相位標(biāo)靶；以輔助攝像機(jī)為媒介，計(jì)算出兩相位標(biāo)靶間的轉(zhuǎn)換矩陣，結(jié)合兩子攝像機(jī)與對(duì)應(yīng)相位標(biāo)靶的轉(zhuǎn)換矩陣，以及兩相位標(biāo)靶間的轉(zhuǎn)換矩陣，可計(jì)算出兩子攝像機(jī)間的轉(zhuǎn)換矩陣；

步驟c、重復(fù)步驟b，直到多攝像機(jī)系統(tǒng)中每個(gè)攝像機(jī)都完成局部標(biāo)定；利用兩兩子攝像機(jī)間的轉(zhuǎn)換矩陣，將所有子攝像機(jī)統(tǒng)一至全局坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)系統(tǒng)的全局標(biāo)定。

上述方案中，所述多攝像機(jī)系統(tǒng)包括若干個(gè)子攝像機(jī)，子攝像機(jī)間無(wú)需存在公共視場(chǎng)；基準(zhǔn)攝像機(jī)，優(yōu)選多攝像機(jī)系統(tǒng)中與其他子攝像機(jī)均較近的子攝像機(jī)，將這個(gè)子攝像機(jī)坐標(biāo)系作為全局坐標(biāo)系。

上述方案中，所述輔助攝像機(jī)在標(biāo)定過(guò)程中，可隨意移動(dòng)，優(yōu)選分辨率高、畸變小、視場(chǎng)大的攝像機(jī)作為輔助攝像機(jī)。

上述方案中，采用相移技術(shù)將特征點(diǎn)編碼至特征圖像中，特征圖像可為灰色或彩色的圓光柵陣列、契形光柵陣列或正弦條紋；選用數(shù)字顯示器作為二維平面標(biāo)定板，顯示特征圖像，構(gòu)成相位標(biāo)靶；攝像機(jī)采集相位標(biāo)靶圖像后，利用相移技術(shù)計(jì)算出其截?cái)嘞辔环植?，從中提取特征點(diǎn)；根據(jù)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立相位標(biāo)靶的投影方程，求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

上述方案中，步驟a標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)時(shí)，相位標(biāo)靶至少在不同位置或方位擺放三次；步驟b進(jìn)行兩子攝像機(jī)的局部標(biāo)定時(shí)，通過(guò)多次移動(dòng)輔助攝像機(jī)，拍攝兩相位標(biāo)靶的圖像，精確求解兩相移標(biāo)靶間的轉(zhuǎn)換矩陣；同時(shí)，通過(guò)多次擺放兩相位標(biāo)靶，獲得更多的特征點(diǎn)，進(jìn)而精確求解兩子攝像機(jī)間的轉(zhuǎn)換矩陣。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明所提供的一種多攝像機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法，兩相位標(biāo)靶之間相互獨(dú)立，擺放自由度高；將自由移動(dòng)的輔助攝像機(jī)作為媒介，建立兩相位標(biāo)靶的聯(lián)系，即轉(zhuǎn)換矩陣；對(duì)兩兩子攝像機(jī)的局部標(biāo)定，可實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)系統(tǒng)的全局標(biāo)定；利用相位標(biāo)靶的零相位點(diǎn)提取精度高、抗模糊性強(qiáng)的特點(diǎn)，將相位標(biāo)靶置于攝像機(jī)的景深范圍之外，仍能精確提取特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定；采用數(shù)字顯示器作為二維平面標(biāo)定板，可根據(jù)不同場(chǎng)合改變特征圖像尺寸、特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，成本較低、靈活性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的圓光柵陣列特征檢測(cè)原理示意圖，其中，圖1(a)為圓光柵陣列標(biāo)靶，圖1(b)為其截?cái)嘞辔?，圖1(c)為其零相位點(diǎn)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的契形光柵陣列特征檢測(cè)原理示意圖，其中，圖2(a)為契形光柵陣列標(biāo)靶，圖2(b)為其截?cái)嘞辔?，圖2(c)為其零相位點(diǎn)。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的多攝像機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。

首先介紹單個(gè)攝像機(jī)的標(biāo)定。圖1為圓光柵陣列的相位標(biāo)靶原理示意圖，由數(shù)字顯示器作為二維平面標(biāo)定板，顯示該相位標(biāo)靶，其中單個(gè)圓光柵的強(qiáng)度函數(shù)為：

其中n＝0,1,…,N-1；N≥3為相移總數(shù)；I_n′(r)為圓光柵的第n+1幅相移圖像；T′為圓光柵的半徑周期；r為圓半徑，即圓光柵上一點(diǎn)至其圓心的距離；r′_max為單個(gè)圓光柵的最大圓半徑，為了保證兩個(gè)完整的半徑周期，其取值范圍設(shè)定為2.2T′≤r′_max≤2.8T′。通過(guò)對(duì)單個(gè)圓光柵進(jìn)行簡(jiǎn)單的陣列操作，即可獲得圓光柵陣列，如圖1(a)所示，其中沿著水平方向和豎直方向的相鄰圓光柵的圓心間距相等，且均大于2r′_max。攝像機(jī)在每個(gè)方位拍攝到該相位標(biāo)靶的N幅相移圖像I_n，通過(guò)N步相移算法解算出其截?cái)嘞辔环植紴椋?/p>

其中圓光柵陣列的截?cái)嘞辔沪?u,v)的取值范圍為[0,2π]。如圖1(b)所示，可以看出其相位分布在零相位φ(u,v)＝0處發(fā)生截?cái)?，利用常用的邊緣檢測(cè)算法如Sobel和Canny算法，即可提取這些零相位點(diǎn)。如圖1(c)所示，這些零相位點(diǎn)構(gòu)成同心圓陣列，通過(guò)橢圓擬合算法可求得這些圓的投影曲線；然后根據(jù)投影變換的交比不變性，可以求得圓光柵圓心的投影點(diǎn)。

圖2為契形光柵陣列的相位標(biāo)靶原理示意圖，其中單個(gè)契形光柵的強(qiáng)度函數(shù)為：

其中I″_n為契形光柵的第n+1幅相移圖像；T″為契形光柵的角度周期；θ為契形光柵的角度；r″_min和r″_max分別為單個(gè)契形光柵的最小和最大圓半徑。同樣地，通過(guò)對(duì)單個(gè)契形光柵進(jìn)行簡(jiǎn)單的陣列操作可獲得契形光柵陣列。利用公式(2)計(jì)算得到的契形光柵陣列的截?cái)嘞辔蝗鐖D2(b)所示，通過(guò)邊緣檢測(cè)算法提取零相位點(diǎn)對(duì)于單個(gè)契形光柵圖像，零相位點(diǎn)分布在兩條直線上，如圖2(c)所示。通過(guò)最小二乘法擬合得到這兩條直線，然后聯(lián)立兩條直線方程，即可求解契形光柵的圓心投影點(diǎn)。

對(duì)于圓光柵陣列或者契形光柵陣列，求得圓心投影點(diǎn)作為特征點(diǎn)，根據(jù)張正友方法，建立這些特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)K和外部參數(shù)R,t，其中R為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3×1的平移向量。

下面介紹多個(gè)攝像機(jī)的標(biāo)定。將坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁與標(biāo)系X₂Y₂Z₂的轉(zhuǎn)換關(guān)系表示為：

其中[x₁ y₁ z₁]^T和[x₂ y₂ z₂]^T表示同一空間點(diǎn)分別位于坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁與坐標(biāo)系X₂Y₂Z₂的坐標(biāo)值，表示坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁與坐標(biāo)系X₂Y₂Z₂的旋轉(zhuǎn)矩陣，表示坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁與坐標(biāo)系X₂Y₂Z₂的平移向量，旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量結(jié)合便構(gòu)成了坐標(biāo)系X₁Y₁Z₁與坐標(biāo)系X₂Y₂Z₂之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

如圖3所示，C1和C2表示多攝像機(jī)系統(tǒng)中的任意兩個(gè)子攝像機(jī)；C0表示輔助攝像機(jī)；P1和P2表示兩個(gè)相位標(biāo)靶。將相位標(biāo)靶P1和P2分別擺放在子攝像機(jī)C1和C2可見(jiàn)視場(chǎng)范圍之內(nèi)，采集對(duì)應(yīng)的相位標(biāo)靶圖像，并提取特征點(diǎn)，結(jié)合已標(biāo)定的子攝像機(jī)C1和子攝像機(jī)C2內(nèi)部參數(shù)K_C1和K_C2，求得到相位標(biāo)靶P1與子攝像機(jī)C1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量以及子攝像機(jī)C2與相位標(biāo)靶P2的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量移動(dòng)輔助攝像機(jī)C0，使得其能同時(shí)拍到相位標(biāo)靶P1和相位標(biāo)靶P2，采集圖像并提取特征點(diǎn)，結(jié)合已標(biāo)定的輔助攝像機(jī)C0的內(nèi)部參數(shù)K_C0，求得相位標(biāo)靶P2與輔助攝像機(jī)C0的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量和輔助攝像機(jī)C0與相位標(biāo)靶P1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量則相位標(biāo)靶P2與相位標(biāo)靶P1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量進(jìn)而求得子攝像機(jī)C2與子攝像機(jī)C1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量利用兩兩子攝像機(jī)間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量，可將所有子攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一至全局坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)系統(tǒng)的全局標(biāo)定。