本發(fā)明涉及相機標定，具體涉及一種基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法、裝置及設備。

背景技術：

1、相機標定是從相機拍攝的圖像中確定實際物體三維信息的關鍵步驟，通常利用標定平面網(wǎng)格拍攝多張圖像實現(xiàn)，即僅能處理共面點，而對于室外視覺測量系統(tǒng)相機標定場景，空間點往往異面分布，難以構建共面配置，且在遠距離觀測條件下，空間點沿景深方向分布又遠遠小于觀測距離，屬于奇異配置。基于戶外場景的上述情況，利用大尺寸立體靶標或絕對共面的標定板進行標定或利用自身運動約束實施自標定都不太現(xiàn)實。野外多相機組標定中，內外參數(shù)存在一定程度耦合，并且隨著焦距的增加，視場角會迅速減小，導致相機透視成像模型大大減弱，內外參數(shù)之間的復相關性急劇增大，耦合程度也隨之增大，無法實現(xiàn)無公共視場的相機組內外參數(shù)的標定問題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法、裝置及設備，以解決無法實現(xiàn)無公共視場的相機陣列內外參數(shù)標定的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，相機陣列包括至少一個相機，各相機之間不存在公共視場，各相機的視場內包括多個非共線的預設基準點，方法包括：

3、獲取相機陣列中目標相機采集的基準圖像，并提取基準圖像中各預設基準點在像素坐標系下的二維坐標，各目標相機的基準圖像為同步采集；

4、獲取各預設基準點在世界坐標系中的三維坐標，并利用相機透視成像模型構建各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系；

5、基于各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系，利用光心坐標先驗和零空間分析確定目標相機的參數(shù)；

6、利用預設優(yōu)化方法對目標相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標相機的優(yōu)化參數(shù)。

7、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，通過多個非共線基準點的二維坐標與三維坐標的轉換，利用零空間分析確定相機參數(shù)，實現(xiàn)對無公共視場相機陣列的標定，無需標定板，更加靈活，提高相機陣列現(xiàn)場標定的效率、精度和穩(wěn)定性，從而保障視覺測量系統(tǒng)的測量精度。

8、在一種可選的實施方式中，獲取各預設基準點在世界坐標系中的三維坐標，并利用相機透視成像模型構建各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系，包括：

9、以全站儀設站坐標系作為世界坐標系，利用全站儀獲取各預設基準點在全站儀設站坐標系中的三維坐標，作為各預設基準點在世界坐標系中的三維坐標；

10、基于相機透視成像模型構建各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系：

11、

12、其中，為深度因子，即每個控制點在相機坐標系下的z軸方向的分量；為第i個點在像素坐標系下的齊次坐標；為第i個點在世界坐標系下的三維坐標；為世界坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣，為世界坐標系到相機坐標系的平移向量；為相機內參矩陣：

13、

14、其中，、分別表示相機在x軸、y軸方向的等效焦距，、是像素坐標系下的相機主點坐標。

15、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，利用全站儀設站坐標系作為世界坐標系，并利用全站儀獲取各預設基準點的三維坐標，三維坐標更加準確，且獲取方式簡單，不受場景限制，應用更加靈活。

16、在一種可選的實施方式中，基于各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系，利用零空間分析確定目標相機的參數(shù)，包括：

17、通過逐一打點估算得到相機的光心坐標；

18、根據(jù)相機的光心坐標、基于世界坐標系與相機坐標系之間的轉換關系，得到用旋轉矩陣表示平移向量的矩陣轉換公式；

19、將各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系進行預處理，得到不包含深度因子的坐標轉換公式；

20、將矩陣轉換公式代入坐標轉換公式，并進行預設矩陣轉換處理，得到齊次方程組；

21、利用零空間分析對齊次方程組求解，得到目標相機的參數(shù)。

22、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，通過將各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系進行轉換，減少未知量，降低相機參數(shù)的計算難度，提高相機標定效率。

23、在一種可選的實施方式中，根據(jù)相機的光心坐標、基于世界坐標系與相機坐標系之間的轉換關系，得到用旋轉矩陣表示平移向量的矩陣轉換公式，包括：

24、世界坐標系與相機坐標系之間的轉換關系為：

25、

26、其中，表示世界坐標系中預設基準點的坐標，表示相機坐標系中與對應的預設基準點的坐標；

27、根據(jù)相機的光心坐標，用旋轉矩陣表示平移向量的矩陣轉換公式為：

28、

29、其中，表示相機的光心坐標，、、為旋轉矩陣的行向量。

30、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，借助光心坐標將平移向量用旋轉矩陣表示，減少了平移向量中的未知量，便于快速準確的計算得到相機標定過程中各參數(shù)的值，提高計算效率。

31、在一種可選的實施方式中，將各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系進行預處理，得到不包含深度因子的坐標轉換公式，包括：

32、將各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系兩邊同時乘以，假設，得到：

33、；

34、兩邊消去深度因子，得到坐標轉換公式：

35、。

36、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，通過對各基準點的二維坐標與三維坐標轉換關系的預處理，消去了深度因子這個未知量，同時將矩陣計算轉換為代數(shù)式進行計算，降低了計算難度。

37、在一種可選的實施方式中，將矩陣轉換公式代入坐標轉換公式，并進行預設矩陣轉換處理，得到齊次方程組，包括：

38、將矩陣轉換公式代入坐標轉換公式，并進行移項、合并后兩邊同時除以等效焦距，得到：

39、；

40、定義兩個預設矩陣：

41、

42、

43、其中，表示第個預設基準點，多個預設基準點可以得到多個超定方程組，設，則得到齊次方程組。

44、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，通過定義兩個預設矩陣，并結合矩陣轉換公式和坐標轉換公式，得到齊次方程組，利用零空間分析對齊次方程組求解，相機參數(shù)的求解主要通過數(shù)學手段實現(xiàn)，降低了相機標定過程對場景的依賴，適用性更強。

45、在一種可選的實施方式中，利用預設優(yōu)化方法對目標相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標相機的優(yōu)化參數(shù)，包括：

46、利用光束法平差優(yōu)化求解相機的內外參數(shù)，單視場下的優(yōu)化公式為：

47、

48、其中，n表示預設基準點的數(shù)量。

49、本發(fā)明提供的基于光心坐標先驗的相機陣列標定方法，利用預設優(yōu)化方法對相機的參數(shù)進行優(yōu)化，提高了相機標定的精度和相機成像的準確性。

50、第二方面，本發(fā)明提供了一種基于光心坐標先驗的相機陣列標定裝置，相機陣列包括至少一個相機，各相機之間不存在公共視場，各相機的視場內包括多個非共線的預設基準點，裝置包括：

51、二維坐標確定模塊，用于獲取相機陣列中目標相機采集的基準圖像，并提取基準圖像中各預設基準點在像素坐標系下的二維坐標，各目標相機的基準圖像為同步采集；

52、坐標轉換關系確定模塊，用于獲取各預設基準點在世界坐標系中的三維坐標，并利用相機透視成像模型構建各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系；

53、參數(shù)確定模塊，用于基于各預設基準點的二維坐標與三維坐標的轉換關系，利用光心坐標先驗和零空間分析確定目標相機的參數(shù)；

54、參數(shù)優(yōu)化模塊，用于利用預設優(yōu)化方法對目標相機的參數(shù)進行優(yōu)化，得到目標相機的優(yōu)化參數(shù)。

55、第三方面，本發(fā)明提供了一種計算機設備，包括：存儲器和處理器，存儲器和處理器之間互相通信連接，存儲器中存儲有計算機指令，處理器通過執(zhí)行計算機指令，從而執(zhí)行上述第一方面或其對應的任一實施方式的方法。

56、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質，該計算機可讀存儲介質上存儲有計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應的任一實施方式的方法。

57、第五方面，本發(fā)明提供了一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應的任一實施方式的方法。