基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變 參數(shù)求解方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 攝像機(jī)成像過程中的畸變來源包括CCD的制造誤差、鏡頭中的鏡片曲面誤差、鏡 頭中各鏡片間的軸向間距等，這些因素，破壞攝影中心、待檢測(cè)點(diǎn)及其像點(diǎn)之間的共線關(guān) 系，產(chǎn)生的非線性變形，會(huì)使圖像的質(zhì)量下降，給圖像分析、處理、拼接、測(cè)量等帶來誤差，甚 至造成誤判，因此需要對(duì)攝像機(jī)光學(xué)成像系統(tǒng)的圖像幾何畸變進(jìn)行校正，旨在減小攝像機(jī) 的光學(xué)成像畸變、提高成像測(cè)量的精度。
[0003]目前的攝像機(jī)畸變校正技術(shù)分為以下三種：
[0004] 1)基于共線方程的畸變校正法，求解圖像畸變參數(shù)與攝像機(jī)的外參數(shù)時(shí)，需要高 精密標(biāo)定物，來建立攝影中心、檢測(cè)點(diǎn)及其像點(diǎn)的約束關(guān)系，但是當(dāng)標(biāo)定板幅面較大時(shí)，其 制造與存儲(chǔ)維護(hù)費(fèi)用劇增，且需要對(duì)畸變前后的圖像標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行精確的匹配，匹配精度也 會(huì)直接影響到畸變校正的精度。
[0005] 2)基于共面方程的畸變校正法，其無需要標(biāo)定物，僅靠多幅圖像同名點(diǎn)的共面關(guān) 系進(jìn)行標(biāo)定，故靈活性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，但算法中都需要解非線性方程組或相應(yīng)的非線性規(guī)劃 問題，對(duì)初值和噪聲都很敏感，未知參數(shù)較多，魯棒性不足。在消隱點(diǎn)的標(biāo)定方法中，都是將 其初值作為過渡值，來求解圓環(huán)點(diǎn)的投影坐標(biāo)，進(jìn)一步求解基本矩陣，再求解Kruppa方程， 其對(duì)初值和噪聲較為敏感。
[0006] 3)基于主動(dòng)視覺的標(biāo)定方法，是在"已知攝像機(jī)的某些運(yùn)動(dòng)信息"的條件下標(biāo)定攝 像機(jī)的方法。通過可以精確控制其運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)視覺平臺(tái)，來對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。該算法可 以獲得線性解，但必須有精確控制的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于直線特征的攝像機(jī)非線性 畸變參數(shù)求解方法，利用直線射影幾何不變性進(jìn)行攝像機(jī)的畸變校正，避免了畸變參數(shù)與 攝像機(jī)外參數(shù)的耦合優(yōu)化過程，為攝像機(jī)非線性畸變自校正提供了一種新的途徑。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于直線特征的攝像機(jī)非線性 畸變參數(shù)求解方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一、用攝像機(jī)拍攝含有直線特征的多視角照片集；
[0010] 步驟二、利用邊緣檢測(cè)算子提取多視角照片集中的直線特征，得到求解非線性畸 變參數(shù)的直線集合；
[0011] 步驟三、建立非線性畸變校正模型；
[0012] 步驟四、計(jì)算直線集合中每條直線的最大直線度誤差；
[0013] 步驟五、利用每條直線上取得最大直線度誤差所對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)，建立含有畸變參數(shù) 的非線性方程組；
[0014] 步驟六、通過非線性最小二乘廣義逆法求解畸變參數(shù)。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：與現(xiàn)有攝像機(jī)非線性畸變自校正方法不 同，本發(fā)明利用任意直線成像后應(yīng)為直線或一個(gè)點(diǎn)的射影幾何原理，建立含有畸變參數(shù)的 非線性方程組及其數(shù)值計(jì)算方法，再從攝像機(jī)多視角拍攝照片中選取直線特征（要求直線 在CCD上均勻分布），帶入方程求取攝像機(jī)的非線性畸變參數(shù)。因此，本發(fā)明可避免耗時(shí) 的畸變參數(shù)與攝像機(jī)的外參數(shù)耦合優(yōu)化過程，可將攝像機(jī)的外參數(shù)求解與畸變參數(shù)求解分 開，提升了攝像機(jī)非線性畸變自校正的效率與準(zhǔn)確性，另一方面，無需昂貴的高精度標(biāo)定模 板（或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)），降低了成本。
【附圖說明】
[0016] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0017] 圖1為直線在(XD上的分布區(qū)域1和2的示意圖；
[0018] 圖2為直線在(XD上的分布區(qū)域3和4的示意圖；
[0019] 圖3為直線在CXD上的分布區(qū)域5的示意圖；
[0020] 圖4為直線在(XD上的分布區(qū)域6的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] -種基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，包括如下步驟：
[0022] 步驟一、用攝像機(jī)多視角拍攝有直線特征的物體的照片（如房子等含有直線特征 的物體，也可以自行制作含有直線特征的標(biāo)定板），得到含有直線特征的多視角照片集。
[0023] 步驟二、利用邊緣檢測(cè)算子提取拍攝照片集中的直線特征；選擇求解非線性畸變 參數(shù)的直線集合L，選擇原則如圖1至圖4所示：
[0024] 區(qū)域1到區(qū)域6中都需要有直線，要求：每個(gè)區(qū)域的直線數(shù)量多1條（直線的長(zhǎng)度 應(yīng)達(dá)到區(qū)域長(zhǎng)度的80%以上），并且區(qū)域1到區(qū)域4的直線數(shù)量必須相等，區(qū)域5與區(qū)域6 的直線數(shù)量是區(qū)域1到區(qū)域4中直線數(shù)量的兩倍，即可認(rèn)為直線在C⑶上均勻分布。其中， 區(qū)域1和區(qū)域2分別對(duì)應(yīng)CCD上、下部區(qū)域；區(qū)域3和區(qū)域4分別為CCD左、右部區(qū)域；區(qū)域 5為CCD中心十字區(qū)域；區(qū)域六為CCD對(duì)角線區(qū)域）。
[0025] 注意：L中的直線必須來自攝像機(jī)多視角拍攝的圖像照片，產(chǎn)生的方法可以是有 直線特征的物體不動(dòng)，改變攝像機(jī)位姿參數(shù)拍攝；也可以固定攝像機(jī)位姿不變，將有直線特 征的物體放置在不同的位置與姿態(tài)下，分別拍攝照片。
[0026] 步驟三、采用的非線性畸變校正模型如下：
[0027] 將直線集合L中任意一條直線上的第η個(gè)像點(diǎn)記為Pn (xn，yn)，將其對(duì)應(yīng)的畸變校 正點(diǎn)記為 Pd,n (xd,n，yd,n)，則
[0029]式中：
為忽略高階部分的徑向畸變；
為忽略高階部分的偏心畸變；
為忽略高階部分的薄棱鏡畸變。
[0033] 步驟四、計(jì)算L中每條直線的最大直線度誤差，計(jì)算方法如下：
[0034] Sp1 (X1, yD、p2(x2, y2)和Ρ3(χ3, y3)為第m條直線Lm上的任意不同的三點(diǎn)，則其向 量積為
[0036] 遍歷Lni上所有不同的三點(diǎn)，分別計(jì)算其向量積，得到其中絕對(duì)值最大的向量積
，即為L(zhǎng)ni的最大直線度誤差，式中r、s和t表示L ni取得Δ naxfcs t n) 所對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)的序號(hào)。
[0037] 步驟五、建立含有畸變參數(shù)的非線性方程組
[0038] f； (ki, k2, P1, p2, S1, s2,) = 0, i = I,. . , m,. . , nsum
[0039] 式中，η_表示直線集合L中直線的總數(shù)，
[0040] 貝IJ，直線集合L中第m條直線Lni的畸變參數(shù)非線性方程建立方法如下：非線性畸 變校正后，P〇、Pdis和P 〇為L(zhǎng)ni的Δ 對(duì)應(yīng)三點(diǎn)P p PjP P t的校正結(jié)果，按照
[0048] 步驟六、通過非線性最小二乘廣義逆法求解畸變參數(shù)：
[0049] 畸變參數(shù)％，k2, Pl，p2, Sl，S2)的雅克比矩陣為：
[0051] 迭代公式為
[0053] 其中：
[0054] I) Z(k)為線性代數(shù)方程組J (k)Z(k) = F (k)的線性最小二乘解，
[0055] 式中J(k)為k次迭代值X (k)的雅克比矩陣，
[0059] 2)ak為使α的一元函數(shù)
達(dá)到極小值的點(diǎn)。
[0060] 最后求解過程中賦初值為零，經(jīng)過迭代得到畸變參數(shù)L k2, Pl，p2, Sl，s2。
[0061] 本發(fā)明僅利用CCD上多條分布均勻的直線（如從多個(gè)視角拍攝同一直線特征，使 直線特征滿足圖1至圖4所示的分布要求即可），因此，本發(fā)明可避免耗時(shí)的畸變參數(shù)與攝 像機(jī)的外參數(shù)耦合優(yōu)化過程，可將攝像機(jī)的外參數(shù)求解與畸變參數(shù)求解分開，提升了攝像 機(jī)非線性畸變自校正的效率與準(zhǔn)確性，另一方面，無需昂貴的高精度標(biāo)定模板（或運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)），降低了成本。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征在于：包括如下步 驟： 步驟一、用攝像機(jī)拍攝含有直線特征的多視角照片集； 步驟二、利用邊緣檢測(cè)算子提取多視角照片集中的直線特征，得到求解非線性畸變參 數(shù)的直線集合； 步驟三、建立非線性畸變校正模型； 步驟四、計(jì)算直線集合中每條直線的最大直線度誤差； 步驟五、利用每條直線上取得最大直線度誤差所對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)，建立含有畸變參數(shù)的非 線性方程組； 步驟六、通過非線性最小二乘廣義逆法求解畸變參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征 在于：所述含有直線特征的多視角照片的拍攝方法為：使具有直線特征的被拍攝物保持不 動(dòng)，通過改變攝像機(jī)位姿參數(shù)進(jìn)行拍攝；或者使攝像機(jī)位姿保持不變，通過改變具有直線特 征的被拍攝物的位姿進(jìn)行拍攝。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征在 于：所述直線集合由攝像機(jī)CCD的六個(gè)區(qū)域內(nèi)的直線構(gòu)成，六個(gè)區(qū)域分別是CCD的上部、下 部、左部、右部四個(gè)區(qū)域、CCD的中心十字區(qū)域和對(duì)角線區(qū)域；上部、下部、左部、右部四個(gè)區(qū) 域的直線數(shù)量相等，且均至少包括1條直線，中心十字區(qū)域和對(duì)角線區(qū)域的直線數(shù)量相等， 且均為上部區(qū)域直線數(shù)量的2倍。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征在 于：每個(gè)區(qū)域的直線長(zhǎng)度至少為所在區(qū)域長(zhǎng)度的80%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征在 于：所述非線性畸變校正模型為： 將直線集合L中任意一條直線上的第η個(gè)像點(diǎn)記為Pn (xn，yn)，將其對(duì)應(yīng)的非線性畸變 校正點(diǎn)記為Pd,n (xd,n，yd,n)，則6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，其特征在 于：步驟四所述直線集合中每條直線的最大直線度誤差的計(jì)算方法為： 設(shè)Ρι(χι，yi)、P2(x；!，y；!)和Ρ；5(χ；5,yJ為任意一條直線Lm上的任意不同的三點(diǎn)，則其向量 積為遍歷直線上所有不同的三點(diǎn)，分別計(jì)算向量積，得到其中絕對(duì)值最大的向量積 記為Anaxfcstn)，即為直線L"的最大直線度誤差，其中r、s和t表示取得最大直 線度誤差所對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)的序號(hào)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于直線特征的攝像機(jī)非線性畸變參數(shù)求解方法，包括步驟一、用攝像機(jī)拍攝含有直線特征的多視角照片集；步驟二、利用邊緣檢測(cè)算子提取多視角照片集中的直線特征，得到求解非線性畸變參數(shù)的直線集合；步驟三、建立非線性畸變校正模型；步驟四、計(jì)算直線集合中每條直線的最大直線度誤差；步驟五、利用每條直線上取得最大直線度誤差所對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)，建立含有畸變參數(shù)的非線性方程組；步驟六、通過非線性最小二乘廣義逆法求解畸變參數(shù)。本發(fā)明可避免耗時(shí)的畸變參數(shù)與攝像機(jī)的外參數(shù)耦合優(yōu)化過程，提升了攝像機(jī)非線性畸變自校正的效率與準(zhǔn)確性，另一方面，無需昂貴的高精度標(biāo)定模板或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，降低了成本。
【IPC分類】G06T7/00
【公開號(hào)】CN105303556
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510600422
【發(fā)明人】張征宇, 黃敘輝, 賴瀚軒, 彭章國(guó), 茆驥, 朱龍
【申請(qǐng)人】中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月18日