專利名稱：一種對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維重建、運(yùn)動(dòng)捕捉等領(lǐng)域，特別涉及多 相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定。
背景技術(shù)：
多相機(jī)系統(tǒng)(包括多攝像機(jī)或多照相機(jī)系統(tǒng))可廣泛應(yīng)用于三維重 建，視覺(jué)監(jiān)控，影視、動(dòng)畫和游戲開(kāi)發(fā)制作中的動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉，體育運(yùn) 動(dòng)分析和訓(xùn)練指導(dǎo)，以及醫(yī)學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)療中的步態(tài)分析等諸多領(lǐng)域。 使用多相機(jī)系統(tǒng)的重要一步是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即確定各個(gè)相機(jī)的投影 矩陣或進(jìn)一步將每個(gè)投影矩陣分解為內(nèi)、外參數(shù)。傳統(tǒng)的多相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法一般是借助三維標(biāo)定塊或者二維平面標(biāo)定模板(Zhang Z Y. Flexible camera calibration by viewing a plane from unknown orientations, In: Proceedings of the ICCV'99, Kerkya, Greece, 1999. 666-673)進(jìn)行標(biāo)定，由于上述兩類標(biāo)定部件自身存在遮擋，無(wú)法同 時(shí)標(biāo)定出多相機(jī)系統(tǒng)的所有的相機(jī)，只能依次標(biāo)定相鄰兩個(gè)相機(jī)，最后 再進(jìn)行坐標(biāo)變換統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下，因而這種方法十分耗時(shí)，而且標(biāo) 定的外參數(shù)通常存在累積誤差。另一類方法是借助特定的標(biāo)定部件通過(guò) 靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定(Vicon Motion Systems, VICON 5U manuals, pp.43-52,186-190)，這類方法可在一定程度上提高標(biāo) 定的精度和效率。這種方法在靜態(tài)標(biāo)定階段利用由兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(為利用數(shù) 據(jù)的冗余信息降低噪聲的影響，也可多設(shè)置幾個(gè)標(biāo)志點(diǎn))構(gòu)成的一維標(biāo)定 部件進(jìn)行標(biāo)定，其本質(zhì)是對(duì)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行一定的假設(shè)利用自標(biāo)定技 術(shù)進(jìn)行標(biāo)定，然后利用標(biāo)定部件提供的度量信息將標(biāo)定結(jié)果提升到歐氏 意義下，但自標(biāo)定技術(shù)存在眾所周知的精度低魯棒性差的缺點(diǎn)，并且該 方法由于需要利用兩種標(biāo)定部件分步標(biāo)定，仍存在效率和精度較低的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)的發(fā)展和應(yīng)用，人們開(kāi)始探索新的攝像機(jī)標(biāo)定方法，Zhang提出了利用一維標(biāo)定部件體對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定(Zhang Z Y. Camera calibration with one-dimensional objects. IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, 26(7): 892-899, 2004)。但是Zhang的方 法需要一維標(biāo)定部件上的一個(gè)點(diǎn)固定不動(dòng)，且一維標(biāo)定部件只能繞著該 固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)， 一方面很難嚴(yán)格的繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)嚴(yán) 重影響標(biāo)定的精度；另一方面操作者的身體會(huì)遮擋某些相機(jī)，無(wú)法同時(shí) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。這限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種較為簡(jiǎn)便、實(shí)用、 快速并具有較高精度和魯棒性的多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一方面是提供一種多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定 方法，包括步驟如下步驟1:操作由共線的三個(gè)或三個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成的標(biāo)定部件在多 相機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)作剛體運(yùn)動(dòng)；標(biāo)定部件作一次運(yùn)動(dòng)多相機(jī)系統(tǒng)中的 每個(gè)相機(jī)各采集一幅圖像，得到對(duì)應(yīng)于標(biāo)定部件當(dāng)前位姿的一組圖像； 操作標(biāo)定部件作多次運(yùn)動(dòng)得到不同位姿標(biāo)定部件的多組圖像；步驟2:將多相機(jī)系統(tǒng)拍攝的標(biāo)定部件的多組圖像輸入計(jì)算機(jī)；步驟3:多組圖像中的每一組對(duì)應(yīng)于標(biāo)定部件的一個(gè)位姿，對(duì)于某 一位姿下的標(biāo)定部件上的某一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，從該位姿對(duì)應(yīng)的一組圖像中的 每一幅提取出該標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)坐標(biāo)，并將得到的這些圖像點(diǎn)作為一組 圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)；由于標(biāo)定部件上具有多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)以及標(biāo)定部件作多次運(yùn)動(dòng)， 則從多組圖像可得到所有的標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)坐標(biāo)和多組圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān) 系；步驟4:對(duì)步驟3得到的圖像點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)關(guān)系、以及標(biāo)定部件的幾何信息進(jìn)行線性標(biāo)定求解多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩陣；步驟5:將求解的多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩陣結(jié)果作為初始值，對(duì)初始值進(jìn)行非線性優(yōu)化得到更精確的標(biāo)定結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述線性標(biāo)定同時(shí)利用了所有的標(biāo)志點(diǎn)的圖 像點(diǎn)之間的極幾何關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定部件提供的幾何信息和標(biāo)志點(diǎn)的圖像 點(diǎn)，按照射影意義、仿射意義和歐氏意義逐層提升標(biāo)定結(jié)果，并且在將 標(biāo)定結(jié)果由射影意義提升到仿射意義時(shí)，利用射影變換保持交比不變的 性質(zhì)確定標(biāo)定部件對(duì)應(yīng)的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并由此估計(jì)出第一個(gè)相 機(jī)與其余每個(gè)相機(jī)之間的無(wú)窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣，求出射影坐標(biāo)系下無(wú)窮遠(yuǎn)平 面的法向量，進(jìn)而利用該法向量得到仿射意義下的標(biāo)定結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述的線性標(biāo)定包括如下步驟1) 確定射影意義下的投影矩陣根據(jù)圖像點(diǎn)的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)關(guān)系，利 用計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的極幾何知識(shí)恢復(fù)出射影意義下多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩 陣；2) 確定仿射意義下的投影矩陣?yán)脴?biāo)定部件提供的幾何信息和標(biāo) 定部件的圖像點(diǎn)，確定無(wú)窮遠(yuǎn)平面的法向量，得到無(wú)窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣即為 由無(wú)窮遠(yuǎn)平面確定的兩個(gè)圖像平面之間的一一對(duì)應(yīng)的射影變換，單應(yīng)矩 陣將射影意義下的投影矩陣提升到仿射意義；3) 確定歐氏意義下的投影矩陣標(biāo)定部件上的標(biāo)志點(diǎn)之間的距離信 息己知，根據(jù)這一約束利用仿射意義下的投影矩陣和標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo) 構(gòu)造方程組，求出歐氏意義下的多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩陣。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述非線性優(yōu)化方法包括以每個(gè)相機(jī)的投 影矩陣和標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)為優(yōu)化變量，以圖像中提取的標(biāo)志點(diǎn)圖像坐 標(biāo)與估計(jì)的標(biāo)志點(diǎn)的重投影圖像坐標(biāo)之間的距離和為代價(jià)函數(shù)，以線性 標(biāo)定的結(jié)果為初始值進(jìn)行非線性優(yōu)化處理。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述標(biāo)定方法，對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)整體進(jìn)行一次 性標(biāo)定。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的另一方面是提供一種多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo) 定裝置，包括標(biāo)定部件位于多相機(jī)系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)，標(biāo)定部件與長(zhǎng)柄固定連接， 長(zhǎng)柄用于控制標(biāo)定部件在多相機(jī)系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)；多相機(jī)系統(tǒng)拍 攝在其工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)標(biāo)定部件的圖像，用于對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述標(biāo)定部件上含有共線的三個(gè)或三個(gè)以上的球形體構(gòu)成標(biāo)志點(diǎn)，在標(biāo)定部件上任意設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)之間的距離。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，根據(jù)使用要求球形體采用發(fā)光、反光或與標(biāo)定環(huán)境顏色有顯著區(qū)別顏色的小球構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在手柄的一端有直角構(gòu)件或螺母與標(biāo)定部件固定連接，使標(biāo)定部件與手柄構(gòu)成直角。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在標(biāo)定過(guò)程中，標(biāo)定部件在工作區(qū)域內(nèi)作剛體運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明提供的標(biāo)定方法和裝置可以對(duì)整個(gè)多相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一次性標(biāo) 定，而不需要對(duì)每臺(tái)相機(jī)分別進(jìn)行標(biāo)定或利用多個(gè)標(biāo)定部件分步標(biāo)定， 克服了現(xiàn)有標(biāo)定方法存在的難以實(shí)現(xiàn)、引入遮擋等問(wèn)題，具有較為簡(jiǎn)便、 實(shí)用、標(biāo)定精度高、魯棒性好等特點(diǎn)，使多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定效率和精度 得以提咼°


圖l是本發(fā)明多相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明標(biāo)定方法的流程圖；圖3是本發(fā)明標(biāo)定部件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明利用直角扣件加裝手柄后的標(biāo)定部件示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí) 施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。多相機(jī)系統(tǒng)通常要求攝像機(jī)或照相機(jī)從多個(gè)角度拍攝物體。當(dāng)待重 建物體或人位于多相機(jī)系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，多相機(jī)系統(tǒng)可以獲取待重 建物體或人在同一時(shí)刻不同觀察角度的圖像，利用多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié) 果可以計(jì)算出待重建物體或人的三維信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉等目標(biāo)。因而 標(biāo)定是該系統(tǒng)最基本和最重要的一步。在圖1中給出了一種多相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定裝置的示意圖，虛線所示的4為多相機(jī)系統(tǒng)的工作區(qū)，即所有相機(jī) 的公共視野區(qū)。圖1中包括具有三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)定部件1、手柄2、操作系統(tǒng)3 或人工操作、工作區(qū)域4、多相機(jī)系統(tǒng)5，標(biāo)定部件1位于多相機(jī)系統(tǒng)5的工作區(qū)域4內(nèi)，標(biāo)定部件1與長(zhǎng)柄2固定連接，長(zhǎng)柄2用于控制標(biāo)定 部件1在多相機(jī)系統(tǒng)5的工作區(qū)域4內(nèi)運(yùn)動(dòng)；多相機(jī)系統(tǒng)5拍攝在其工 作區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)定部件1的圖像，用于對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)5進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明提出的標(biāo)定方法主要包括獲取標(biāo)定部件1的圖像、圖像輸入、 從圖像中提取標(biāo)志點(diǎn)圖像坐標(biāo)并構(gòu)造圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)、線性地標(biāo)定多相機(jī)系 統(tǒng)及利用非線性算法優(yōu)化標(biāo)定結(jié)果等步驟組成，如圖2本發(fā)明標(biāo)定方法的流程圖所示，各步的具體說(shuō)明如下步驟l.操作標(biāo)定部件1在工作區(qū)域4內(nèi)作一般剛體運(yùn)動(dòng)，獲取標(biāo)定部件1的圖像本發(fā)明裝置采用的標(biāo)定部件1由共線的三個(gè)或三個(gè)以上的標(biāo)志點(diǎn)構(gòu) 成的(最少需要三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，為利用數(shù)據(jù)的冗余信息抑制測(cè)量噪聲的影響可以取三個(gè)以上的標(biāo)志點(diǎn))，且標(biāo)志點(diǎn)之間的幾何信息已知，如圖3本發(fā)明標(biāo)定部件結(jié)構(gòu)示意圖所示，并且標(biāo)定部件1可根據(jù)需要利用標(biāo)準(zhǔn)的直角扣件(又叫十字扣件)或螺母加裝長(zhǎng)手柄，如圖4本發(fā)明利用直角扣 件加裝手柄后的標(biāo)定部件示意圖所示。這使得操作者3可以在工作區(qū)域 4外操作標(biāo)定部件1，避免操作者3遮擋相機(jī)5。利用發(fā)光、反光或與標(biāo) 定環(huán)境顏色有顯著區(qū)別顏色的小球形體作為標(biāo)定部件1上的標(biāo)志，以小 球的球心作為標(biāo)志點(diǎn)，在標(biāo)定部件上任意設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)之間的距離。在工 作區(qū)域4外的操作者3握住標(biāo)定部件1的加長(zhǎng)手柄2控制標(biāo)定部件1在 多相機(jī)系統(tǒng)5的工作區(qū)域4內(nèi)作一般剛體運(yùn)動(dòng)，多相機(jī)系統(tǒng)5應(yīng)同步地 拍攝標(biāo)定部件1的多組圖像，這里的同步是指對(duì)于標(biāo)定部件1的某一個(gè) 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)由多相機(jī)系統(tǒng)5同時(shí)拍攝的圖像，彼此之間不存在時(shí)間延遲； 或允許多相機(jī)系統(tǒng)5的不同相機(jī)拍攝圖像時(shí)存在一定時(shí)間延遲，但在拍 攝圖像時(shí)標(biāo)定部件1應(yīng)一直靜止在當(dāng)前位姿下。 步驟2.輸入圖像將多相機(jī)系統(tǒng)5拍攝的圖像借助掃描儀或某些專用接口輸入計(jì)算機(jī)；步驟3.從多相機(jī)系統(tǒng)5拍攝的圖像中提取標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)造圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)利用相機(jī)從各個(gè)角度拍攝球，在得到的圖像中球都成像為一個(gè)圓， 并且圓心對(duì)應(yīng)球心的圖像點(diǎn)。利用這一性質(zhì)將發(fā)光、反光或與標(biāo)定環(huán)境 顏色有顯著區(qū)別顏色的小球作為標(biāo)定部件1的標(biāo)志，以球心為標(biāo)定部件 1的標(biāo)志點(diǎn)。通過(guò)人機(jī)交互的方式手工在圖像中提取球心對(duì)應(yīng)的圓心作 為標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)；也可以通過(guò)自動(dòng)的方式用高斯模板對(duì)小球成像得到 的圓進(jìn)行區(qū)域檢測(cè)(blob detection),并以區(qū)域中心為標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)。 若多相機(jī)系統(tǒng)5有M個(gè)相機(jī)，標(biāo)定部件1上有Q個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)定部件1 運(yùn)動(dòng)N次，則可得到標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)為{x:J( = l，2,...,2; "7 = 1,2,…,M; " = 1，2，...，A0，其中x:表示一維標(biāo)定部件1在第n次運(yùn)動(dòng)后其第q個(gè)標(biāo)志點(diǎn)I;;在第m 個(gè)相機(jī)下成的圖像點(diǎn)。某次運(yùn)動(dòng)后標(biāo)定部件1上某一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在不同相 機(jī)5下所成的圖像點(diǎn)構(gòu)成一組圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)，則可以得到NQ組圖像點(diǎn)對(duì) 應(yīng)W""《"…exD:l,2,…,2;"4,2,…恭 步驟4.線性標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)際上就是要求出多相機(jī)系統(tǒng)5中各個(gè)相機(jī)的投影變換矩陣或 更進(jìn)一步利用QR分解等算法將投影變換矩陣分解為內(nèi)、外參數(shù)。多相 機(jī)系統(tǒng)5標(biāo)定需要借助標(biāo)定部件1，而且只需在多相機(jī)系統(tǒng)5初始安裝 或多相機(jī)系統(tǒng)5的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)一次完成。本發(fā)明提出的標(biāo)定方 法首先利用線性方法對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)5進(jìn)行標(biāo)定，再利用非線性優(yōu)化進(jìn)一 步提高標(biāo)定精度。線性標(biāo)定方法同時(shí)利用了所有的標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)之間 的極幾何關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定部件l提供的幾何信息和標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)，按 照射影意義、仿射意義和歐氏意義逐層提升標(biāo)定結(jié)果，并且在將標(biāo)定結(jié) 果由射影意義提升到仿射意義時(shí)，利用射影變換保持交比不變的性質(zhì)確 定標(biāo)定部件對(duì)應(yīng)的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并由此估計(jì)出第一個(gè)相機(jī)與其 余每個(gè)相機(jī)之間的無(wú)窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣，求出射影坐標(biāo)系下無(wú)窮遠(yuǎn)平面的法向量，進(jìn)而利用該法向量得到仿射意義下的標(biāo)定結(jié)果。 線性標(biāo)定過(guò)程包括以下步驟1 )確定射影意義下的投影矩陣。同時(shí)考慮步驟3得到的所有圖像點(diǎn)，按照多相機(jī)系統(tǒng)5的相機(jī)個(gè)數(shù)M為2、 3和大于3三種情況，分別計(jì)算 基本矩陣、三焦張量和測(cè)量矩陣，由此可以很容易的得到單應(yīng)矩陣Hm 和極點(diǎn)e^則射影意義下的投影矩陣為P, =,,P2 =[H2 |e2]，--.,Pw =[HW |eM]，其中I為3階單位陣；2) 確定仿射意義下的投影矩陣。假定標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)Q取3，由標(biāo)定部 件1提供的幾何信息可將三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)相鄰兩個(gè)之間的距離依次記為d,、 d2，記第n次運(yùn)動(dòng)后標(biāo)定部件的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)為L(zhǎng)，則三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)和無(wú)窮遠(yuǎn) 點(diǎn)構(gòu)成的交比Oom (《，《;《,)=《/ 由于射影變換保持交比不變， 因此第mUd,2,…,M)個(gè)相機(jī)得到的圖像中三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)和無(wú)窮 遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像點(diǎn)構(gòu)成的交比為Cr艦(x:，,，,《;x 3, , v , )=《/ J2 。因此根據(jù)標(biāo)志點(diǎn) 的圖像點(diǎn)可以計(jì)算出標(biāo)定部件對(duì)應(yīng)的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像點(diǎn)；，無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)都 位于無(wú)窮遠(yuǎn)平面上，因而第m("口2,3,…,M)個(gè)相機(jī)下的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)圖像點(diǎn) 與第1個(gè)相機(jī)(這里以第1個(gè)相機(jī)作為基準(zhǔn))下的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)圖像點(diǎn)之間存 在一個(gè)由無(wú)窮遠(yuǎn)平面誘導(dǎo)的單應(yīng)矩陣11 , =11 ,-e,y (附-2,3,…,M，其中 向量a為射影坐標(biāo)系下無(wú)窮遠(yuǎn)平面的法向量)，即、=(11,,,-、3/')^。利用 無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)化 0、 |" = 1，2,..,}按照上式構(gòu)造方程 組，求解出a。從而得到無(wú)窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣11,,=11,,,-e /， (w^2,3，…，M)。利用H^可將射影意義下的投影矩陣提升到仿射意義下P,(") = [I I 0], P2(。) = [H2 I e2]， ...， C = [HMro 1 ^]。3) 確定歐氏意義下的投影矩陣。標(biāo)定部件1上的標(biāo)志點(diǎn)之間的距離 信息已知，根據(jù)這一約束利用仿射意義下的投影矩陣和標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐 標(biāo)構(gòu)造方程組，求解這組約束方程得到第1個(gè)相機(jī)(基準(zhǔn)相機(jī))的內(nèi)參數(shù) K，則歐氏意義下的投影矩陣為P二、P,;:)diag(K,l),n^l，2,…,M，其中diag(K,l)表示對(duì)角元為K、 1的4X4方陣。利用圖像坐標(biāo)和估計(jì)的投影矩陣p,;;')可以估計(jì)出標(biāo)志點(diǎn)在三維空間中的歐氏坐標(biāo)《'。步驟5.優(yōu)化系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果以步驟4得到的多相機(jī)系統(tǒng)5標(biāo)定結(jié)果為初始值，利用非線性優(yōu)化 算法求解對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，求最優(yōu)意義下的標(biāo)定結(jié)果。將標(biāo)定部件1第n(w^,2，…,AO次運(yùn)動(dòng)后標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)"和多 相機(jī)系統(tǒng)5的標(biāo)定參數(shù)(系統(tǒng)中所有相機(jī)的投影矩陣0口1,2，…,M)作為優(yōu)化變量，利用估計(jì)的投影矩陣對(duì)估計(jì)的三維標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行成像變換得到標(biāo)志點(diǎn)的重投影，將重投影的標(biāo)志點(diǎn)圖像坐標(biāo)和圖像中提取的標(biāo)志點(diǎn)圖像坐標(biāo)之間的距離和作為優(yōu)化的代價(jià)函數(shù)，具體的代價(jià)函數(shù)如下其中X;;為估計(jì)的第n次運(yùn)動(dòng)后一維標(biāo)定部件1上第q個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在三 維空間中的歐氏坐標(biāo)。這是一個(gè)無(wú)約束非線性優(yōu)化問(wèn)題，以步驟4得到 的多相機(jī)系統(tǒng)5標(biāo)定結(jié)果為初始值。上述非線性優(yōu)化問(wèn)題推薦使用列文 伯格-麥夸爾特算法(Levenberg-Marquardt算法，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)M算法)進(jìn)行求 解，該算法是現(xiàn)有技術(shù)，在此不再詳述。通過(guò)本實(shí)施例中所述方法的上述步驟，可以實(shí)現(xiàn)多相機(jī)系統(tǒng)5的所 有相機(jī)的一次性標(biāo)定，利用標(biāo)定結(jié)果對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)5工作區(qū)內(nèi)的物體或 人進(jìn)行三維重建，在近距離范圍內(nèi)三維重建精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理 解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā) 明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定方法，包括以下步驟步驟1操作由共線的三個(gè)或三個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成的標(biāo)定部件在多相機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)作剛體運(yùn)動(dòng)；標(biāo)定部件作一次運(yùn)動(dòng)多相機(jī)系統(tǒng)中的每個(gè)相機(jī)各采集一幅圖像，得到對(duì)應(yīng)于標(biāo)定部件當(dāng)前位姿的一組圖像；操作標(biāo)定部件作多次運(yùn)動(dòng)得到不同位姿標(biāo)定部件的多組圖像；步驟2將多相機(jī)系統(tǒng)拍攝的標(biāo)定部件的多組圖像輸入計(jì)算機(jī)；步驟3多組圖像中的每一組對(duì)應(yīng)于標(biāo)定部件的一個(gè)位姿，對(duì)于某一位姿下的標(biāo)定部件上的某一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，從該位姿對(duì)應(yīng)的一組圖像中的每一幅提取出該標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)坐標(biāo)，并將得到的這些圖像點(diǎn)作為一組圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)；由于標(biāo)定部件上具有多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)以及標(biāo)定部件作多次運(yùn)動(dòng)，則從多組圖像可得到所有的標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)坐標(biāo)和多組圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟4對(duì)步驟3得到的圖像點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)關(guān)系、以及標(biāo)定部件的幾何信息進(jìn)行線性標(biāo)定求解多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩陣；步驟5將求解的多相機(jī)系統(tǒng)的投影矩陣結(jié)果作為初始值，對(duì)初始值進(jìn)行非線性優(yōu)化得到更精確的標(biāo)定結(jié)果。
2、 按權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于，所述的線性標(biāo)定同 時(shí)利用了所有的標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)之間的極幾何關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定部件1提 供的幾何信息和標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)，按照射影意義、仿射意義和歐氏意義 逐層提升標(biāo)定結(jié)果，并且在將標(biāo)定結(jié)果由射影意義提升到仿射意義時(shí)， 利用射影變換保持交比不變的性質(zhì)確定標(biāo)定部件對(duì)應(yīng)的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的圖像 坐標(biāo)，并由此估計(jì)出第一個(gè)相機(jī)與其余每個(gè)相機(jī)之間的無(wú)窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣， 求出射影坐標(biāo)系下無(wú)窮遠(yuǎn)平面的法向量，進(jìn)而利用該法向量得到仿射意 義下的標(biāo)定結(jié)果。
3、 按權(quán)利要求l、 2所述的線性標(biāo)定方法，其特征在于，線性標(biāo)定包括如下步驟l)確定射影意義下的投影矩陣根據(jù)圖像點(diǎn)的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)關(guān)系，利即被觸發(fā)導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)被選定某一個(gè)規(guī)格的PTC (1-3之間)，經(jīng)分 線開(kāi)關(guān)FK構(gòu)成回路。由于回路中沒(méi)有任何負(fù)載，電流表A顯示的數(shù) 據(jù)應(yīng)為粗調(diào)約定量的最大。此時(shí)可利用細(xì)調(diào)電位器W3作精度調(diào)整， 以保證被測(cè)定的熔斷器正確性。由于PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻的特征， 參見(jiàn)圖5，在大電流的作用下溫度迅速上升，上升至一定值時(shí)其電阻也 迅速增大，電流迅速下降，可降至幾乎阻斷，并只有少量維持電流通 過(guò)。只有當(dāng)可控硅CR1被截止，電流為零時(shí)，PTC會(huì)迅速降溫恢復(fù)導(dǎo) 通常態(tài)。當(dāng)發(fā)光二極管LED1被點(diǎn)亮?xí)r，"熱機(jī)緩沖"過(guò)程即告完成。電流閘門電路7包括雙聯(lián)常開(kāi)按鈕AN3、可控硅CR2、限流電阻 R3，可控硅CR2正極接可控硅CR1負(fù)極，可控硅觸發(fā)極G串接電阻 R3和雙聯(lián)常開(kāi)按鈕AN3的一聯(lián)至可控硅CR1正極，可控硅CR2負(fù)極 作為檢測(cè)頭正極，與主電源DY直流輸出負(fù)極，即檢測(cè)頭負(fù)極，組成 檢測(cè)儀檢測(cè)端。被檢測(cè)的熔斷器RD被置于檢測(cè)頭正負(fù)極內(nèi)。雙聯(lián)常開(kāi)按鈕AN3為同步觸發(fā)按鈕10，當(dāng)雙聯(lián)常開(kāi)按鈕AN3被 按下時(shí)，可控硅CR2被觸發(fā)導(dǎo)通，主電源DY的設(shè)定測(cè)試電流便流向 了被檢測(cè)的熔斷器RD。熔斷器分?jǐn)噫i定信號(hào)提取電路13包括過(guò)程計(jì)時(shí)電路和電流值鎖定 電路，參見(jiàn)圖2。過(guò)程計(jì)時(shí)電路由定時(shí)器H、輔助電源DE、雙聯(lián)常開(kāi)按鈕AN3另 一聯(lián)、二極管D1、 D2、 D4、 D5、電阻R4、 R5、可控硅CR3、繼電器 Jl、繼電器J1的第二組觸點(diǎn)J1K-2組成，輔助電源DE正極接雙聯(lián)常 開(kāi)按鈕AN3另一聯(lián)，并串接隔離二極管D1和電阻R4、 R5至檢測(cè)頭 負(fù)極，在電阻R4、 R5間分壓接可控硅CR3觸發(fā)極G;輔助電源DE 正極接另一個(gè)雙聯(lián)按鈕AN4的常閉觸點(diǎn)，經(jīng)可控硅CR3至繼電器Jl， 繼電器Jl另一端接檢測(cè)頭正極，繼電器Jl兩端接繼電器Jl內(nèi)線圈的 自感電勢(shì)釋放二極管D2，輔助電源DE負(fù)極接檢測(cè)頭負(fù)極；定時(shí)器型 號(hào)為DHC48，定時(shí)器H輸出端有四個(gè)，分別是鎖定端Z、計(jì)時(shí)開(kāi)始端 K、復(fù)位重置端F、控制回路(低電位)總端O， K端經(jīng)隔離二極管 D4連接至輔助電源DE正極，Z端經(jīng)隔離二極管D5連接至繼電器Jl 第二組觸點(diǎn)J1K-2中間端，F(xiàn)端連接雙聯(lián)按鈕AN4的常開(kāi)觸點(diǎn)端，雙
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種多相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定方法包括由三個(gè)或三個(gè)以上幾何信息已知的標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成的標(biāo)定部件在多相機(jī)系統(tǒng)工作區(qū)域做剛體運(yùn)動(dòng)，獲取標(biāo)定部件的多幅圖像輸入到計(jì)算機(jī)，提取出標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并將不同相機(jī)拍攝的某一位姿下標(biāo)定部件上同一標(biāo)志點(diǎn)的圖像點(diǎn)視為一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)和標(biāo)志點(diǎn)蘊(yùn)含的幾何信息線性恢復(fù)出多相機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)相機(jī)的投影變換矩陣，并利用非線性算法進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明公開(kāi)的裝置包括標(biāo)定部件、手柄、操作系統(tǒng)、工作區(qū)域、多相機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有標(biāo)定方法需要對(duì)多相機(jī)系統(tǒng)中的相機(jī)逐個(gè)標(biāo)定或分步標(biāo)定存在的效率低、有較大累積誤差等缺點(diǎn)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多相機(jī)系統(tǒng)整體的一次性標(biāo)定，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101226638SQ20071006282
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者吳福朝, 亮 王, 胡占義 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所