專利名稱：一種多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機視覺的運動捕捉、動作數(shù)據(jù)采集和分析等領(lǐng)域，特別涉及多相機系統(tǒng)的標定方法。
背景技術(shù)：
多相機(包括多攝像機或多照相機)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于影視和游戲制作中的運動捕捉，體育訓練、比賽和轉(zhuǎn)播中的動作分析，以及醫(yī)學康復訓練中的步態(tài)分析等領(lǐng)域。多相機系統(tǒng)的標定，即確定各個相機的內(nèi)、外參數(shù)，是多相機系統(tǒng)進行高效可靠工作不可或缺的重要步驟。經(jīng)典的多相機系統(tǒng)標定方法多是借助三維標定塊或ニ維平面標定板(Zhang Z Y.A flexible new technique for camera calibration,丄乜GE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence 22 (11) (2000) 1330 - 1334)實現(xiàn)標定，但這些標定物存在自身遮擋，無法從多個視角同時觀測到標定物，因而無法一次性地標定多相機系統(tǒng)，且會引入累積誤差。Zhang提出的一維標定方法(Zhang Z Y. Camera calibration withone—dimensional objects, in: Proc. European Conf. Computer Vision, vol. 4， pp.161-174，2002)，由于ー維標定物不存在自身遮擋，特別適合多相機系統(tǒng)。但現(xiàn)有的ー維標定方法主要討論如何降低一維標定物的運動約束，實際使用中亟需解決的實用性差、精度低等問題未得到應(yīng)有的重視，因而難以實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供ー種較為實用的、高精度多相機系統(tǒng)的標定方法。一種多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于應(yīng)用以下裝置，標定部件位于多相機系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)，標定部件與標定部件底座鉸鏈或萬向節(jié)連接，且連接的運動中心位于標定部件的直桿的中心線上，即與標志點共線；標定部件底座裝配有用來驅(qū)動標定部件做繞固定點轉(zhuǎn)動的電機；三自由度運動平臺，與標定部件底座固連；所述的標定部件由一個直桿串三個以上的球形標志物構(gòu)成，球形標志物的球心位于直桿的中心線上，球心之間的距離已知且保持固定；取標定部件上的球形標志物的球心做標志點，并將球形標志物設(shè)置成単色色彩；方法包括以下步驟步驟1:令標定部件在工作區(qū)域內(nèi)自動地做繞固定點的轉(zhuǎn)動，多相機系統(tǒng)中的各個相機同步地拍攝標定物轉(zhuǎn)動的視頻或圖像序列，將拍攝的標定部件的視頻或圖像序列輸入計算機；步驟2 :同一時刻不同相機拍攝的各幀圖像構(gòu)成ー組圖像對應(yīng)，對應(yīng)于標定部件在該時刻的位姿，標定部件上某ー標志點在一組圖像對應(yīng)中的圖像坐標構(gòu)成ー組點對應(yīng)，具有多個標志點的標定部件轉(zhuǎn)動多次，得到多組點對應(yīng)；從輸入的視頻或圖像序列提取標志點，建立點對應(yīng)；步驟3 :對于多相機系統(tǒng)中每個相機，使用步驟2提取出的標志點的圖像坐標，利用基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)；步驟4 :利用標志點的圖像坐標及步驟3得到的內(nèi)參數(shù)根據(jù)多視幾何標定多相機系統(tǒng)的外參數(shù)。進ー步，所述的利用基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)，針對每個相機，根據(jù)標定部件上標志點間的距離信息和標志點的圖像坐標估計標志點的相對深度，并且在計算相對深度時選取標志點深度的最小值作為參照，然后利用相對深度構(gòu)造權(quán)系數(shù)對關(guān)于絕對二次曲線的像的約束方程進行加權(quán)，從而估計出絕對二次曲線的像，進而確定相機的內(nèi)參數(shù)。進ー步，所述的基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)，包括如下步驟I)估計標定部件上標志點的相對深度對標志點的圖像坐標進行歸ー化預處理，然后根據(jù)交比不變量構(gòu)造關(guān)于標志點深度的約束方程，求解后選取標志點深度的最小值作為參照計算相對深度；2)利用加權(quán)思想構(gòu)造并求解關(guān)于絕對二次曲線的像的加權(quán)約束方程根據(jù)標定部件上的標志點之間的距離已知，構(gòu)造相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像的約束方程組，利用相對深度構(gòu)造權(quán)系數(shù)對該方程組進行加權(quán)，進而估計出相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像；3)確定相機的內(nèi)參數(shù)根據(jù)相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像利用喬里斯基分解得到相機的內(nèi)參數(shù)。進ー步，所述的根據(jù)多視幾何標定多相機系統(tǒng)外參數(shù)的方法包括利用得到的相機內(nèi)參數(shù)對標志點的圖像坐標進行規(guī)范化，然后選擇ー個相機作為參照，利用計算機視覺中的多視幾何分別計算參照相機與多相機系統(tǒng)中其余每ー個相機的本質(zhì)矩陣，對本質(zhì)矩陣進行分解得到其余相機相對參照相機的外參數(shù)，從而標定出多相機系統(tǒng)的外參數(shù)。進ー步，基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)的過程包括以下步驟I)估計標定部件上標志點的相對深度；對于多相機系統(tǒng)中的第i個相機，對步驟2得到的標志點的圖像坐標Xniu,其中m=l, 2,…，M，i=l,2,…，I，j=l，2，3 ;進行數(shù)據(jù)歸ー化，得到歸ー化的圖像坐標1-，其中m=l, 2，---,M, i=l, 2，…，I, j=l, 2，3,然后根據(jù)交比這ー射影變換的不變量構(gòu)造關(guān)于標志點
在空間中的深度的線性約束方程
權(quán)利要求
1.一種多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于應(yīng)用以下裝置， 標定部件位于多相機系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)，標定部件與標定部件底座鉸鏈或萬向節(jié)連接，且連接的運動中心位于標定部件的直桿的中心線上，即與標志點共線；標定部件底座裝配有用來驅(qū)動標定部件做繞固定點的轉(zhuǎn)動的電機； 三自由度運動平臺，與標定部件底座固連； 所述的標定部件由一個直桿串三個以上的球形標志物構(gòu)成，球形標志物的球心位于直桿的中心線上，球心之間的距離已知且保持固定；取標定部件上的球形標志物的球心做標志點，并將球形標志物設(shè)置成單色色彩； 方法包括以下步驟 步驟1:令標定部件在工作區(qū)域內(nèi)自動地做繞固定點的轉(zhuǎn)動，多相機系統(tǒng)中的各個相機冋步地拍攝標定物轉(zhuǎn)動的視頻或圖像序列，將拍攝的標定部件的視頻或圖像序列輸入計算機； 步驟2 :同一時刻不同相機拍攝的各幀圖像構(gòu)成一組圖像對應(yīng)，對應(yīng)于標定部件在該時刻的位姿，標定部件上某一標志點在一組圖像對應(yīng)中的圖像坐標構(gòu)成一組點對應(yīng)，具有多個標志點的標定部件轉(zhuǎn)動多次，得到多組點對應(yīng)；從輸入的視頻或圖像序列提取標志點，建立點對應(yīng)； 步驟3 :對于多相機系統(tǒng)中每個相機，使用步驟2提取出的標志點的圖像坐標，利用基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)； 步驟4 :利用標志點的圖像坐標及步驟3得到的內(nèi)參數(shù)根據(jù)多視幾何標定多相機系統(tǒng)的外參數(shù)。
2.按權(quán)利要求1所述的多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于，所述的利用基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)，針對每個相機，根據(jù)標定部件上標志點間的距離信息和標志點的圖像坐標估計標志點的相對深度，并且在計算相對深度時選取標志點深度的最小值作為參照，然后利用相對深度構(gòu)造權(quán)系數(shù)對關(guān)于絕對二次曲線的像的約束方程進行加權(quán)，從而估計出絕對二次曲線的像，進而確定相機的內(nèi)參數(shù)。
3.按權(quán)利要求2所述的多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于，所述的基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)，包括如下步驟 1)估計標定部件上標志點的相對深度對標志點的圖像坐標進行歸一化預處理，然后根據(jù)交比不變量構(gòu)造關(guān)于標志點深度的約束方程，求解后選取標志點深度的最小值作為參照計算相對深度； 2)利用加權(quán)思想構(gòu)造并求解關(guān)于絕對二次曲線的像的加權(quán)約束方程根據(jù)標定部件上的標志點之間的距離已知，構(gòu)造相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像的約束方程組，利用相對深度構(gòu)造權(quán)系數(shù)對該方程組進行加權(quán)，進而估計出相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像； 3)確定相機的內(nèi)參數(shù)根據(jù)相機對應(yīng)的絕對二次曲線的像利用喬里斯基分解得到相機的內(nèi)參數(shù)。
4.按權(quán)利要求1所述的多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于，所述的根據(jù)多視幾何標定多相機系統(tǒng)外參數(shù)的方法包括利用得到的相機內(nèi)參數(shù)對標志點的圖像坐標進行規(guī)范化，然后選擇一個相機作為參照，利用計算機視覺中的多視幾何分別計算參照相機與多相機系統(tǒng)中其余每一個相機的本質(zhì)矩陣，對本質(zhì)矩陣進行分解得到其余相機相對參照相機的外參數(shù)，從而標定出多相機系統(tǒng)的外參數(shù)。
5.按權(quán)利要求1所述的多相機系統(tǒng)的加權(quán)標定方法，其特征在于 基于加權(quán)的方法標定相機內(nèi)參數(shù)的過程包括以下步驟 O估計標定部件上標志點的相對深度； 對于多相機系統(tǒng)中的第i個相機，對步驟2得到的標志點的圖像坐標Xniu，其中m=l, 2,…，M，i=l,2,…，I，j=l，2，3 ;進行數(shù)據(jù)歸一化，得到歸一化的圖像坐標，其中m=l, 2，*··,Μ, i=l, 2，…，I, j=l, 2，3,然后根據(jù)交比這一射影變換的不變量構(gòu)造關(guān)于標志點在空間中的深度的線性約束方程
全文摘要
一種多相機系統(tǒng)加權(quán)標定方法涉及計算機視覺的運動捕捉、動作數(shù)據(jù)采集和分析等領(lǐng)域。包括由直桿串起的三個以上球形標志物構(gòu)成的標定部件在標定部件底座電機的驅(qū)動下在多相機系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)自動地做繞固定點的轉(zhuǎn)動，用多相機系統(tǒng)采集標定部件轉(zhuǎn)動的視頻或圖像序列，輸入計算機后提取標志點的圖像坐標并建立對應(yīng)點，根據(jù)標志點的圖像坐標和標志點間的距離信息利用加權(quán)方法標定出多相機系統(tǒng)中各個相機的內(nèi)參數(shù)，并根據(jù)多視幾何標定多相機系統(tǒng)的外參數(shù)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有標定方法難以實現(xiàn)、精度低、標定物存在自身遮擋等缺陷，具有較為實用、標定精度高、自動化程度高等特點，大大提高多相機系統(tǒng)的標定精度和效率。
文檔編號G06T7/00GK103035008SQ201210546719
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者王亮, 王偉偉, 居鶴華 申請人:北京工業(yè)大學