利用雙平面鏡裝置和圓環(huán)點(diǎn)性質(zhì)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及利用雙平面鏡裝置和圓環(huán)點(diǎn)性質(zhì)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，具體方法是由兩個(gè)矩形平面鏡構(gòu)成，并且兩平面鏡與其底邊構(gòu)成的平面垂直，用于攝像機(jī)自標(biāo)定的裝置。具體的步驟包括：拍攝包括物體及其在平面鏡中形成四個(gè)像的三幅圖像，從圖像上提取特征點(diǎn)，一組對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)在一個(gè)圓上，兩個(gè)實(shí)平面鏡法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)在一條直線(xiàn)上，這條直線(xiàn)稱(chēng)為無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)，而無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的像稱(chēng)為消失線(xiàn)，圓的投影與消失線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的像，利用三幅圖像，建立圓環(huán)點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)像的六組約束方程,線(xiàn)性求解攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】利用雙平面鏡裝置和圓環(huán)點(diǎn)性質(zhì)求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究領(lǐng)域，涉及一種用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的一個(gè)新方法，利用兩個(gè)成一定夾角的平面鏡所成像的特殊性，通過(guò)求解三幅圖像上的圓環(huán)點(diǎn)像的坐標(biāo)，線(xiàn)性確定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)算機(jī)視覺(jué)的基本任務(wù)之一，就是從攝像機(jī)獲得的二維圖像信息出發(fā)恢復(fù)物體在三維空間中的幾何信息,從而識(shí)別和重建三維空間中物體的幾何形狀。在此過(guò)程中必須確定空間物體點(diǎn)的三維幾何位置與其圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，而這種關(guān)系又由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型的參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，這就是攝像機(jī)標(biāo)定。它一般分為傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法，無(wú)論哪種標(biāo)定方法，標(biāo)定物體都是采用一些特殊的幾何模型，例如:平面正方形、三角形、圓、空間立方體及圓柱等等，如何建立這些幾何模型與攝像機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系尤其是某種線(xiàn)性的關(guān)系，是目前攝像機(jī)標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
[0003]傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法雖然可以獲得較高的精度，但是標(biāo)定塊制作困難，不便于操作，針對(duì)這一問(wèn)題文獻(xiàn)“A flexible new technique for camera calibration，，，
(Zhengyou Zhang , IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, vol.22, n0.11, pp.1330-1334，2000.)提出了用平面模板代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)定塊的方法，這種方法簡(jiǎn)單方便，成本低，并且能獲得較高的精度，但需要精確定位模板上點(diǎn)陣的物理坐標(biāo)，由于圓環(huán)點(diǎn)是一種更簡(jiǎn)潔更全局化的基元，因而可以進(jìn)一步提高方法的穩(wěn)定性，于是用圓環(huán)點(diǎn)解決標(biāo)定問(wèn)題被廣泛使用，文獻(xiàn)“A New Easy Camera CalibrationTechnique Based on Circular Points, 2002，vol.13，pp.957-965.”就是利用圓環(huán)點(diǎn)的屬性，從單一投影圖像中計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
[0004]圓環(huán)點(diǎn)是像平面上一個(gè)特殊的虛點(diǎn)，平面上任意一個(gè)圓與無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的交點(diǎn)稱(chēng)為圓環(huán)點(diǎn)。文獻(xiàn)(胡釗政，談?wù)袄枚吻€(xiàn)擬合和圓環(huán)點(diǎn)進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定”，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版，vol.40，n0.10, pp.1065-1069, 2006.)根據(jù)兩條二次曲線(xiàn)的交點(diǎn)求取圓環(huán)點(diǎn)，文獻(xiàn)(胡培成，黎寧，周建江“一種改進(jìn)的基于圓環(huán)點(diǎn)的攝像機(jī)自標(biāo)定方法”，光電工程，PP.54-60, 2007.)基于拉蓋爾定理求取圓環(huán)點(diǎn)像的坐標(biāo)，進(jìn)而建立對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)像(IAC)的約束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了 一種制作簡(jiǎn)單，適用廣泛，穩(wěn)定性好的用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法。該方法由兩個(gè)矩形平面鏡片組成，并且垂直于兩平面鏡底邊構(gòu)成的平面，一個(gè)物體任意放置在兩平面鏡片之間，調(diào)整兩平面鏡片之間的夾角在60°-80°之間，使這個(gè)物體在兩個(gè)平面鏡中共形成四個(gè)像。根據(jù)平面鏡成像原理，物體和四個(gè)像的對(duì)應(yīng)點(diǎn)在一個(gè)圓周上，利用圓環(huán)點(diǎn)的性質(zhì)線(xiàn)性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。在求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的過(guò)程中，只需攝像機(jī)從不同方位拍攝包括物體在內(nèi)的五個(gè)視圖的3幅圖像就可以線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明是由兩個(gè)矩形平面鏡構(gòu)成，利用圓環(huán)點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行攝像機(jī)自標(biāo)定的方法。具體的步驟包括:拍攝三幅包括物體在平面鏡中形成的四個(gè)像的圖像，從圖像上提取特征點(diǎn)；求解消失線(xiàn)，利用形成的一組對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)在一個(gè)圓周上，兩個(gè)實(shí)平面鏡法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)在一條直線(xiàn)上，這條直線(xiàn)稱(chēng)為無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)，而無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的像稱(chēng)為消失線(xiàn)；圓的投影與消失線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的像，建立圓環(huán)點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)的像的約束；利用三幅圖像建立三組約束方程，可線(xiàn)性求解攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)。
[0007]1.提取圖像中的特征點(diǎn)
在Matlab軟件中利用Harris角點(diǎn)檢測(cè)提取出圖像平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)。
[0008]2.求圓環(huán)點(diǎn)像的坐標(biāo)
(O計(jì)算兩個(gè)平面鏡法方向的消失點(diǎn)與兩個(gè)平面鏡法平面的消失線(xiàn) 如圖1，--與-12是兩個(gè)平面鏡，它們之間的夾角是到8Cf，M3是平面鏡11在平
面鏡M1中的像，M4是平面鏡M1在平面鏡M2中所成的像，A1A1,A2, A3,A4是一組對(duì)應(yīng)
點(diǎn)，其中AA1是空間中一個(gè)實(shí)點(diǎn)，點(diǎn)A1是點(diǎn)a在M1中的像，點(diǎn)A2是點(diǎn)a在崦中的像，點(diǎn)
A3是點(diǎn)A在虛反射鏡M3中的像，點(diǎn)入是點(diǎn)A2在虛反射鏡M4中的像。根據(jù)平面鏡成像
原理，點(diǎn)Aj1,A2,A3,A4在一個(gè)圓上。也是一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中點(diǎn)B是空間
中一個(gè)實(shí)點(diǎn)，點(diǎn)是點(diǎn)B在平面鏡1-中的像，點(diǎn)B2是點(diǎn)B在平面鏡中的像，點(diǎn)是點(diǎn)
B1在虛反射鏡M3中的像，點(diǎn)1是點(diǎn)中B2在虛反射鏡M4中的像。根據(jù)平面鏡成像原理，
點(diǎn)B,也在一個(gè)圓上。根據(jù)平面鏡成像原理，A與A1關(guān)于平面鏡M1對(duì)稱(chēng)，B與
B1也關(guān)于平面鏡M1對(duì)稱(chēng)，所以A1A1所在的直線(xiàn)與B, B1所在直線(xiàn)平行，這兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)
就是反射鏡M1法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn):P1。a與-關(guān)于平面鏡M2對(duì)稱(chēng)，B與4也關(guān)于平面鏡
M2對(duì)稱(chēng)，A，A2所在直線(xiàn)與B，B2所在直線(xiàn)平行，其交點(diǎn)是反射鏡:-2法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P2
。如圖2，點(diǎn)Ia1Ab1分別是A1A1-B1的成像點(diǎn)，點(diǎn)所在直線(xiàn)與Kb1所在直線(xiàn)的交Ap1
是無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P1的像，點(diǎn)P1就是反射鏡M1法方向的消失點(diǎn)，其計(jì)算公式Sp1 = (Ea1)XCbb1)。
點(diǎn)a?a2,b,b2分別是AiA2AB2的像點(diǎn)，點(diǎn)a，a2所在直線(xiàn)與b,b2所在直線(xiàn)的交點(diǎn)？2是無(wú)窮遠(yuǎn)
點(diǎn)巧的像，點(diǎn)Pa就是反射鏡M2法方向的消失點(diǎn),其計(jì)算公式為Pi = (aa2)x(bb2)。消失點(diǎn)
P1-P2所在的直線(xiàn)就是兩鏡面法平面的一個(gè)消失線(xiàn)，記為Ih，則Ih =P1XP2。
[0009](2)擬合點(diǎn)A, AllA-A3iA4的像所在的二次曲線(xiàn)
點(diǎn)IA1A2A3sA4在一個(gè)圓上，它們?cè)谙衿矫嫔系耐队霸谝粭l二次曲線(xiàn)上，如圖2，根據(jù)像點(diǎn)a,為馬的坐標(biāo)擬合出二次曲線(xiàn)C1的方程。[0010](3)求取圓環(huán)點(diǎn)的像
無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)與圓的交點(diǎn)稱(chēng)為圓環(huán)點(diǎn)，而無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的像(消失線(xiàn))與圓的像的交點(diǎn)稱(chēng)為圓環(huán)點(diǎn)的像，二次曲線(xiàn)C1是圓在像平面上的投影，消失線(xiàn)Ih與C1的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的像。
[0011]3.求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)
利用在三幅圖像中所得三組圓環(huán)點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)像的約束可以列出六個(gè)約束
方程，線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)，即矩陣
【權(quán)利要求】
1.用于求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，其特征在于，由兩個(gè)矩形平面鏡片組成，利用兩個(gè)平面鏡之間的物體在兩個(gè)平面鏡中共形成四個(gè)像，根據(jù)圓環(huán)點(diǎn)的性質(zhì)，線(xiàn)性求解攝像內(nèi)參數(shù)；具體的步驟包括:拍攝三幅包括物體在平面鏡中形成的四個(gè)像的圖像，從圖像上提取特征點(diǎn)；求解消失線(xiàn)，利用形成的一組對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)在一個(gè)圓周上，兩個(gè)實(shí)平面鏡法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)在一條直線(xiàn)上，這條直線(xiàn)稱(chēng)為無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)，而無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的像稱(chēng)為消失線(xiàn)；圓的投影與消失線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的像，建立圓環(huán)點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)的像的約束；利用三幅圖像建立三組約束方程，可線(xiàn)性求解攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)； (1)求圓環(huán)點(diǎn)像的坐標(biāo) 計(jì)算兩個(gè)平面鏡法方向的消失點(diǎn)與兩個(gè)平面鏡法平面的消失線(xiàn):假設(shè)M1與M2是兩個(gè)平面鏡，它們之間的夾角是60°-80°，M3是平面鏡M2在平面鏡M1中的像，M4是平面鏡M1在平面鏡M2中所成的像，A, A1,A2,A3,A4是一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其中點(diǎn)A是空間中一個(gè)實(shí)點(diǎn)，在平面鏡M1與M2之間，點(diǎn)A1是點(diǎn)A在M1中的像，點(diǎn)A2是點(diǎn)A在M2中的像，點(diǎn)A3是點(diǎn)A1在虛反射鏡M3中的像，點(diǎn)A4是點(diǎn)中A3在虛反射鏡M4中的像；根據(jù)平面鏡成像原理，點(diǎn)A，A1, A2, A3,A4在一個(gè)圓上；假設(shè)B,B1,B2,B3，B4也是一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，點(diǎn)B是空間中一個(gè)實(shí)點(diǎn)，點(diǎn)B1是點(diǎn)B在平面鏡M1中的像，點(diǎn)B2是點(diǎn)B在平面鏡M2中的像，點(diǎn)B3是點(diǎn)bI在虛反射鏡Μ3中的像，點(diǎn)Β4是點(diǎn)中B2在虛反射鏡Μ4中的像，點(diǎn)B,B1，B2，B3，B4也在一個(gè)圓上；根據(jù)平面鏡成像原理，點(diǎn)A與A1關(guān)于平面鏡M1對(duì)稱(chēng)，B與B1也關(guān)于平面鏡M1對(duì)稱(chēng)，所以A,A1所在的直線(xiàn)與B,B1所在直線(xiàn)平行，這兩條直線(xiàn)AA1，BB1的交點(diǎn)就是反射鏡M1法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P1 : A與A2關(guān)于平面鏡M2對(duì)稱(chēng)，B與B2也關(guān)于平面鏡M2對(duì)稱(chēng)，A, A2所在直線(xiàn)與B, B2所在直線(xiàn)平行，其交點(diǎn)是反射鏡M2法方向的無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P2 ;假設(shè)點(diǎn)a,a1,b,b1分別是A，A1，B,，B1的像點(diǎn)，點(diǎn)a,a1所在直線(xiàn)與b,b2所在直線(xiàn)的交點(diǎn)P1是無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P1的像，點(diǎn)P1就是反射鏡M1法方向的消失點(diǎn)，其計(jì)算公式為Pi = Caa1) * (BB1)；點(diǎn)a,a2 ,b,b2分別是Α,Α2,B,B2的像點(diǎn)，點(diǎn)a,a2所在直線(xiàn)與b，b2所在直線(xiàn)的交點(diǎn)P2是無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)P2的像，點(diǎn)P2就是反射鏡M2法方向的消失點(diǎn)，其計(jì)算公式為P1 = (AA2)*(BB2);消失點(diǎn)Pl,P2所在的直線(xiàn)就是兩鏡面法向面的消失線(xiàn)，記為Ih，則Ih=P1*P2 ; 擬合點(diǎn)A,Al,A2,A3,A4的像所在的二次曲線(xiàn):點(diǎn)A,A1,A2,A3, A4在一個(gè)圓上，它們?cè)谙衿矫嫔系耐队霸谝粭l二次曲線(xiàn)上，根據(jù)像點(diǎn)A,A1，A2，A3，A4的坐標(biāo)擬合出二次曲線(xiàn)C1的方程; 求取圓環(huán)點(diǎn)的像:無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)與圓的交點(diǎn)稱(chēng)為圓環(huán)點(diǎn)，而無(wú)窮遠(yuǎn)直線(xiàn)的像，即消失線(xiàn)，與圓的像的交點(diǎn)稱(chēng)為圓環(huán)點(diǎn)的像，二次曲線(xiàn)4是圓在像平面上的投影，消失線(xiàn)Ih與C1的交點(diǎn)就是圓環(huán)點(diǎn)的像； (2)計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù) 獲取三幅圖像，建立圓環(huán)點(diǎn)的像對(duì)絕對(duì)二次曲線(xiàn)像的六組約束方程，線(xiàn)性求解出攝像機(jī)的5個(gè)內(nèi)參數(shù)::力圖像的畸變因子，匕上為圖像坐標(biāo)系中u軸V軸的尺度因子，Cu0,v0)是主點(diǎn)坐標(biāo)，為攝像機(jī)的5 個(gè)內(nèi)參數(shù),即內(nèi)參數(shù)矩陣I
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103440638SQ201310295201
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】趙越, 徐麗敏 申請(qǐng)人:云南大學(xué)