四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法，该方法包括以下步骤：使用基于平面模板的标定方法估计四自由度双目视觉系统中左、右摄像机的内参数；计算双目视觉系统初始姿态下左右摄像机的外参数；估计左摄像机的水平旋转轴和垂直旋转轴，以及右摄像机的水平旋转轴和垂直旋转轴；计算当前姿态下左右两摄像机的外参数。利用本发明的技术方案，给定当前姿态下每个摄像机分别绕两个旋转轴旋转的度数，能够有效计算出两摄像机对应的摄像机内、外参数。
【专利说明】四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机视觉【技术领域】，尤其涉及一种四自由度立体视觉系统中的摄像机标定方法。
【背景技术】
[0002]在计算机视觉领域，摄像机标定是三维重建、视觉导航、工业检测、机器人定位、三维测量等应用中的一个关键问题，长期以来受到人们的关注。摄像机标定是指确定相机的内外参数，其中内参数是指相机固有的、与位置参数无关的内部几何与光学参数，包括图像中心坐标(主点坐标)、焦距、比例因子和畸变系数等；而外参数的标定是指确定摄像机坐标系相对于世界坐标系的变换关系，可以用旋转矩阵R和平移向量T来表示。从上世界70年代开始，国内外学者对此做了大量的研究工作，提出了诸多方法。这些方法根据是否有标定物分为:有标定物法、无标定物法；根据标定物的维数分为3D、2D、1D、0D标定法；根据所采用的模型分为线性模型标定法与非线性模型标定法；根据标定方式分为传统标定、主动标定与自标定。
[0003]传统的摄像机标定方法包括传统标定方法、主动视觉方法和自标定方法，其中，传统标定方法是指用一个结构已知、精度很高的标定块作为空间参照物，通过空间点与图像点之间的对应关系来建立摄像机模型参数的约束，然后通过优化算法来求取这些参数的方法。传统标定方法的优点在于可以获得较高的精度，适用于精度要求高且摄像机的参数不经常变化的场合。不足之处是标定过程复杂，需要高精度的标定块。在这类方法中，最具有代表性的工作是Zhang于1999年提出的基于平面模板的标定方法(ZhengyouZhang, Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations.1EEE International Conference on Computer Vision, Vol.1，666-673，1999.X 这种方法既具有较好的鲁棒性，又不需要昂贵的精致标定块，实用性较强。主动视觉方法是指利用已知相机的某些运动信息对相机进行标定的方法。该类方法需要控制摄像机做某些特殊运动，利用这些运动的特殊性来计算摄像机的内参数。该类方法的优点是算法简单，往往能够获得线性解，鲁棒性较高；缺点是系统的成本高，需要特殊的实验设备而且不适合运动参数未知或者无法控制的场合。自标定方法是指不需要标定块，仅依靠多幅图像对应点之间的关系直接进行标定的方法。该类方法只利用了摄像机内参数自身存在的约束，与场景和摄像机的运动无关，具有灵活、方便的特点；但是其最大的不足是精度不高。
[0004]对于多摄像机系统，多个摄像机可以对同一物体从不同的角度分别成像，利用已标定得到的摄像机内参数可以计算出相机之间的相对平移和旋转。但是四自由度双目视觉系统是由两个可以绕水平方向和竖直方向进行旋转的摄像机组成的，两个摄像机之间的位置关系并不是固定的，这给双目立体视觉系统的标定带来了一定程度的困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法。给定当前姿态下每个摄像机分别绕两个旋转轴旋转的度数，可计算出两摄像机对应的摄像机内、外参数。
[0006]本发明提出的一种四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法包括以下步骤:
[0007]步骤1，使用基于平面模板的标定方法估计得到四自由度双目视觉系统中左、右摄像机的内参数；
[0008]步骤2，计算双目视觉系统初始姿态下左摄像机的外参数Rltl和t1Q，以及右摄像机的外参数R20和t20 ；
[0009]步骤3，估计左摄像机的水平旋转轴A1和垂直旋转轴A2,以及右摄像机的水平旋转轴A3和垂直旋转轴A4 ；
[0010]步骤4，计算当前姿态下左右两摄像机的外参数。
[0011]根据以上技术方案，本发明提出的四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法的有益效果有:
[0012](I)能够有效计算双目视觉系统中左、右摄像机水平旋转轴和垂直旋转轴；
[0013](2)在已知左、右摄像机绕水平旋转轴和垂直旋转轴及其旋转角度的前提下，能够有效计算当前姿态下左、右摄像机的外参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法的流程图；
[0015]图2是四自由度双目视觉系统的结构示意图；
[0016]图3a_f是用来标定左摄像机内参数的六幅平面模板图像；
[0017]图4a_c是初始姿态下使用左摄像机获得的三幅平面模板图像；
[0018]图5a_c是初始姿态下使用右摄像机获得的三幅平面模板图像；
[0019]图6a_c是用来估计左摄像机水平旋转轴的三幅平面模板图像；
[0020]图7a_c是用来估计左摄像机垂直旋转轴的三幅平面模板图像；
[0021]图8a_b是任意姿态下使用左、右摄像机获得的一组图像。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0023]本发明提出的四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法主要包括左(右)摄像机内参数标定、左右摄像机初始姿态外参数标定、左(右)摄像机水平(垂直)旋转轴估计、当前姿态下两摄像机的外参数计算4个部分，图1是本发明四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法的流程图，图2是四自由度双目视觉系统的结构示意图，如图1和图2所示，所述摄像机标定方法包括以下步骤:
[0024]步骤1，使用基于平面模板的标定方法估计得到四自由度双目视觉系统中左、右摄像机的内参数；
[0025]下面以左摄像机为例对于该步骤进行说明。
[0026]步骤11，在不同的平面模板姿态下使用左摄像机获取多幅O 3)标定图像，如图3a_f所示；[0027]步骤12，以每个模板平面作为XOY平面分别建立世界坐标系，则由摄像机模型可
得到每幅标定图像的坐标系与世界坐标系之间的关系式，如下式所示:
[0028]
【权利要求】
1.一种四自由度双目视觉系统中的摄像机标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤1，使用基于平面模板的标定方法估计得到四自由度双目视觉系统中左、右摄像机的内参数； 步骤2，计算双目视觉系统初始姿态下左摄像机的外参数Rltl和t1(l，以及右摄像机的外参数R20和t20 ； 步骤3，估计左摄像机的水平旋转轴A1和垂直旋转轴A2,以及右摄像机的水平旋转轴A3和垂直旋转轴A4 ； 步骤4，计算当前姿态下左右两摄像机的外参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤I进一步包括以下步骤: 步骤11，在不同的平面模板姿态下使用摄像机获取多幅标定图像； 步骤12，以每个模板平面作为XOY平面分别建立世界坐标系，则由摄像机模型可得到每幅标定图像的坐标系与世界坐标系之间的关系式； 步骤13,联合多幅标定图像对应的坐标系关系式，估计得到每幅标定图像对应的单应矩阵H ； 步骤14，根据估计得到的多个单应矩阵来估计摄像机的内参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述标定图像的坐标系与世界坐标系之间的关系式表示为:
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤14中，利用多幅标定图像对应的多个单应矩阵对于摄像机内参数矩阵的约束估计得到摄像机的内参数矩阵K，所述约束表示为:
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括以下步骤: 步骤21，在初始姿态下，使用左、右摄像机获取相应的平面模板图像； 步骤22，基于左、右摄像机获取的图像，使用直接线性变换方法计算此时左摄像机的外参数R1和V以及右摄像机的外参数R2和t2 ；步骤23，利用初始姿态下左摄像机的外参数R1和V以及右摄像机的外参数R2和t2，计算得到具有不同平面模板姿态的图像所对应的右摄像机坐标系相对于左摄像机坐标系的旋转矩阵R21和平移向量t21 ； 步骤24，对多幅具有不同平面模板姿态的图像对应的右摄像机坐标系相对于左摄像机坐标系的旋转向量和平移向量进行平均，得到平均旋转向量对应的平均旋转矩阵和平均平移向量； 步骤25，利用得到的平均旋转矩阵和平均平移向量，计算得到初始姿态下左摄像机的外参数Rltl和t1(l，以及右摄像机的外参数R2tl和t2Q。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直接线性变换方法表示为:
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤23中，利用下式计算右摄像机坐标系相对于左摄像机坐标系的旋转矩阵R21和平移向量t21:
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤25中，利用下式计算得到初始姿态下左摄像机的外参数Rltl和t1(l，以及右摄像机的外参数R2tl和t2Q:
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括以下步骤: 步骤31，设摄像机初始姿态下的外参数为Rltl和t1(l，绕旋转轴旋转α度后的外参数为R11和tn，利用下式计算得到摄像机旋转后的摄像机坐标系相对于初始姿态下的摄像机坐标系的旋转矩阵Ra: 其中，Rltl为初始姿态下摄像机的外参数，R11为绕旋转轴旋转a度后摄像机的外参数； 步骤32，根据旋转矩阵Ra估计得到摄像机的旋转轴。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，利用下式来计算当前姿态下左右两摄像机的外参数:
【文档编号】G06T7/00GK103854291SQ201410123114
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】曾慧, 高伟, 胡占义 申请人:中国科学院自动化研究所