CN104408704A - 一种自动化变焦镜头标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化变焦镜头标定装置及标定方法，包括：标定板图案设计、标定板图案识别与定位、标定方法操作流程以及摄像机焦环值与摄像机内参的函数关系，其中标定装置包括摄像机、标定板、标定板支架以及驱动机构。标定板图案设计包括标定板布局以及编码图案设计，其保证了各种变焦环位置的精度的稳定性；标定方法操作流程包括通过电机驱动标定板，节省了人工成本并且保证了标定的精度的稳定性；摄像机焦环值与摄像机内参的函数关系，包括建立焦环值与摄像机内参矩阵中各元素的函数关系，为电影后期的特效制作提供数据基础。

Description

一种自动化变焦镜头标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种镜头标定装置及标定方法，特别涉及一种自动化变焦镜头标定装置及标定方法。 

背景技术

摄像机标定技术是通过标定板将世界坐标与图像坐标联系起来，并根据对应关系计算出摄像机的内外参数。特别是通过标定技术，得到对焦、焦距、镜头畸变之间的函数关系是虚拟特效拍摄技术的基础。 

在应用中，常常使用棋盘格或者圆点的标定板来完成摄像机的标定过程。标定板的使用常常是：通过拍摄不同姿态下的多幅棋盘格或者圆点标定板图像，并根据图像坐标系与世界坐标系中对应点的坐标，求得摄像机内外参数但是在对同一个镜头的不同焦距的标定过程中传统的标定板存在以下的缺陷： 

1)拍摄不同位置的标定板图像时，需要不停调节标定板的位置使成像清晰； 

2)标定板在拍摄角度过大时，标定板***边缘的图案在图像中成像较小、模糊，影响对应点的准确性； 

3)对于标定长焦镜头，无法拍摄完整的标定板图像也是传统标定方法中遇到的难题。 

因此，本发明设计了一种具有特殊编码图案的标定板，能够通过使标定板自动变化姿态的机械设备，使标定过程自动化，并通过标定板的设计解决上述标定过程中遇到的问题。 

发明内容

发明目的：为摄像机的标定设计一种具有特殊编码图案的标定板以及识别方法，为摄像机镜头的自动化标定提供解决方案。本发明通过在标定板上设计一定数量的特殊编码图案，通过对其识别和定位，得到图像中的点在标定板坐标系中的坐标。同时，使用本发明的标定板，可以在大角度、远距离和长焦的情况下，在图像中都得到足够的成像清晰的标定板图案，因此，可通过机械自动变换标定板姿态，避免了人工频繁调节标定板的工作，实现了摄像机的自动标定。 

1.技术方案：为了实现以上目的，本发明公开了一种摄像机标定板的设计与检测方法，包括以下步骤： 

S1：标定板整体布局及设计； 

S2：测量并保存标定板信息； 

S3：摄像机标定。 

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤： 

S11：根据实际需要确定标定板的长度和面积，保证了在大角度拍摄时，标定板***边缘具有足够的编码图案能够被清晰成像； 

S12：设计不重复的、大小不一的编码图案，保证了在标定长焦镜头时，总是有合适大小的编码图案能够在针对摄像机镜头的各种变焦环位置进行标定而被识别； 

S13：将所述编码图案布局到标定板中。 

进一步地，所述步骤S1中，通过机械自动变换标定板姿态，避免了人工频繁调节标定板的工作，实现了摄像机的自动标定。 

进一步地，所述步骤S12中的编码图案为正方形的编码图案或圆形编码图案。其中，正方形的编码图案，整体标定板采用矩形，长度较大，编码图案使用多种大小，最靠近中间的图案最小，两边的图案最大；采用圆形编码图案，整体标定板同样采用长度较大的矩形，编码图案使用两种大小的圆形编码图案，相间地分布在标定板中。 

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤： 

S21：将标定板图案的编码存储到数据库中，建立编码与图案的对应关系； 

S22：通过精密测量设备，测量各个标定图案的尺寸、在标定板中的坐标、图案特征点以及采样点的坐标。 

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤： 

S31：特征点识别； 

S32:摄像机标定； 

S33：建立焦环值与摄像机内参矩阵中各元素之间的函数关系。 

进一步地，所述步骤S31具体包括以下步骤： 

S311：连通域处理，在图像中得到含有数据块的区域； 

S312：角点提取； 

S313：筛选角点，得到构成数据块图案四边形的四个角点； 

S314：计算模板数据块到图像中数据块的投影矩阵H； 

S315：解码数据块，得到图像中的数据块对于标定板中该数据块的位置信息。 

进一步地，所述步骤S32具体包括以下步骤： 

S321：获取标定板图像中能识别的数据块中心坐标，采用步骤S31的方法，建立起与世界坐标系的对应关系； 

S322：获取摄像机内外参以及畸变参数的初值； 

S323：筛选通过L-M优化算法对摄像机内外参数以及畸变系数优化。 

进一步地，所述步骤S33具体包括以下步骤： 

S331：在变焦范围下，调节变焦值； 

S332：通过步骤S22中所述的方法，标定在当前焦距下的摄像机参数，从而建立焦环值与各摄像机参数之间的函数关系； 

S333：在下一个变焦值下，变焦值一般在取值范围内取20组以上，重复步骤S322。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1.通过机械自动变换标定板姿态，避免了人工频繁调节标定板的工作，实现了摄像机的自动标定； 

2.在大角度拍摄时，标定板***边缘具有足够的编码图案能够被清晰成像； 

3.在标定长焦镜头时，总是有合适大小的编码图案能够在针对摄像机镜头的各种变焦环位置进行标定而被识别。 

附图说明

图1是一种自动化变焦镜头标定装置，是采用正方形编码图案的标定板示意图； 

图2是标定板示意图，是采用圆形编码图案的标定板示意图； 

图3是标定板图案数据块示意图，是正方形标定板图案示意图1； 

图4是摄像机标定的流程示意图，是正方形标定板图案示意图2； 

图5是特征点识别流程图，是圆形编码图案的示意图； 

图6是数据块采样点示意图，是一种摄像机标定板的设计与检测方法流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

实施例： 

实施例1： 

一种摄像机标定板的设计与检测方法，包括以下步骤(如图6所示)： 

S1：标定板整体布局及设计； 

S2：测量并保存标定板信息； 

S3：摄像机标定。 

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤： 

S11：根据实际需要确定标定板的长度和面积，保证了在大角度拍摄时，标定板***边缘具有足够的编码图案能够被清晰成像； 

S12：设计不重复的、大小不一的编码图案，保证了在标定长焦镜头时，总是有合适大小的编码图案能够在针对摄像机镜头的各种变焦环位置进行标定而被识别； 

S13：将所述编码图案布局到标定板中。 

进一步地，所述步骤S1中，通过机械自动变换标定板姿态，避免了人工频繁调节标定板的工作，实现了摄像机的自动标定。 

进一步地，所述步骤S12中的编码图案为正方形的编码图案，整体标定板采用矩形，长度较大，编码图案使用多种大小，最靠近中间的图案最小，两边的图案最大。正方形矩形编码图案整体为一个矩形，内部采用m*n的网格型布局使用另一种颜色进行编码。可通过从左到右、从上到下的直角坐标系进行编码，前景色为1、背景色为0，将图案转换为一串2进制代码。 

如图3所示是一个矩形编码图案的示意图，该图案使用正方形，其中间5*5的部分为数据部分，以从左到右、从上到下的顺序进行编码，白色为1、黑色为0，则该编码图案的编码为：00001 11000 01110 00010 00100。 

又如图4所示是一个8*8的编码图案，其编码为：00000001 0010001000011110 01001110 01100010 00001010 11000100 11000000，用16进制可简单写为：01221E4E620AC4C0。 

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤： 

S21：将标定板图案的编码存储到数据库中，建立编码与图案的对应关系； 

S22：通过精密测量设备，测量各个标定图案的尺寸、在标定板中的坐标、图案特征点以及采样点的坐标。 

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤： 

S31：特征点识别； 

S32:摄像机标定； 

S33：建立焦环值与摄像机内参矩阵中各元素之间的函数关系。 

进一步地，所述步骤S31具体包括以下步骤： 

S311：连通域处理，在图像中得到含有数据块的区域； 

S312：角点提取，本发明采用Harris角点提取方法，其他角点提取算法都可行； 

S313：筛选角点，得到构成数据块图案四边形的四个角点，在一个连通域中，有用于标定的角点和对数据块编码而产生的角点，从这些角点中提取出用于标定的处在正方形或长方形四个角上的4个角点(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)、(u4,v4)，并计算这4个角点构成的四边形的对角线的交点(u0,v0)，作为数据块图案的中心坐标； 

S314：计算模板数据块到图像中数据块的投影矩阵H，通过4组对应点求取变换矩阵。方法如下： 

$\left[\begin{array}{ccc}{h}_{00}& h_{01}& h_{02}\\ h_{10}& h_{11}& h_{12}\\ h_{20}& h_{21}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& x_4\\ y_1& y_2& y_3& y_4\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{u}_1& u_2& u_3& u_4\\ v_1& v_2& v_3& v_4\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

S315：解码数据块，得到图像中的数据块对应于标定板中该数据块的位置信息。方法如下： 

模板中的采样点坐标根据投影变换矩阵H，得到图像中的采样坐标，在采样坐标的m*n邻域内，计算区域内的像素值，得到该区域的编码值(0或1)。按顺序记录采样值，即得到了数据块的编码，通过编码搜索得到该数据块在标定板中的对应位置，并将图案中心(u0,v0)作为该数据块在图像中的位置。 

进一步地，所述步骤S32具体包括以下步骤： 

S321：获取标定板图像中能识别的数据块中心坐标，采用步骤S31的方法，建立起与世界坐标系的对应关系； 

S322：获取摄像机内外参以及畸变参数的初值； 

S323：筛选通过L-M优化算法对摄像机内外参数以及畸变系数优化。 

进一步地，所述步骤S33具体包括以下步骤： 

S331：在变焦范围下，调节变焦值； 

S332：通过步骤S22中所述的方法，标定在当前焦距下的摄像机参数，从而建立焦环值与各摄像机参数之间的函数关系； 

S333：在下一个变焦值下，变焦值一般在取值范围内取20组以上，重复步骤S322。 

实施例2： 

一种摄像机标定板的设计与检测方法，包括以下步骤(如图6所示)： 

S1：标定板整体布局及设计； 

S2：测量并保存标定板信息； 

S3：摄像机标定。 

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤： 

S11：根据实际需要确定标定板的长度和面积，保证了在大角度拍摄时，标定板***边缘具有足够的编码图案能够被清晰成像； 

S12：设计不重复的、大小不一的编码图案，保证了在标定长焦镜头时，总是有合适大小的编码图案能够在针对摄像机镜头的各种变焦环位置进行标定而被识别； 

S13：将所述编码图案布局到标定板中。 

进一步地，所述步骤S1中，通过机械自动变换标定板姿态，避免了人工频繁调节标定板的工作，实现了摄像机的自动标定。 

进一步地，所述步骤S12中的编码图案为采用圆形编码图案，整体标定板同样采用长度较大的矩形，编码图案使用两种大小的圆形编码图案，相间地分布在标定板中。圆形编码图案整体为一个圆形，内部分割为n个同心圆环，在每个圆环上通过平分角度(m等分)进行编码，即通过极坐标系进行编码。例如可采用从内到外，顺时针为正方向，每2π/m弧度为一个单位进行编码。需要注意的是，在圆形编码图案中，必须提供一个角度的编码起点，以确定0度的位置。 

如附图5所示是一个圆形编码图案的示意图，该图案使用圆形，是一个8*2的编码图案，对半径5等分，将圆形分割成5个圆环，每个圆环通过平分角度分成8等分，其中第一圈和第5圈(即最内和最外)不进行编码，第2圈和第4圈是数据编码区，第3圈是标识点所在的区域用于确定圆形编码图案的方向。编码方法是：从内到外按顺时针顺序进行编码，0度位置为12点钟方向，白色为1、黑色为0，则该编码图案的编码为：10000000 00111010。 

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤： 

S21：将标定板图案的编码存储到数据库中，建立编码与图案的对应关系； 

S22：通过精密测量设备，测量各个标定图案的尺寸、在标定板中的坐标、图案特征点以及采样点的坐标。 

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤： 

S31：特征点识别； 

S32:摄像机标定； 

S33：建立焦环值与摄像机内参矩阵中各元素之间的函数关系。 

进一步地，所述步骤S31具体包括以下步骤： 

S311：边缘提取，以Canny边缘提取算法获取图像中目标的边缘； 

S312：定位图像中的圆形标定板，由于拍摄角度，圆形标定板图案在图像中呈现椭圆。采用RHT椭圆检测算法定位图像中的椭圆，并分割出椭圆区域，用于识别圆形标定板； 

S313：区域中，通过RHT椭圆检测算法定位图像中的4个标识圆的投影，并将它们的中心作为标识点的坐标，分别为：(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)、(u4,v4)，它们对应于标定板中的标识点坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)，其中对应于标定板图案中心的识别点作为该图案的中心，坐标为(u0,v0)； 

S314：计算模板数据块到图像中数据块的投影矩阵H，通过4组对应点求取变换矩阵。方法如下： 

$\left[\begin{array}{ccc}{h}_{00}& h_{01}& h_{02}\\ h_{10}& h_{11}& h_{12}\\ h_{20}& h_{21}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& x_4\\ y_1& y_2& y_3& y_4\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{u}_1& u_2& u_3& u_4\\ v_1& v_2& v_3& v_4\\ 1& 1& 1& 1\end{array}\right]$

S315：解码数据块，得到图像中的数据块对于标定板中该数据块的位置信息。方法如下： 

模板中的采样点坐标根据投影变换矩阵H，得到图像中的采样坐标，在采样坐标的m*n邻域内，计算区域内的像素值，得到该区域的编码值(0或1)。按顺序记录采样值，即得到了数据块的编码，通过编码搜索得到该数据块在标定板中的对应位置，并将图案中心(u0,v0)作为该数据块在图像中的位置。 

进一步地，所述步骤S32具体包括以下步骤： 

S321：获取标定板图像中能识别的数据块中心坐标，采用步骤S31的方法，建立起与世界坐标系的对应关系； 

S322：获取摄像机内外参以及畸变参数的初值； 

S323：筛选通过L-M优化算法对摄像机内外参数以及畸变系数优化。 

进一步地，所述步骤S33具体包括以下步骤： 

S331：在变焦范围下，调节变焦值； 

S332：通过步骤S22中所述的方法，标定在当前焦距下的摄像机参数，从而 建立焦环值与各摄像机参数之间的函数关系； 

S333：在下一个变焦值下，变焦值一般在取值范围内取20组以上，重复步骤S322。 

Claims (7)

1.一种自动化变焦镜头标定装置，其特征在于，包括摄像机、标定板、标定板支架以及驱动机构；所述标定板固连在标定板支架上；所述标定板支架与驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种自动化变焦镜头标定装置，其特征在于，所述驱动机构为电机。

3.一种自动化变焦镜头标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：标定板设计；

S2：摄像机标定。

4.根据权利要求3所述的一种自动化变焦镜头标定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：根据具体应用需要进行标定板布局；

S12：设计N个不同尺寸的标定板图案并将其布局到标定板中；

S13: 测量并保存标定板信息。

5.根据权利要求3所述的一种自动化变焦镜头标定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：特征点识别；

    S22: 摄像机标定；

    S23：建立焦环值与摄像机内参矩阵中各元素之间的函数关系。

6.根据权利要求3或5所述的一种自动化变焦镜头标定方法，其特征在于，所述步骤S21具体包括以下步骤：

S211：连通域处理，在图像中得到含有数据块的区域；

S212：角点提取；

S213：筛选角点，得到构成数据块图案四边形的四个角点；

S214：计算模板数据块到图像中数据块的投影矩阵H；

S215：解码数据块，得到图像中的数据块对于标定板中该数据块的位置信息。

7.根据权利要求3或5所述的一种自动化变焦镜头标定方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括以下步骤：

S231：在变焦范围下，调节变焦值；

S232：通过步骤S22中所述的方法，标定在当前焦距下的摄像机参数，从而建立焦环值与各摄像机参数之间的函数关系；

S233：在下一个变焦值下，变焦值一般在取值范围内取20组以上，重复步骤S22。