CN106485755B - 一种多摄像机***标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多摄像机***标定方法，其标定步骤为：采用相移标靶分别对多摄像机***中的每个子摄像机，以及辅助摄像机的内部参数进行标定；将两相位标靶分别置于两子摄像机可见视场范围之内，采集相移标靶图像并提取特征点，计算两子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵；保持两相位标靶位置不变，移动辅助摄像机，使其可同时拍摄到两相位标靶；以辅助摄像机为媒介，计算两相位标靶间的转换矩阵；结合两子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵，以及两相位标靶间的转换矩阵，可计算出两子摄像机间的转换矩阵；利用两两子摄像机的转换矩阵，可实现多摄像机***的全局标定。本发明适用性强、抗离焦性好、灵活性高。

Description

一种多摄像机***标定方法
技术领域
本发明属于机器视觉领域，特别涉及一种多摄像机***标定方法。
背景技术
多摄像机***在场景重建、运动捕捉和工业测量等领域有着广泛应用，其中一个关键问题是***的全局标定，确定各个摄像机的内外参数。但对于不同的应用场合，多摄像机排布规则不尽相同，可能会出现邻近摄像机无公共视场的情况。而传统的全局标定方法需要摄像机间存在一定的公共视场，同时标靶需置于摄像机景深之内，限制了其应用范围。对于聚焦较远的摄像机，往往需要大尺寸标靶，才能覆盖足够的摄像机视场并拍摄到清晰的标靶图像，同样增加了***标定的难度。
发明内容
本发明的目的是提供了一种多摄像机***标定方法，适用性强、抗离焦性好、灵活性高。
本发明采用的技术方案如下：一种多摄像机***标定方法，该方法标定步骤如下：
步骤a、采用相位标靶分别对多摄像机***中的每个子摄像机，以及辅助摄像机的内部参数进行标定，任选一子摄像机作为基准摄像机，建立全局坐标系；
步骤b、进行两两子摄像机的局部标定，将两相位标靶分别置于两子摄像机可见视场范围之内，其中包括一个基准摄像机或已完成局部标定的子摄像机；采集相位标靶图像并提取特征点，计算两个子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵；保持两相位标靶位置不变，移动辅助摄像机，使其可同时拍摄到两个相位标靶；以辅助摄像机为媒介，计算出两相位标靶间的转换矩阵，结合两子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵，以及两相位标靶间的转换矩阵，可计算出两子摄像机间的转换矩阵；
步骤c、重复步骤b，直到多摄像机***中每个摄像机都完成局部标定；利用两两子摄像机间的转换矩阵，将所有子摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定。
上述方案中，所述多摄像机***包括若干个子摄像机，子摄像机间无需存在公共视场；基准摄像机，优选多摄像机***中与其他子摄像机均较近的子摄像机，将这个子摄像机坐标系作为全局坐标系。
上述方案中，所述辅助摄像机在标定过程中，可随意移动，优选分辨率高、畸变小、视场大的摄像机作为辅助摄像机。
上述方案中，采用相移技术将特征点编码至特征图像中，特征图像可为灰色或彩色的圆光栅阵列、契形光栅阵列或正弦条纹；选用数字显示器作为二维平面标定板，显示特征图像，构成相位标靶；摄像机采集相位标靶图像后，利用相移技术计算出其截断相位分布，从中提取特征点；根据特征点的空间坐标和图像坐标的一一对应关系，建立相位标靶的投影方程，求解摄像机的内外参数。
上述方案中，步骤a标定摄像机的内部参数时，相位标靶至少在不同位置或方位摆放三次；步骤b进行两子摄像机的局部标定时，通过多次移动辅助摄像机，拍摄两相位标靶的图像，精确求解两相移标靶间的转换矩阵；同时，通过多次摆放两相位标靶，获得更多的特征点，进而精确求解两子摄像机间的转换矩阵。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明所提供的一种多摄像机***标定方法，两相位标靶之间相互独立，摆放自由度高；将自由移动的辅助摄像机作为媒介，建立两相位标靶的联系，即转换矩阵；对两两子摄像机的局部标定，可实现多摄像机***的全局标定；利用相位标靶的零相位点提取精度高、抗模糊性强的特点，将相位标靶置于摄像机的景深范围之外，仍能精确提取特征点实现标定；采用数字显示器作为二维平面标定板，可根据不同场合改变特征图像尺寸、特征点个数，成本较低、灵活性高。
附图说明
图1为本发明实施例的圆光栅阵列特征检测原理示意图，其中，图1(a)为圆光栅阵列标靶，图1(b)为其截断相位，图1(c)为其零相位点。
图2为本发明实施例的契形光栅阵列特征检测原理示意图，其中，图2(a)为契形光栅阵列标靶，图2(b)为其截断相位，图2(c)为其零相位点。
图3为本发明实施例的多摄像机***标定原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
首先介绍单个摄像机的标定。图1为圆光栅阵列的相位标靶原理示意图，由数字显示器作为二维平面标定板，显示该相位标靶，其中单个圆光栅的强度函数为：
Figure BDA0001120414270000031
其中n＝0,1,…,N-1；N≥3为相移总数；In′(r)为圆光栅的第n+1幅相移图像；T′为圆光栅的半径周期；r为圆半径，即圆光栅上一点至其圆心的距离；r′max为单个圆光栅的最大圆半径，为了保证两个完整的半径周期，其取值范围设定为2.2T′≤r′max≤2.8T′。通过对单个圆光栅进行简单的阵列操作，即可获得圆光栅阵列，如图1(a)所示，其中沿着水平方向和竖直方向的相邻圆光栅的圆心间距相等，且均大于2r′max。摄像机在每个方位拍摄到该相位标靶的N幅相移图像In，通过N步相移算法解算出其截断相位分布为：
Figure BDA0001120414270000032
其中圆光栅阵列的截断相位φ(u,v)的取值范围为[0,2π]。如图1(b)所示，可以看出其相位分布在零相位φ(u,v)＝0处发生截断，利用常用的边缘检测算法如Sobel和Canny算法，即可提取这些零相位点。如图1(c)所示，这些零相位点构成同心圆阵列，通过椭圆拟合算法可求得这些圆的投影曲线；然后根据投影变换的交比不变性，可以求得圆光栅圆心的投影点。
图2为契形光栅阵列的相位标靶原理示意图，其中单个契形光栅的强度函数为：
Figure BDA0001120414270000033
其中I″n为契形光栅的第n+1幅相移图像；T″为契形光栅的角度周期；θ为契形光栅的角度；r″min和r″max分别为单个契形光栅的最小和最大圆半径。同样地，通过对单个契形光栅进行简单的阵列操作可获得契形光栅阵列。利用公式(2)计算得到的契形光栅阵列的截断相位
Figure BDA0001120414270000034
如图2(b)所示，通过边缘检测算法提取零相位点
Figure BDA0001120414270000035
对于单个契形光栅图像，零相位点分布在两条直线上，如图2(c)所示。通过最小二乘法拟合得到这两条直线，然后联立两条直线方程，即可求解契形光栅的圆心投影点。
对于圆光栅阵列或者契形光栅阵列，求得圆心投影点作为特征点，根据张正友方法，建立这些特征点的空间坐标与图像坐标的一一对应关系，即可求解摄像机的内部参数K和外部参数R,t，其中R为3×3的旋转矩阵，t为3×1的平移向量。
下面介绍多个摄像机的标定。将坐标系X1Y1Z1与标系X2Y2Z2的转换关系表示为：
Figure BDA0001120414270000041
其中[x1 y1 z1]T和[x2 y2 z2]T表示同一空间点分别位于坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的坐标值，
Figure BDA00011204142700000414
表示坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的旋转矩阵，
Figure BDA00011204142700000415
表示坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的平移向量，旋转矩阵
Figure BDA00011204142700000416
与平移向量
Figure BDA00011204142700000417
结合便构成了坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2之间的转换矩阵。
如图3所示，C1和C2表示多摄像机***中的任意两个子摄像机；C0表示辅助摄像机；P1和P2表示两个相位标靶。将相位标靶P1和P2分别摆放在子摄像机C1和C2可见视场范围之内，采集对应的相位标靶图像，并提取特征点，结合已标定的子摄像机C1和子摄像机C2内部参数KC1和KC2，求得到相位标靶P1与子摄像机C1的旋转矩阵和平移向量
Figure BDA0001120414270000043
以及子摄像机C2与相位标靶P2的旋转矩阵
Figure BDA0001120414270000044
和平移向量
Figure BDA0001120414270000045
移动辅助摄像机C0，使得其能同时拍到相位标靶P1和相位标靶P2，采集图像并提取特征点，结合已标定的辅助摄像机C0的内部参数KC0，求得相位标靶P2与辅助摄像机C0的旋转矩阵
Figure BDA0001120414270000046
和平移向量
Figure BDA0001120414270000047
和辅助摄像机C0与相位标靶P1的旋转矩阵
Figure BDA0001120414270000048
和平移向量则相位标靶P2与相位标靶P1的旋转矩阵
Figure BDA00011204142700000410
和平移向量
Figure BDA00011204142700000411
进而求得子摄像机C2与子摄像机C1的旋转矩阵
Figure BDA00011204142700000412
和平移向量
Figure BDA00011204142700000413
利用两两子摄像机间的旋转矩阵与平移向量，可将所有子摄像机坐标***一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定。

Claims (1)

1.一种多摄像机***标定方法，其特征在于：该方法标定步骤如下：
步骤a、采用相位标靶分别对多摄像机***中的每个子摄像机，以及辅助摄像机的内部参数进行标定，任选一子摄像机作为基准摄像机，建立全局坐标系；
步骤b、进行两两子摄像机的局部标定，将两相位标靶分别置于两子摄像机可见视场范围之内，其中包括一个基准摄像机或已完成局部标定的子摄像机；采集相位标靶图像并提取特征点，计算两个子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵；保持两相位标靶位置不变，移动辅助摄像机，使其可同时拍摄到两个相位标靶；以辅助摄像机为媒介，计算出两相位标靶间的转换矩阵，结合两子摄像机与对应相位标靶的转换矩阵，以及两相位标靶间的转换矩阵，计算出两子摄像机间的转换矩阵；
步骤c、重复步骤b，直到多摄像机***中每个摄像机都完成局部标定；利用两两子摄像机间的转换矩阵，将所有子摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定；
所述多摄像机***包括若干个子摄像机，子摄像机间无需存在公共视场；
所述辅助摄像机在标定过程中，可随意移动；
采用相移技术将特征图像特征点编码至特征图像中，特征图像为灰色或彩色的圆光栅阵列、契形光栅阵列或正弦条纹；选用数字显示器作为二维平面标定板，显示特征图像，构成相位标靶；摄像机采集相位标靶图像后，利用相移技术计算出其截断相位分布，从中提取特征点；根据特征点的空间坐标和相位标靶图像坐标的一一对应关系，建立相位标靶的投影方程，求解摄像机的内外参数；
步骤a标定摄像机的内部参数时，摄像机至少需要从三个方位拍摄到相位标靶；步骤b进行两子摄像机的局部标定时，通过多次移动辅助摄像机，拍摄两相位标靶的图像，求解两相移标靶间的转换矩阵；同时，通过多次摆放两相位标靶，获得更多的特征点，进而求解两子摄像机间的转换矩阵；
在摄像机内、外参标定过程中，相位标靶置于摄像机的景深范围之外，仍能提取特征点实现标定；
其中，单个摄像机的标定：由数字显示器作为二维平面标定板，显示该相位标靶，其中单个圆光栅的强度函数为：
Figure FDA0002226452220000011
其中n＝0,1,L,N-1；N≥3为相移总数；I′n(r)为圆光栅的第n+1幅相移图像；T′为圆光栅的半径周期；r为圆半径，即圆光栅上一点至其圆心的距离；r′max为单个圆光栅的最大圆半径，为了保证两个完整的半径周期，其取值范围设定为2.2T′≤r′max≤2.8T′，通过对单个圆光栅进行阵列操作，即可获得圆光栅阵列，其中沿着水平方向和竖直方向的相邻圆光栅的圆心间距相等，且均大于2r′max，摄像机在每个方位拍摄到该相位标靶的N幅相移图像In，通过N步相移算法解算出其截断相位分布为：
其中圆光栅阵列的截断相位φ(u,v)的取值范围为[0,2π]，可以看出其相位分布在零相位φ(u,v)＝0处发生截断，利用边缘检测算法Sobel算法和Canny算法，提取这些零相位点，这些零相位点构成同心圆阵列，通过椭圆拟合算法求得这些圆的投影曲线；然后根据投影变换的交比不变性，求得圆光栅圆心的投影点；
对于契形光栅阵列的相位标靶，其中单个契形光栅的强度函数为：
Figure FDA0002226452220000022
其中I″n为契形光栅的第n+1幅相移图像；T″为契形光栅的角度周期；θ为契形光栅的角度；r″min和r″max分别为单个契形光栅的最小和最大圆半径，通过对单个契形光栅进行阵列操作可获得契形光栅阵列，利用公式(2)计算得到的契形光栅阵列的截断相位
Figure FDA0002226452220000024
通过边缘检测算法提取零相位点
Figure FDA0002226452220000025
对于单个契形光栅图像，零相位点分布在两条直线上，通过最小二乘法拟合得到这两条直线，然后联立两条直线方程，即可求解契形光栅的圆心投影点；
对于圆光栅阵列或者契形光栅阵列，求得圆心投影点作为特征点，根据张正友方法，建立这些特征点的空间坐标与圆光栅阵列或者契形光栅阵列图像坐标的一一对应关系，即可求解摄像机的内部参数K和外部参数R,t，其中R为3×3的旋转矩阵，t为3×1的平移向量；
对于多个摄像机的标定，将坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的转换关系表示为：
Figure FDA0002226452220000023
其中[x1 y1 z1]T和[x2 y2 z2]T表示同一空间点分别位于坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的坐标值，
Figure FDA0002226452220000031
表示坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的旋转矩阵，
Figure FDA0002226452220000032
表示坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2的平移向量，旋转矩阵
Figure FDA0002226452220000033
与平移向量
Figure FDA0002226452220000034
结合便构成了坐标系X1Y1Z1与坐标系X2Y2Z2之间的转换矩阵；
C1和C2表示多摄像机***中的任意两个子摄像机；C0表示辅助摄像机；P1和P2表示两个相位标靶，将相位标靶P1和P2分别摆放在子摄像机C1和C2可见视场范围之内，采集对应的相位标靶图像，并提取特征点，结合子摄像机C1和子摄像机C2的内部参数KC1和KC2，求得到相位标靶P1与子摄像机C1的旋转矩阵和平移向量
Figure FDA0002226452220000036
以及子摄像机C2与相位标靶P2的旋转矩阵
Figure FDA0002226452220000037
和平移向量移动辅助摄像机C0，使得其能同时拍到相位标靶P1和相位标靶P2，采集相位标靶图像并提取特征点，结合已标定的辅助摄像机C0的内部参数KC0，求得相位标靶P2与辅助摄像机C0的旋转矩阵
Figure FDA0002226452220000039
和平移向量
Figure FDA00022264522200000310
和辅助摄像机C0与相位标靶P1的旋转矩阵
Figure FDA00022264522200000311
和平移向量
Figure FDA00022264522200000312
则相位标靶P2与相位标靶P1的旋转矩阵和平移向量
Figure FDA00022264522200000314
进而求得子摄像机C2与子摄像机C1的旋转矩阵
Figure FDA00022264522200000315
和平移向量
Figure FDA00022264522200000316
利用两两子摄像机间的旋转矩阵与平移向量，将所有子摄像机坐标***一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定；
该多摄像机***标定方法中两相位标靶之间相互独立，摆放自由度高；将自由移动的辅助摄像机作为媒介，建立两相位标靶的联系，即转换矩阵；对两两子摄像机的局部标定，实现多摄像机***的全局标定；利用相位标靶的零相位点提取的特点，将相位标靶置于摄像机的景深范围之外，仍能提取特征点实现标定；采用数字显示器作为二维平面标定板，根据不同场合改变特征图像尺寸、特征点个数。
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基于光栅投影的多摄像机标定方法;汤明 等;《仪器仪表学报》;20160915;第37卷(第9期);第2149-2155页 *

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CN106485755A (zh) 2017-03-08

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