CN108010086A - 基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质 - Google Patents

基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质 Download PDF

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和锐
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Abstract

本发明公开了一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质，其方法包括：使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像；利用直线检测算法提取出每张网球场图像中的网球场标志线，确定各网球场标志线的直线方程；从由每幅图像提取出的网球场标志线中选择多组相关的直线段对，计算出多个网球场标志线交点；利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。本发明能够在不使用棋盘格标定板等传统标定参考物的情况下对架设在网球场上的摄像机进行标定操作并得到高精度的摄像机内外参数，适用于这种不方便使用传统标定板的场合，操作简易灵活，且具有很高的精度。

Description

基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质
技术领域
本发明属于计算机视觉学科中的摄像机标定技术领域，尤其涉及其中基于标定参考物的标定技术，具体指一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质。
背景技术
摄像机标定在计算机视觉和摄影测量学中都是一个值得关注和需要解决的问题，一般是指摄像机图像像素和其对应场景点之间的几何关系的确定。具体说来，是指对于给定的摄像机模型，由已知特征点的图像坐标和三维世界坐标求解得到摄像机的内部参数和外部参数。
在实践中应用广泛的主要是利用标定参考物标定摄像机参数的技术。借助尺寸已知的标定参考物，通过建立标定参考物上已知的点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。标定参考物主要分为三类：三维精密标定物，二维平面标定物和一维标定物。
传统摄像机标定方法虽然可以适应于任意的摄像机模型，但其需要利用已知的景物结构和高精度的标定参考物，且标定精度在很大程度上依赖于标定参考物的精度。而摄像机标定一般又要求靶标在视场中占有尽量大的面积，然而在类似体育场这样较大视场范围的场合中，高精度、大尺寸的标定参考物的制作会比较困难，标定精度难以保障。而且，当需要对摄像机调整角度或者改变位置等变动时，需要重新利用标定参考物进行标定，故而这种标定方式会导致操作繁琐不便。因此，如果我们需要在网球场上架设摄像机，那么研究出一种简便、灵活和可靠的摄像机标定方法是很有必要的。
发明内容
本发明提供一种简便、灵活和可靠的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法、装置和介质。
为实现上述目的，本发明提供一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，包括以下步骤：
使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像；
利用直线检测算法提取出每张网球场图像中的网球场标志线，确定各网球场标志线的直线方程；
从由每幅图像提取出的网球场标志线中选择多组相关的直线段对，计算出多个网球场标志线交点；
利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。
其中，所述使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像这一步骤包括：
使用摄像机从不同角度拍摄网球场，获取到多幅不同视角包含网球场标志线的图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立三维世界坐标系；
从图像集合中选取至少包含整个1/2球场的图像，对选取的图像逐一进行图像预处理操作，在保证图像有效信息的保留的基础上，对图像进行降噪处理。
其中，所述利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数的步骤包括：
由图像中球场角点的像素坐标和其对应的真实三维世界坐标来求解各子图像平面坐标系和球场平面坐标系的单应矩阵H；
对拍摄到的多幅图像得到的多个单应矩阵，求解摄像机的内部参数和外部参数(R,t)，其中，摄像机外部参数(R,t)表示球场平面坐标系与各图像平面坐标系之间的关系；
求解各个图像坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
对获取的摄像机内部参数和外部参数进行非线性优化。
本发明还提出一种基于网球场标志线交点的摄像机标定装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时实现如上所述的方法的步骤。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现如上所述的方法的步骤。
本发明提供一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，能够在不使用棋盘格标定板等传统标定参考物的情况下对架设在网球场上的摄像机进行标定操作并得到高精度的摄像机内外参数，适用于这种不方便使用传统标定板的场合，操作简易灵活，且具有很高的精度。
相比现有技术，本发明具体如下优点：
1、本发明相比借助棋盘格标定板等传统标定参考物的普通标定方式，可以省去传统标定参考物的制作，从而节省了摄像机标定的成本；
2、本发明能够大幅度降低摄像机标定过程的复杂度，操作简便灵活，可实现标定过程的半自动化；
3、本发明适用于多数较大视场情形下的摄像机标定，具有较好的鲁棒性，且能得到更准确的标定数据。
附图说明
图1是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法实施例的流程示意图；
图2是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法的具体流程示意图。
图3是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法的标志线及其交点在图像中的二维坐标点示意图。
图4是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法的标志线及其交点在真实三维空间中的坐标点(Z＝0)示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体地，请参照图1及图2，图1是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法实施例的流程示意图。图2是本发明提出的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法的具体流程示意图。
如图1及图2所示，本发明实施例提出一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，包括以下步骤：
S1，使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像；
其中，所述使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像的步骤包括：
使用摄像机从不同角度拍摄网球场，获取到多幅不同视角包含网球场标志线的图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立三维世界坐标系；
从图像集合中选取至少包含整个球场的图像，对选取的图像逐一进行图像预处理操作，在保证图像有效信息的保留的基础上，对图像进行降噪处理。
参照图3及图4，提出S2、S3和S4步骤。
S2，利用直线检测算法提取出每张网球场图像中的网球场标志线，确定各网球场标志线的直线方程；
S3，从由每幅图像提取出的网球场标志线中选择多组相关的直线段对，计算出多个网球场标志线交点；
S4，如图3及图4所示，利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。
其中，所述利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数的步骤包括：
由图像中球场角点的像素坐标和其对应的真实三维世界坐标来求解各子图像平面坐标系和球场平面坐标系的单应矩阵H；
对拍摄到的多幅图像得到的多个单应矩阵，求解摄像机的内部参数和外部参数，其中，摄像机外部参数(R,t)表示球场平面坐标系与各图像平面坐标系之间的关系；
求解各个图像坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
对获取的摄像机内部参数和外部参数进行非线性优化。
以下对本发明实现方案进行详细阐述：
本发明的目的是提供一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，能够在不使用棋盘格标定板等传统标定参考物的情况下对架设在网球场上的摄像机进行标定操作并得到高精度的摄像机内外参数，适用于这种不方便使用传统标定板的场合，操作简易灵活，且具有很高的精度。
本发明基于网球场标志线交点的摄像机标定方法包括：先使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像；再利用直线检测算法提取出每张网球场图像中的网球场标志线，确定各标志线的直线方程；然后从由每幅图像提取出的网球场标志线中选择多组相关的直线段对，计算出多个交点；最后利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。
该方法的主要操作步骤为：
a)摄像机从不同角度拍摄网球场，获取到多幅不同视角包含着网球场标志线的图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立三维世界坐标系；
b)从图像集合中选取至少包含整个球场的图像，注意保证图像的拍摄角度多样性，对选取的图像逐一进行图像预处理操作，在保证图像有效信息的保留的基础上，对图像进行降噪处理；
c)利用直线检测算法检测出图像中所有直线段，并得到直线段的两点式方程表示；
d)进一步筛选，提取出网球场标志直线；
e)确定要提取的球场角点，求出其相应两条直线段对交点即为图像中的像素坐标；
f)最后，结合各对应球场角点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。
其中标定参数计算过程如下：
由图像中球场角点的像素坐标和其对应的真实三维世界坐标(Z＝0)来求解各子图像平面坐标系和球场平面坐标系的单应矩阵H。单应矩阵H的求解方法在ZHANG.Z.Y.的文章“A flexible new technique for camera calibration[J].IEEE Trans.on PatternAnalysis and Machine Intelligence，2000，22(11)：1330-1334”中有详细描述。
对拍摄到的多幅图像得到的多个单应矩阵，求解摄像机的内部参数和外部参数。
由旋转矩阵的正交性分解单应矩阵，构成一个包含摄像机内部参数和外部参数的超定方程，通过奇异值分解及一系列变换得到摄像机的内部参数和外部参数。具体求解方法在ZHANG.Z.Y.的文章“A flexible new technique for camera calibration[J].IEEETrans.on Pattern Analysis andMachine Intelligence，2000，22(11)：1330-1334”中有详细描述。
摄像机外部参数(R,t)表示球场平面坐标系与各图像平面坐标系之间的关系。
摄像机内部参数矩阵A可以表示为
其中，α和β分别为图像平面坐标系两坐标轴的尺度因子，γ是两坐标轴的不垂直因子，(u0,v0)为摄像机主点坐标。
求解各个图像坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。
这里，以步骤b)获取的摄像机外部参数，即球场平面坐标系与各图像平面坐标系之间的关系，便可得到两者之间的旋转矩阵Ri和平移向量Ti
对步骤b)获取的摄像机内部参数和外部参数进行非线性优化。
假设噪声服从零均值的高斯分布且独立分布，为了得到在最大似然准则下摄像机内部参数和外部参数的最优解，需要建立以重投影误差为最小目标函数：
其中，
其中，A为摄像机内部参数矩阵，k1,k2为径向畸变参数，Ri,Ti(i＝1...m-1)为各图像平面坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；为球场平面坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；n为摄像机的不同拍摄位置所获取的图像数；t为球场坐标系中特征点的总个数；为第j个拍摄角度图像中球场特征点在图像平面坐标系下的齐次坐标；为第j个拍摄角度中球场特征点在图像平面坐标系下的带有镜头畸变的重投影图像齐次坐标。
这里，如果pi为球场特征点P在某一拍摄角度的图像坐标系下的三维坐标，为P转换为球场平面坐标系下坐标pTi后，在摄像机图像坐标下的重投影理想图像齐次坐标，为相应的带有镜头畸变的重投影图像齐次坐标，则以上参数具体变换关系如下：
其中，A为摄像机内部参数，ρ为任意非零常数。
具体与的变换关系在ZHANG.Z.Y.的文章“A flexible new technique forcamera calibration[J].IEEE Trans.on Pattern Analysis and MachineIntelligence，2000，22(11)：1330-1334”中有详细描述。
结合上述步骤中的各图像平面坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，根据上面的公式便可求出再根据畸变校正方法得到
最后，采用Levenberg-Marquardt非线性优化方法对最小目标函数进行非线性优化，即可得到摄像机内部参数和外部参数在最大似然准则下的最优解。
本发明不使用传统标定参考物，仅借助运动场原有的标志线和尺寸信息对架设在视场四周的摄像机进行标定，能够在不使用棋盘格标定板等传统标定参考物的情况下对架设在网球场上的摄像机进行标定操作并得到高精度的摄像机内外参数，适用于这种不方便使用传统标定板的场合，操作简易灵活，且具有很高的精度。
相比现有技术，本发明具体如下优点：
1、本发明相比借助棋盘格标定板等传统标定参考物的普通标定方式，可以省去传统标定参考物的制作，从而节省了摄像机标定的成本；
2、本发明能够大幅度降低摄像机标定过程的复杂度，操作简便灵活，可实现标定过程的半自动化；
3、本发明适用于多数较大视场情形下的摄像机标定，具有较好的鲁棒性，且能得到更准确的标定数据。
此外，本发明还提出一种基于网球场标志线交点的摄像机标定装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时实现如上实施例所述的方法的步骤。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现如上实施例所述的方法的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像；
利用直线检测算法提取出每张网球场图像中的网球场标志线，确定各网球场标志线的直线方程；
从由每幅图像提取出的网球场标志线中选择多组相关的直线段对，计算出多个网球场标志线交点；
利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数。
2.根据权利要求1所述的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，其特征在于，所述使用摄像机从多个不同角度获取多幅清晰的网球场图像的步骤包括：
使用摄像机从不同角度拍摄网球场，获取到多幅不同视角包含网球场标志线的图像，分别建立摄像机在不同拍摄位置下的摄像机坐标系、图像平面坐标系，并建立三维世界坐标系；
从图像集合中选取至少包含整个1/2球场的图像，对选取的图像逐一进行图像预处理操作，在保证图像有效信息的保留的基础上，对图像进行降噪处理。
3.根据权利要求1所述的基于网球场标志线交点的摄像机标定方法，其特征在于，所述利用网球场标志线交点的像素坐标和网球场上对应点的真实三维世界坐标，计算得到摄像机的内部参数和外部参数的步骤包括：
由图像中球场角点的像素坐标和其对应的真实三维世界坐标来求解各子图像平面坐标系和球场平面坐标系的单应矩阵H；
对拍摄到的多幅图像得到的多个单应矩阵，求解摄像机的内部参数和外部参数(R,t)，其中，摄像机外部参数(R,t)表示球场平面坐标系与各图像平面坐标系之间的关系；
求解各个图像坐标系与球场平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；
对获取的摄像机内部参数和外部参数进行非线性优化。
4.一种基于网球场标志线交点的摄像机标定装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时实现如权利要求1-3任意一项所述的方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法的步骤。
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