CN109712199B - 一种基于a4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置 - Google Patents

一种基于a4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置，该方法包括：获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；基于二灭点的相机标定方法计算出相机的内参数。本发明简单易实施，具有较好的抗噪性，可用于大众化非量测相机应用。

Description

一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置
技术领域
本发明涉及相机标定，尤其涉及一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置，属于计算机视觉领域。
背景技术
大众化的非量测相机应用一般需要对相机参数进行标定。相机标定经历了从需要精确标志物的传统标定方法到控制相机做特定运动的主动视觉标定方法，再到基于图像自身特征的自标定方法的发展历程。传统标定方法中，基于棋盘格的方法得到广泛应用，但是标定结果受棋盘格角点检测精度影响，存在携带不便、易受干扰和模板制作繁琐等不足；基于主动视觉的标定方法无需放置标定物，但要求控制相机做精确的特殊运动，对于无法精确控制相机的场合不适用；相机自标定方法不需要设置特定的控制条件，只根据多幅图像对应点之间的关系直接求解相机参数，主要包括基于灭点的相机自标定、基于平面或立体模板的相机自标定以及基于天然场景的自标定。
大多数相机标定方法只能由专业人士实施，对于普通大众来说，存在易用性问题。因此能够“就地取材”、用户友好、抗噪性强的相机简易标定方法对于大众化的非量测相机应用无疑具有重要意义。
相机的自标定方法因其简单灵活和适用性强等特点备受关注，其中基于灭点标定的自标定方法由于限制条件较少，受到广泛重视和深入研究。常用的基于灭点的自标定方法，需要获得场景中三方向的灭点，这在实际应用中常常难以达到要求；通过计算多张图像中两个正交方向的灭点来进行相机标定的方法，减少了约束条件，但计算结果对灭点提取的准确性比较敏感。因此，标识物的易获取性和灭点提取的准确性是基于灭点的方法需要着重解决的关键问题。
由于A4纸易于获取，且本身就具有两对平行边，适合应用于基于灭点的自标定方法，但在复杂环境中，根据A4纸图像提取边缘平行线进而提取灭点时，容易受光照和背景噪声的影响。因此，研究具有较强抗噪性的基于A4纸的相机简易标定方法，对于大众化的非量测相机应用，无疑具有重要的理论意义和应用价值。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法及装置，可用于大众化非量测相机应用，具备简单易实施，抗噪性强等优点。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，包括如下步骤：
(1)获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；
(2)对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；
(3)扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；
(4)采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；
(5)求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；
(6)重复步骤(1)至(5)提取多张不同拍摄角度A4纸图像中的灭点，基于灭点计算出相机的内参数。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)中图像的预处理包括将获取的RGB图像转换为灰度图，以及对灰度图进行中值滤波处理。
在优选的实施方案中，所述步骤(2)中采用Canny算子对灰度图进行边缘提取，具体包括：
(2.1)对图像进行高斯模糊处理；
(2.2)计算图像中每个像素点的梯度强度和方向；
(2.3)将图像中每个像素点的梯度强度与沿正负梯度方向上点的梯度作对比，如果当前点的梯度强度最大，则保留作边缘点；
(2.4)设置高、低两个阈值，如果像素的梯度幅值超过了高阈值，则保留作边缘点，如果低于低阈值，则被排除，如果介于两者之间，则检查该像素周围8个像素点，如果有高于高阈值的，则保留为边缘点。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中A4纸轮廓提取方法具体包括：
(3.1)扫描二值图，寻找像素值从0到1突变的像素作为外边界的起始点，像素值从1到0突变的像素作为孔边界的起始点；
(3.2)从找到的起始点开始继续搜索边界，对边界上的像素进行标记，在这个过程中分配一个唯一的ID给新发现的边界，称为NBD，初始时NBD设为1，每发现一个新的边界加1，基于A4纸轮廓最长的原则，提取出A4纸的轮廓点集。
在优选的实施方案中，所述步骤(5)中通过提取至少5张A4纸图像的灭点计算相机内参述矩阵，具体为：记提取的灭点表示为：
Figure BDA0001926210920000031
Figure BDA0001926210920000032
根据灭点理论建立线性方程组
Figure BDA0001926210920000033
解方程组得到矩阵
Figure BDA0001926210920000034
然后通过平方根法将
Figure BDA0001926210920000035
分解为
Figure BDA0001926210920000036
再对分解的结果求逆得到
Figure BDA0001926210920000037
最后得到相机内参数矩阵
Figure BDA0001926210920000038
其中上标T表示转置，下标33表示矩阵中的第3行第3列。
另一方面，本发明所述的一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定装置，包括：
预处理单元，用于获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；
边缘提取单元，用于对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；
轮廓提取单元，用于扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；
直线拟合单元，用于采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；
灭点提取单元，用于求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；
以及，相机标定单元，用于基于提取的多张不同拍摄角度A4纸图像中的灭点计算出相机的内参数。
基于相同的构思，本发明还公开一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法
有益效果：本发明提供的基于A4纸提取二灭点并进行相机简易标定的方法，利用A4纸边缘为相互正交的平行线的特点，通过对包含有A4纸的图像进行边缘检测、轮廓提取和直线拟合，计算出图像平面两个方向的灭点，进而基于二灭点的相机标定方法计算出相机的内参数。该方法简单易实施，具有较好的抗噪性，能够有效消除图像背景噪声影响，准确提取出图像中的平行线信息，得到精确的灭点。计算得到的相机内参满足精度需求，可用于大众化非量测相机应用。
附图说明
图1为本发明实施例中灭点提取流程图。
图2为本发明实施例中边缘检测效果图，其中(a)为原图，(b)为边缘检测结果图。
图3为本发明实施例中提取的A4纸边缘效果图。
图4为本发明实施例中SMMC算法聚类效果图。
图5为本发明实施例中直线拟合效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，主要包括如下步骤：
步骤1：图像预处理
(a)转化为灰度图：首先将相机获取的包含A4纸的RGB图像转化为灰度图，方便后续图像处理。
(b)中值滤波处理：对得到的灰度图进行3×3的中值滤波处理，以此弱化背景噪声，减少噪声对提取结果的影响。
步骤2：Canny算子A4纸边缘提取
(a)高斯模糊处理：采用一个5×5的高斯核对图像进行卷积，以此达到平滑图像，滤除噪声，改善边缘检测性能的目的。
(b)计算梯度幅值和方向：计算图像中每个像素点的梯度强度和方向。
(c)非极大值抑制：对于图像中的每个像素点，将当前点的梯度强度与沿正负梯度方向上点的梯度作对比，如果当前点的梯度强度是最大的，则保留作为边缘点。
(d)双阈值检测和滞后阈值：设置比率为2：1或3：1的高阈值和低阈值进一步提取边缘。若某一像素点的梯度幅值超过了高阈值，则该像素被保留为边缘像素；若低于低阈值，则该像素被抑制排除；若介于两个阈值之间，则检查该像素点的8邻域像素，如果8邻域范围内有像素点的梯度幅值高于高阈值，则保留为边缘像素，否则抑制排除。最终检测效果如图2所示。
步骤3：轮廓提取
(a)寻找边界起始点：输入的二值图像只有0和1两种值，外边界表示像素值为1的连通区域，孔边界表示像素值为0的连通区域。扫描二值图，寻找像素值从0到1突变的像素作为外边界的起始点，像素值从1到0突变的像素作为孔边界的起始点。
(b)搜索边界：从找到的起始点开始继续搜索边界，对边界上的像素进行标记，在这个过程中分配一个唯一的ID给新发现的边界，称为NBD，初始时NBD设为1，每发现一个新的边界加1。基于A4纸轮廓最长的原则，提取出A4纸的轮廓点集。提取出的轮廓如图3所示。
步骤4：直线拟合
(a)谱多流形聚类：采用谱多流形聚类(SMMC)的方法，将A4纸4条边的混合点集分为四类，分类效果如图4所示。
(b)直线拟合：将轮廓点集按边聚类后，每一条直线对应一个点集，采用最小二乘法对这些点集进行直线的拟合，图5是拟合的结果。
步骤5：提取灭点
(a)直线求交：根据拟合出的4条直线，计算直线相交可以得到6个交点。
(b)坐标判断：6个交点中4个是A4纸角点，2个是灭点，由于用于标定的图像通常不会有较大的倾角，灭点一般不可能出现在图像范围内，因此根据点的坐标是否在图像范围内来确定哪两个交点是灭点。
步骤6：相机标定
使用相机拍摄至少5张不同视角的A4纸图像，分别提取其图像灭点，表示为：
Figure BDA0001926210920000061
基于灭点理论建立线性方程组
Figure BDA0001926210920000062
解方程组得到矩阵
Figure BDA0001926210920000063
然后通过平方根法将
Figure BDA0001926210920000064
分解为
Figure BDA0001926210920000065
再对分解的结果求逆得到
Figure BDA0001926210920000066
此时
Figure BDA0001926210920000067
与相机内参数矩阵K相差一个常数因子，由于K的最后一个元素是1，所以相机内参数矩阵
Figure BDA0001926210920000068
基于相同的发明构思，本发明另一实施例公开的一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定装置，包括：预处理单元，用于获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；边缘提取单元，用于对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；轮廓提取单元，用于扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；直线计算单元，用于采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；灭点提取单元，用于求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；以及，相机标定单元，用于基于提取的多张不同拍摄角度A4纸图像中的灭点计算出相机的内参数。
基于相同的发明构思，本发明还公开一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法。

Claims (7)

1.一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；
(2)对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；
(3)扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；
(4)采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；
(5)求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；
(6)重复步骤(1)至(5)提取多张不同拍摄角度A4纸图像中的灭点，基于灭点计算出相机的内参数。
2.根据权利要求1所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中图像的预处理包括将获取的RGB图像转换为灰度图，以及对灰度图进行中值滤波处理。
3.根据权利要求1所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用Canny算子对灰度图进行边缘提取，具体包括：
(2.1)对图像进行高斯模糊处理；
(2.2)计算图像中每个像素点的梯度强度和方向；
(2.3)将图像中每个像素点的梯度强度与沿正负梯度方向上点的梯度作对比，如果当前点的梯度强度最大，则保留作边缘点；
(2.4)设置高、低两个阈值，如果像素的梯度幅值超过了高阈值，则保留作边缘点，如果低于低阈值，则被排除，如果介于两者之间，则检查该像素周围8个像素点，如果有高于高阈值的，则保留为边缘点。
4.根据权利要求1所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中A4纸轮廓提取方法具体包括：
(3.1)扫描二值图，寻找像素值从0到1突变的像素作为外边界的起始点，像素值从1到0突变的像素作为孔边界的起始点；
(3.2)从找到的起始点开始继续搜索边界，对边界上的像素进行标记，在这个过程中分配一个唯一的ID给新发现的边界，称为NBD，初始时NBD设为1，每发现一个新的边界加1，基于A4纸轮廓最长的原则，提取出A4纸的轮廓点集。
5.根据权利要求1所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法，其特征在于，所述步骤(5)中通过提取至少5张A4纸图像的灭点计算相机内参数矩阵，具体为：记提取的灭点表示为：
Figure FDA0001926210910000021
Figure FDA0001926210910000022
根据灭点理论建立线性方程组
Figure FDA0001926210910000023
Figure FDA0001926210910000024
解方程组得到矩阵
Figure FDA0001926210910000025
然后通过平方根法将
Figure FDA0001926210910000026
分解为
Figure FDA0001926210910000027
再对分解的结果求逆得到
Figure FDA0001926210910000028
最后得到相机内参数矩阵
Figure FDA0001926210910000029
其中上标T表示转置，下标33表示矩阵中的第3行第3列。
6.一种基于A4纸提取二灭点的相机简易标定装置，其特征在于，包括：
预处理单元，用于获取相机采集的包含A4纸的图像，并进行预处理后得到滤波去噪后的灰度图；
边缘提取单元，用于对灰度图进行边缘提取得到边缘图像；
轮廓提取单元，用于扫描边缘图像，寻找0到1突变或1到0突变处作为边界起始点，并从找到的起始点开始搜索，把能搜索到的最长边界作为A4纸轮廓点集；
直线计算单元，用于采用谱多流形聚类方法将A4纸轮廓点集分为4类，并分别采用最小二乘法对这4个点集进行直线的拟合，获得4条直线；
灭点提取单元，用于求取所得4条直线的6个交点，将坐标不在图像范围内的2个交点视为灭点；
以及，相机标定单元，用于基于提取的多张不同拍摄角度A4纸图像中的灭点计算出相机的内参数。
7.一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-5任一项所述的基于A4纸提取二灭点的相机简易标定方法。
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