CN109993799A - 一种紫外像机标定方法及标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外像机标定方法，包括以下步骤：步骤1：以紫外像机标定装置中标定板所在平面为XoY平面，以像机正前方为Z轴，建立世界坐标系，确定标定板上每个紫外灯珠在世界坐标系的坐标值；步骤2：获取紫外像机拍摄的所述标定板图像；步骤3：消除部分噪声；步骤4：对降噪后的图像进行阈值分割；步骤5：对上述阈值分割的结果进行圆拟合；步骤6：对上述圆拟合的结果进行非极大值抑制；步骤7：依次求解出标定板上所有紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系。本方法有效地解决了常规标定板在紫外像机下无法有效成像的问题。另外，本发明还提供了一种紫外相机标定装置。

Description

一种紫外像机标定方法及标定装置

技术领域

本发明涉及机器视觉处理领域，特别涉及一种紫外像机标定方法，还提出了一种紫外相机的标定装置。

背景技术

现有技术中，摄像机通过要给特定的成像几何模型，将三维世界中的物体投影到图像画面中，这个过程称为成像。其中的几何模型可以通过一系列参数描述，这些参数就是摄像机参数。为了得到这些参数，我们需要通过实验和计算来确定。

对于一般摄像机来说，我们用如下公式来表示一个成像几何模型：

上式中，[X_w Y_w Z_w]表示一个世界坐标系中的标定物点，[u v]表示该标定物点在图像中的对应位置，矩阵M₁中的元素只与摄像机内部结构有关，称这些参数为摄像机内参，矩阵M₂完全由摄像机相对于世界坐标系的方位决定，称为摄像机外参，矩阵M称为像机投影矩阵，确定这些未知的摄像机内参和外参的过程就是摄像机标定。

对于一般的摄像机而言，所用的标定物就是棋盘格标定板，棋盘格标定板上每个黑白格交点就代表一个标定物点。使用摄像机拍摄棋盘格图像，在图像中检测出黑白格交点，就可以得到标定物点及其图像中特征点的对应关系，进而计算出所有的像机内参和外参。

但对于紫外像机来说，由于使用了紫外光的日芒波段来检测紫外目标，因此常规的棋盘格标定板根本无法在紫外像机上成像。紫外图像分辨率低、噪声大，且只对紫外目标有响应，非常接近于二值图像，无法提供目标细节，现有的特征点检测方法对图像细节和清晰度的要求较高，在检测紫外图像特征点时，检测出的特征点位置往往和实际特征点位置有较大的偏差，进而影响标定精度。此外，不同的紫外像机可能拥有不同的视场角，紫外像机标定必须能适应不同视场角的变化。

因此有必要提出一种有效的紫外像机标定方法和一种紫外像机标定装置，解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种紫外像机标定方法，有效地解决了常规标定板在紫外像机下无法有效成像的问题。本发明的目的之二是提供一种紫外像机标定装置。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

一种紫外像机标定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：以紫外像机标定装置中标定板所在平面为XoY平面，以像机正前方为Z轴，建立世界坐标系，确定标定板上每个紫外灯珠在世界坐标系的坐标值；

步骤2：获取紫外像机拍摄的所述标定板图像；

步骤3：消除部分噪声；

步骤4：对降噪后的图像进行阈值分割；

步骤5：对上述阈值分割的结果进行圆拟合；

步骤6：对上述圆拟合的结果进行非极大值抑制；

步骤7：依次求解出标定板上所有紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系。

特别地，所述步骤6)包括以下子步骤：

步骤6.1：对每个拟合得到的圆赋予一个得分，计算该圆所有内部元素的平均亮度，以此亮度为该圆得分；

步骤6.2：对圆拟合的结果进行分组，遍历所有拟合结果，利用圆心之间的距离进行聚类，如果当前圆与已有分组的某一组圆心的距离小于阈值R，则将当前圆也归到这一组，否则当前圆归到新的一组。最终，如果聚类结果中的类别数目小于标定板紫外灯珠的个数，则说明，采集到的图像中，分割得到的紫外灯珠区域不足，需要重新采集图像；

步骤6.3：对每个圆拟合分组进行非极大值抑制，同一分组表示一个紫外灯珠局部区域中提取到的所有圆，m_i及圆心位置(x_i,y_i)可以构成一个得分曲面。使用质心法确定曲面极值，将圆心位置(x_i,y_i)作为质点，得分m_i作为质点的质量，以质心作为极值的估计，得到质心为：

步骤6.4：上述质心一个紫外灯珠对应特征点的亚像素级精确位置。

特别地，所述步骤5)中，每个拟合圆的圆心表示一个紫外灯珠在图像中对应特征点的位置。

特别地，所述步骤7)中，依据前述求出的紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系，建立如下方程：

X_wim₁₁+Y_wim₁₂+Z_wim₁₃+m₁₄-u_iX_wim₃₁-u_iY_wim₃₂-u_iZ_wim₃₃＝u_im₃₄

X_wim₂₁+Y_wim₂₂+Z_wim₂₃+m₂₄-V_iX_wim₃₁-V_iY_wim₃₂-V_iZ_wim₃₃＝V_im₃₄

式中m_ij表示矩阵M中相应的元素，对每个特征点均列出上述两个方程，构成方程组，求解方程组，即可得到矩阵M的所有元素，进而可计算出所有的摄像机内参和外参。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

一种紫外像机标定装置，包括：

紫外灯珠标定板，用于将紫外灯珠按照阵列固定并通过一个电流控制装置控制紫外灯珠亮度；

紫外像机标定箱体，用于安装紫外灯珠标定板，标定板正对紫外像机放置；

滑轨组，用于控制像机的移动；

像机载台，与滑轨组相连接，用于固定紫外像机。

特别地，所述滑轨组包括三组滑轨，分别用于控制像机上下、水平及前后移动。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所提出的紫外像机标定方法以紫外灯珠阵列作为标定物，有效地解决了常规标定板在紫外像机下无法有效成像的问题，对于紫外灯珠的成像，本发明首先进行盐噪声滤波，然后通过椭圆拟合求解特征点，这样对于面积较小的盐噪声，会被直接滤除，即使存在较大面积的盐噪声，也无法拟合出有效的椭圆，于是本发明提出的方法有效地抑制了紫外图像下极大噪声的干扰；

(2)本发明的方法对椭圆拟合的结果非极大值抑制，一方面可以有效消除紫外灯珠成像边缘不规则的问题，另一方面可以提取出亚像素精度的图像特征点，对提高紫外像机标定精度非常有利；

(3)本发明提出的紫外像机标定箱，一方面避免了操作人员暴露在紫外光照射下；另一方面通过三组滑轨，可以操作紫外像机在三个维度上移动，可以适应视场角不同、甚至镜头安装位置不同的紫外像机。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为紫外像机标定流程；

图2为紫外灯珠标定板结构图；

图3为紫外像机标定箱结构图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的设计构思是：采用主动发光的紫外灯珠，代替常规摄像机标定使用的反射式标定物，这样就解决了紫外像机条件下标定物难以成像的问题。紫外像机拍摄到的标定物是紫外灯珠，由于紫外图像分辨率低，且每个灯珠都有较高的亮度，因此在紫外图像上，会成像为一个边缘不规则的光斑。光斑的中心就是特征点位置，要提取特征点位置，需要对光斑进行圆拟合，但由于光斑的边缘不规则，可能会拟合出多个圆。因此本发明设计了一个非极大值抑制过程，能从多个圆中计算出亚像素级的精确特征点位置，从而提高标定精度。

为实现这一发明构思，本发明首先提出了一种紫外像机标定装置，如图3所示，包括：

(1)紫外灯珠标定板1，用于将紫外灯珠按照阵列固定并通过一个电流控制装置控制紫外灯珠亮度；如图2所示；

(2)紫外像机标定箱体2，用于安装紫外灯珠标定板，标定板正对紫外像机5放置；

(3)滑轨组，用于控制像机的移动；本实施例中，滑轨组包括三组滑轨，分别用于控制像机上下、水平及前后移动，即图3中的上下导轨31、水平导轨32和前后导轨33；

(4)像机载台4，与滑轨组相连接，用于固定紫外像机。

参见流程图1，可按下述流程实施本发明所述方法：

首先按前述紫外像机标定装置搭建紫外像机标定箱，标定箱中，紫外灯珠阵列设置为5×8大小(5行8列，计40个灯珠)；将紫外摄像机固定在像机载台上，调整水平和垂直滑轨，使摄像机中心大概对准紫外灯珠阵列中心，调整前后滑轨，使得紫外像机能够拍摄到所有的紫外灯珠。适当调整紫外灯珠亮度，使其在紫外图像上形成具有一定大小，且相互间不发生重叠的光斑；标定方法如下：

步骤1：以紫外灯珠阵列所在平面为XoY平面，以像机正前方为Z轴，并以紫外灯珠阵列中心为原点构建世界坐标系，并据此获得每个紫外灯珠的世界坐标系坐标(以毫米为单位)；

步骤2：获取紫外像机拍摄的上述标定板图像(紫外灯珠阵列)；

步骤3：降噪，本实施例具体使用一个尺寸为7×7大小的中值滤波器对紫外图像进行中值滤波，消除部分盐噪声；

步骤4：对降噪后的图像进行阈值分割，本实施例具体使用OSTU算法计算出一个合适的阈值T，然后使用该阈值对标定板图像进行阈值分割，高亮区域为前景。OSTU算法是一种自适应的阈值分割方法，它的思想是将图像分成背景和目标两部分，且背景和目标之间的类间方差最大。设图像为I(x,y)，前景与目标的分割阈值记为T，背景像素点占全部像素点比例为w₀，其平均灰度为μ₀，目标像素点占全部像素点比例为w₁，平均灰度为μ₁，图像整体平均灰度为μ，使用公式(1)计算类间方差g：

g＝w₀(μ₀-μ)²+w₁(μ₁-μ)² (1)

遍历计算得到使类间方差最大的分割阈值T；

步骤5：对阈值分割的结果进行圆拟合，记录所有的拟合结果，并为每个圆赋予一个得分，得分的值为该圆内部所有像素亮度的平均值；遍历拟合结果，利用圆心之间的距离进行聚类，如果聚类的结果小于40个分组，说明采集到的图像中，分割得到的紫外灯珠区域不足(无法和紫外灯珠一一对应)，此时标定失败。应回到前面的步骤重新调整水平、垂直以及前后滑轨，并重新采集标定板图像。如果聚类成功，则每个分组表示一个紫外灯珠在标定板图像上的拟合结果；

步骤6：对每个紫外灯珠的拟合结果进行非极大值抑制。对每个分组，使用质心法确定极值位置。将分组内每个圆心位置(x_i,y_i)作为质点，得分m_i作为质点的质量，以质心作为极值的估计，得到质心为：

该质心就是该分组代表的紫外灯珠在紫外图像中对应的特征点位置。依此，计算出所有的紫外灯珠对应的特征点位置。

步骤7：依据上述求出的紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系，计算紫外像机的所有内参和外参。具体计算过程如下：

对于每个紫外灯珠与其图像特征点，均可写出两个方程：

X_wim₁₁+Y_wim₁₂+Z_wim₁₃+m₁₄-u_iX_wim₃₁-u_iY_wim₃₂-u_iZ_wim₃₃＝u_im₃₄

X_wim₂₁+Y_wim₂₂+Z_wim₂₃+m₂₄-v_iX_wim₃₁-v_iY_wim₃₂-v_iZ_wim₃₃＝v_im₃₄

对全部40个紫外灯珠，可以列出80个方程，写成矩阵形式为：

简写成矩阵形式为：

Km＝U

使用最小二乘法计算得到上述方程组的解为：

m＝(K^TK)^-1K^TU

这样就得到了像机投影矩阵M，然后通过分解M计算像机内参和外参，有：

比较同位置矩阵元素，可以计算出所有内参、外参分别为：

r₃＝m₃₄m₃

t_z＝m₃₄

本发明的方法对椭圆拟合的结果非极大值抑制，一方面可以有效消除紫外灯珠成像边缘不规则的问题，另一方面可以提取出亚像素精度的图像特征点，对提高紫外像机标定精度非常有利。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种紫外像机标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：以紫外像机标定装置中标定板所在平面为XoY平面，以像机正前方为Z轴，建立世界坐标系，确定标定板上每个紫外灯珠在世界坐标系的坐标值；

步骤2：获取紫外像机拍摄的所述标定板图像；

步骤3：消除部分噪声；

步骤4：对降噪后的图像进行阈值分割；

步骤5：对上述阈值分割的结果进行圆拟合；

步骤6：对上述圆拟合的结果进行非极大值抑制；

步骤7：依次求解出标定板上所有紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系。

2.根据权利要求1所述的一种紫外像机标定方法，其特征在于：所述步骤6)包括以下子步骤：

步骤6.1：对每个拟合得到的圆赋予一个得分，计算该圆所有内部元素的平均亮度，以此亮度为该圆得分；

步骤6.2：对圆拟合的结果进行分组，遍历所有拟合结果，利用圆心之间的距离进行聚类，如果当前圆与已有分组的某一组圆心的距离小于阈值R，则将当前圆也归到这一组，否则当前圆归到新的一组，最终，如果聚类结果中的类别数目小于标定板紫外灯珠的个数，则说明，采集到的图像中，分割得到的紫外灯珠区域不足，需要重新采集图像；

步骤6.3：对每个圆拟合分组进行非极大值抑制，同一分组表示一个紫外灯珠局部区域中提取到的所有圆，m_i及圆心位置(x_i,y_i)可以构成一个得分曲面，使用质心法确定曲面极值，将圆心位置(x_i,y_i)作为质点，得分m_i作为质点的质量，以质心作为极值的估计，得到质心为：

步骤6.4：上述质心一个紫外灯珠对应特征点的亚像素级精确位置。

3.根据权利要求1所述的一种紫外像机标定方法，其特征在于：所述步骤5)中，每个拟合圆的圆心表示一个紫外灯珠在图像中对应特征点的位置。

4.根据权利要求1所述的一种紫外像机标定方法，其特征在于：所述步骤7)中，依据前述求出的紫外灯珠与其亚像素精度的图像特征点的对应关系，建立如下方程：

X_wim₁₁+Y_wim₁₂+Z_wim₁₃+m₁₄-u_iX_wim₃₁-u_iY_wim₃₂-u_iZ_wim₃₃＝u_im₃₄

X_wim₂₁+Y_wim₂₂+Z_wim₂₃+m₂₄-v_iX_wim₃₁-v_iY_wim₃₂-v_iZ_wim₃₃＝v_im₃₄

式中m_ij表示矩阵M中相应的元素，对每个特征点均列出上述两个方程，构成方程组，求解方程组，即可得到矩阵M的所有元素，进而可计算出所有的摄像机内参和外参。

5.一种紫外像机标定装置，其特征在于：所述装置包括：

紫外灯珠标定板，用于将紫外灯珠按照阵列固定并通过一个电流控制装置控制紫外灯珠亮度；

紫外像机标定箱体，用于安装紫外灯珠标定板，标定板正对紫外像机放置；

滑轨组，用于控制像机的移动；

像机载台，与滑轨组相连接，用于固定紫外像机。

6.根据权利要求5所述的一种紫外像机标定装置，其特征在于：所述滑轨组包括三组滑轨，分别用于控制像机上下、水平及前后移动。