CN112070842B - 一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法 - Google Patents
一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，具体包括以下步骤，步骤S1：设计编码序列；步骤S2：建立全局坐标系；步骤S3：分别进行两两摄像机的局部标定，利用两摄像机采集一组正交编码条纹图像，至少拍摄三组图像；步骤S4：对于一个正交编码条纹图像，计算其在水平/垂直方向上的绝对展开相位；步骤S5：根据绝对展开相位，建立正交编码条纹图像中每个像素点的图像坐标和世界坐标的一一映射关系；建立摄像机投影方程，求解出两摄像机的内部参数和外部参数；步骤S6:重复步骤S3‑S5，直到多摄像机***中每个摄像机都完成了局部标定，将所有摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定。
Description
技术领域
本发明属于多摄像摄像技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法。
背景技术
多摄像机***广泛应用于安防监控、目标跟踪、工业测量、自主导航等领域，其中一个关键问题是多摄像机标定，以确定各个摄像机的内参数(如焦距、主点、畸变等)和外参数(如旋转矩阵、平移向量等)，其标定精度将直接影响着多摄像机***的性能。
传统标靶按照维度可划分为：一维标靶、二维标靶和三维标靶。相比之下，二维标靶加工和维护较为简单，应用最为广泛。常用的二维标靶包括棋盘格和圆点阵列，其中棋盘格的特征点是角点，圆点阵列的特征点是圆心，它们的提取精度均受灰度影响较大，进而影响着摄像机标定精度。
许多学者设计了不同种类的相位标靶，包括相移条纹、相移圆条纹和正交条纹等，其共同点在于从标靶相位分布中提取特征点。
其中，相移条纹和相移圆条纹利用相移法计算其相位，但相移法一般需要多幅条纹，因此在标定过程中，摄像机需要保持固定，每个摄像机方位需要拍摄多幅条纹图像，比较耗时耗力。
其中，正交条纹利用傅里叶分析法计算其相位，标定灵活性有所提高。然而对于多摄像机标定，不同的应用场合下多摄像机排布情况不尽相同，可能会出现邻近摄像机无公共视场的情况。
不论采用传统二维标靶或者相位标靶，传统的多摄像机标定方法需要将标靶放置于公共视场内进行拍摄，限制了其应用范围。综上所述，如何提高多摄像机标定的精度和灵活性，仍具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，具体包括以下步骤，
步骤S1：设计编码序列，并根据编码序列将若干个编码点嵌入到正交条纹中，生成正交编码条纹I(x,y)；然后将正交编码条纹显示于液晶屏幕上或打印于白色平面板上，作为相位标靶；
步骤S2：将多摄像机***中与其他摄像机的视场重叠较多的摄像机选为基准摄像机，以该基准摄像机坐标系建立全局坐标系，其中根据摄像机的视场重叠度大小，将多摄像机中重叠度较多的两两摄像机划分为一组；
步骤S3：分别进行两两摄像机的局部标定，将正交编码条纹置于两摄像机视场范围之内，两摄像机中包括一个基准摄像机或已完成局部标定的摄像机；改变正交编码条纹的摆放方位，每个摆放方位下利用两摄像机采集一组正交编码条纹图像Ia(u,v),Ib(u,v)，至少拍摄三组图像；
步骤S4：对于一个正交编码条纹图像I(u,v)，计算其在水平/垂直方向上的绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)；
步骤S5：根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立正交编码条纹图像I(u,v) 中每个像素点的图像坐标(u,v)和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系；建立摄像机投影方程，求解出两摄像机的内部参数和外部参数；
步骤S6:重复步骤S3-S5，直到多摄像机***中每个摄像机都完成了局部标定；最后利用两两摄像机间的外部参数，将所有摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定。
优选的，所述步骤S1中，嵌入编码点之前的正交编码条纹的标靶强度可表示为：
I(x,y)＝0.5+0.25cos(2πx/px)+0.25cos(2πy/py)
其中(x,y)表示标靶坐标；px和py分别表示水平/垂直方向上的条纹周期；嵌入编码点之前的正交编码条纹图像强度可表示为：
I(u,v)＝A(u,v)+Bu(u,v)cos[φu(u,v)]+Bv(u,v)cos[φv(u,v)]
其中(u,v)表示图像坐标；A(u,v)表示背景强度；Bu(u,v)和Bv(u,v)分别表示水平/垂直方向上的调制强度。
优选的，所述步骤S3中，两两摄像机的局部标定，两摄像机视场部分重叠或没有重叠，但两摄像机均可以采集到正交编码条纹的部分图像或全部图像。
优选的，所述步骤S4具体包括以下步骤，
步骤S41：对正交编码条纹图像I(u,v)进行傅里叶分析，分别计算出水平/ 垂直方向上的截断相位φu(u,v),φv(u,v)；
步骤S42：分别对截断相位φu(u,v),φv(u,v)进行局部相位展开，计算出水平/ 垂直方向上的局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)；
步骤S43：根据截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系，分别求解出水平/垂直方向上的局部条纹级次k′u(u,v),k′v(u,v)；
步骤S44：对正交编码条纹图像I(u,v)进行中值滤波，得到滤波后的图像 I′(u,v)，滤除正交编码条纹图像I(u,v)中的编码点；
步骤S45：将正交编码条纹图像I(u,v)减去滤波后的图像I′(u,v)，然后将相减图像进行二值化，提取到编码点图像H(u,v)；
步骤S46：根据编码点图像H(u,v)对局部条纹级次k′u(u,v),k′v(u,v)进行校正，获得水平/垂直方向上的绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)；
步骤S47：结合截断相位φu(u,v),φv(u,v)和绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)，计算出绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)。
优选的，所述步骤S43中，所述截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系为：
k′r(u,v)＝floor[Φ′r(u,v)/(2π)],r＝u,v。
优选的，所述步骤S46中，所述绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)的计算方法是：根据局部条纹级次k′u(u,v),k′v(u,v)区分水平/垂直方向上的每个条纹周期；从编码点图像中提取到每个条纹周期的码值，将连续m＝6个条纹周期的码值组成码字 codeword；然后在编码序列中查找码字codeword，根据其位置便可确定绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)。
优选的，所述步骤S47中，所述绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)的计算公式为：
Φr(u,v)＝φr(u,v)+2πkr(u,v),r＝u,v。
优选的，所述步骤S5中，根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立的图像坐标(u,v)和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系为：
其中，dx,dy分别表示水平/竖直方向上的正交编码条纹的像素宽度。
优选的，所述步骤S5中，所述两摄像机的内部参数和外部参数求解方法，优选张正友标定算法(IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11):1330-4)，摄像机模型选择针孔成像模型。
采用以上技术方案的有益效果是：
1、本发明的技术方案只采用一幅正交编码条纹作为相位标靶，利用傅里叶分析法提取其截断相位，利用编码点恢复其绝对展开相位，具有较高的相位提取和展开精度。
2.本发明的技术方案采用的正交编码条纹，其所有具有有效相位的像素点可以用作相位特征点，有效地保证了摄像机的标定精度。
3.本发明的技术方案能够同时利用重叠视场内和非重叠视场内的相位特征点进行两两摄像机标定，灵活性强、适用性广。
附图说明
图1是正交编码条纹示意图；
图2是两摄像机标定原理图；
图3是正交编码条纹图像的绝对展开相位计算流程图；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图3所示，本发明是一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，具体包括以下步骤，
步骤S1：设计编码序列，并根据编码序列将若干个编码点嵌入到正交条纹中，生成正交编码条纹I(x,y)；然后将正交编码条纹显示于液晶屏幕上或打印于白色平面板上，作为相位标靶，如图1所示；
步骤S2：将多摄像机***中与其他摄像机的视场重叠较多的摄像机选为基准摄像机，以该基准摄像机坐标系建立全局坐标系，其中根据摄像机的视场重叠度大小，将多摄像机中重叠度较多的两两摄像机划分为一组；
步骤S3：分别进行两两摄像机的局部标定，将正交编码条纹置于两摄像机视场范围之内，两摄像机中包括一个基准摄像机或已完成局部标定的摄像机；如图2所示，改变正交编码条纹的摆放方位，每个摆放方位下利用两摄像机采集一组正交编码条纹图像Ia(u,v),Ib(u,v)，至少拍摄三组图像；
步骤S4：对于一个正交编码条纹图像I(u,v)，计算其在水平/垂直方向上的绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，如图3所示；
步骤S5：根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立正交编码条纹图像I(u,v) 中每个像素点的图像坐标(u,v)和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系；建立摄像机投影方程，求解出两摄像机的内部参数和外部参数；
步骤S6:重复步骤S3-S5，直到多摄像机***中每个摄像机都完成了局部标定；最后利用两两摄像机间的外部参数，将所有摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定。
所述步骤S1中，嵌入编码点之前的正交编码条纹的标靶强度可表示为：
I(x,y)＝0.5+0.25cos(2πx/px)+0.25cos(2πy/py)
其中(x,y)表示标靶坐标；px和py分别表示水平/垂直方向上的条纹周期；嵌入编码点之前的正交编码条纹图像强度可表示为：
I(u,v)＝A(u,v)+Bu(u,v)cos[φu(u,v)]+Bv(u,v)cos[φv(u,v)]
其中(u,v)表示图像坐标；A(u,v)表示背景强度；Bu(u,v)和Bv(u,v)分别表示水平/垂直方向上的调制强度。
所述步骤S1中，所述编码序列是由‘0’和‘1’两种码值构成的，如图1 中所选用的编码序列为：
‘01101110101011110010110011010010011100010100011000010 00000111111’，注意图1中只显示了部分编码序列(前15个码值)；连续m＝6个码值构成的一个码字codeword，每个码字codeword在整个编码序列中只能出现一次；将条纹级次ku(x,y),kv(x,y)作为索引值，若其在编码序列中索引的码值为‘1’，则在对应的条纹周期内嵌入编码点，若其在编码序列中索引的码值为‘0’，则在对应的条纹周期内不嵌入编码点；例如当条纹级次ku(x,y)＝8,10,12时，其在编码序列中索引的码值均为‘1’，则在对应的条纹周期内嵌入编码点；当条纹级次 ku(x,y)＝7,9,11时，其在编码序列中索引的码值均为‘0’，则在对应的条纹周期内不嵌入编码点；所述编码点嵌入的标靶坐标(xc,yc)可表示为：
其中ci表示第i个码值，cj表示第j个码值。
所述步骤S3中，两两摄像机的局部标定，两摄像机视场部分重叠或没有重叠，但两摄像机均可以采集到正交编码条纹的部分图像或全部图像；如图2所示，两摄像机均可以采集到正交编码条纹的部分图像。
所述步骤S4具体包括以下步骤，
步骤S41：对正交编码条纹图像I(u,v)进行傅里叶分析，分别计算出水平/ 垂直方向上的截断相位φu(u,v),φv(u,v)；此过程为现有技术，具体实现可参考文献(Optik,2012,123(2):171-5)；
步骤S42：分别对截断相位φu(u,v),φv(u,v)进行局部相位展开，计算出水平/ 垂直方向上的局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)；可采用质量导向Quality guided 法、枝切Branch cut法等空间算法；
步骤S43：根据截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系，分别求解出水平/垂直方向上的局部条纹级次ku′(u,v),kv′(u,v)；
步骤S44：对正交编码条纹图像I(u,v)进行中值滤波，得到滤波后的图像 I′(u,v)，滤除正交编码条纹图像I(u,v)中的编码点；
步骤S45：将正交编码条纹图像I(u,v)减去滤波后的图像I′(u,v)，然后将相减图像进行二值化，提取到编码点图像H(u,v)；
步骤S46：根据编码点图像H(u,v)对局部条纹级次ku′(u,v),kv′(u,v)进行校正，获得水平/垂直方向上的绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)；
步骤S47：结合截断相位φu(u,v),φv(u,v)和绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)，计算出绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)。
所述步骤S43中，所述截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系为：
k′r(u,v)＝floor[Φ′r(u,v)/(2π)],r＝u,v。
所述步骤S46中，所述绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)的计算方法是：根据局部条纹级次k′u(u,v),k′v(u,v)区分水平/垂直方向上的每个条纹周期；从编码点图像中提取到每个条纹周期的码值，将连续m＝6个条纹周期的码值组成码字 codeword；然后在编码序列中查找码字codeword，根据其位置便可确定绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)。
所述步骤S47中，所述绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)的计算公式为：
Φr(u,v)＝φr(u,v)+2πkr(u,v),r＝u,v。
所述步骤S42和步骤S47中，对于同一组正交编码条纹图像Ia(u,v)和Ib(u,v)，其局部展开相位的零相位点可能不同，其绝对展开相位的零相位点一定相同。
所述步骤S5中，根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立的图像坐标(u,v) 和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系为：
其中，dx,dy分别表示水平/竖直方向上的正交编码条纹的像素宽度。
所述步骤S5中，所述两摄像机的内部参数和外部参数求解方法，优选张正友标定算法(IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11):1330-4)，摄像机模型选择针孔成像模型。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
步骤S1：设计编码序列，并根据编码序列将若干个编码点嵌入到正交条纹中，生成正交编码条纹I(x,y)；然后将正交编码条纹显示于液晶屏幕上或打印于白色平面板上，作为相位标靶；
步骤S2：将多摄像机***中与其他摄像机的视场重叠较多的摄像机选为基准摄像机，以该基准摄像机坐标系建立全局坐标系，其中根据摄像机的视场重叠度大小，将多摄像机中重叠度较多的两两摄像机划分为一组；
步骤S3：分别进行两两摄像机的局部标定，将正交编码条纹置于两摄像机视场范围之内，两摄像机中包括一个基准摄像机或已完成局部标定的摄像机；改变正交编码条纹的摆放方位，每个摆放方位下利用两摄像机采集一组正交编码条纹图像Ia(u,v),Ib(u,v)，至少拍摄三组图像；
步骤S4：对于一个正交编码条纹图像I(u,v)，计算其在水平/垂直方向上的绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)；
步骤S5：根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立正交编码条纹图像I(u,v)中每个像素点的图像坐标(u,v)和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系；建立摄像机投影方程，求解出两摄像机的内部参数和外部参数；
步骤S6:重复步骤S3-S5，直到多摄像机***中每个摄像机都完成了局部标定；最后利用两两摄像机间的外部参数，将所有摄像机统一至全局坐标系下，实现多摄像机***的全局标定；
所述步骤S1中，嵌入编码点之前的正交编码条纹的标靶强度可表示为：
I(x,y)＝0.5+0.25cos(2πx/px)+0.25cos(2πy/py)
其中(x,y)表示标靶坐标；px和py分别表示水平/垂直方向上的条纹周期；嵌入编码点之前的正交编码条纹图像强度可表示为：
I(u,v)＝A(u,v)+Bu(u,v)cos[φu(u,v)]+Bv(u,v)cos[φv(u,v)]
其中(u,v)表示图像坐标；A(u,v)表示背景强度；Bu(u,v)和Bv(u,v)分别表示水平/垂直方向上的调制强度；
所述步骤S3中，两两摄像机的局部标定，两摄像机视场部分重叠或没有重叠，但两摄像机均可以采集到正交编码条纹的部分图像或全部图像；
所述步骤S4具体包括以下步骤，
步骤S41：对正交编码条纹图像I(u,v)进行傅里叶分析，分别计算出水平/垂直方向上的截断相位φu(u,v),φv(u,v)；
步骤S42：分别对截断相位φu(u,v),φv(u,v)进行局部相位展开，计算出水平/垂直方向上的局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)；
步骤S43：根据截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系，分别求解出水平/垂直方向上的局部条纹级次ku′(u,v),kv′(u,v)；
步骤S44：对正交编码条纹图像I(u,v)进行中值滤波，得到滤波后的图像I′(u,v)，滤除正交编码条纹图像I(u,v)中的编码点；
步骤S45：将正交编码条纹图像I(u,v)减去滤波后的图像I′(u,v)，然后将相减图像进行二值化，提取到编码点图像H(u,v)；
步骤S46：根据编码点图像H(u,v)对局部条纹级次ku′(u,v),kv′(u,v)进行校正，获得水平/垂直方向上的绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)；
步骤S47：结合截断相位φu(u,v),φv(u,v)和绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)，计算出绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：所述步骤S43中，所述截断相位φu(u,v),φv(u,v)和局部展开相位Φ′u(u,v),Φ′v(u,v)的数学关系为：
kr′(u,v)＝floor[Φ′r(u,v)/(2π)],r＝u或v。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：所述步骤S46中，所述绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)的计算方法是：根据局部条纹级次ku′(u,v),kv′(u,v)区分水平/垂直方向上的每个条纹周期；从编码点图像中提取到每个条纹周期的码值，将连续m＝6个条纹周期的码值组成码字codeword；然后在编码序列中查找码字codeword，根据其位置便可确定绝对条纹级次ku(u,v),kv(u,v)。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：所述步骤S47中，所述绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)的计算公式为：
Φr(u,v)＝φr(u,v)+2πkr(u,v),r＝u或v。
5.据权利要求1所述的一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：所述步骤S5中，根据绝对展开相位Φu(u,v),Φv(u,v)，建立的图像坐标(u,v)和世界坐标(X,Y,Z)的一一映射关系为：
其中，dx,dy分别表示水平/竖直方向上的正交编码条纹的像素宽度。
6.据权利要求1所述的一种基于正交编码条纹的多摄像机全局标定方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述两摄像机的内部参数和外部参数求解方法，采用张正友标定算法，摄像机模型选择针孔成像模型。
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