CN113963065A - 一种基于外参已知的镜头内参标定方法及装置、电子设备 - Google Patents

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CN113963065A CN202111216217.2A CN202111216217A CN113963065A CN 113963065 A CN113963065 A CN 113963065A CN 202111216217 A CN202111216217 A CN 202111216217A CN 113963065 A CN113963065 A CN 113963065A
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郑灵杰
朱月
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Abstract

本发明公开了一种基于外参已知的镜头内参标定方法及装置、电子设备，该方法包括：通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；提取所述目标标定板图像的特征点；根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；将所述成世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。本发明标定只需要采集单张图片，而张正友标定和halcon标定方法至少需要4张，速度明显提升。本发明标定特征点覆盖整个成像面，对整个成像面进行内参和畸变优化，标定准度，尤其是图像角落的畸变准确性更可靠。

Description

一种基于外参已知的镜头内参标定方法及装置、电子设备
技术领域
本申请涉及内参标定技术领域，尤其涉及一种基于外参已知的镜头内参标定方法及装置、电子设备。
背景技术
相机可以用来感知环境的二维或者三维深度信息，因此被广泛应用于消费、移动机器人导航，航天、航空，增强现实，测绘等领域。作为成像器件的重要组成部分——镜头，通常决定着成像的效果。常规成像镜头由多组透镜组成，由于制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变，导致原始图像的失真。镜头的畸变分为径向畸变和切向畸变两类。相机内参和畸变参数直接影响空间视觉三维坐标测量不确定度。传统相机内参数校准方法需要参数模型化及全局最优化求解方法，会造成各内参数相关性过高，局部校准误差较大，对基于测角的测量方式不确定度影响较大，尤其是对于采用大畸变成像镜头进行成像测量时，目前常用的张正友标定方法或者halcon标定方法对于成像边缘像素的点畸变矫正并不理想很容易陷入局部最优的内参解上，导致边缘的畸变矫正效果较差。尤其是对于三维相机，通常需要大光圈大视野，在此情况下很难做到畸变很小，导致成像上边缘像素点的深度测量非常不准确，直接影响了使用效果。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于外参已知的镜头内参标定方法及装置、电子设备，以解决相关技术中存在的边缘畸变难控制、标定速度慢，标定人力消耗大的问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于外参已知的镜头内参标定方法，包括：
通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
提取所述目标标定板图像的特征点；
根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
可选的，在通过面阵图像传感器获取目标标定板图像前，还包括：
通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
可选的，提取所述目标标定板图像的特征点，包括：
根据所述目标标定板，提取所述目标标定板图像上的图像灰度值发生变化的点作为特征点。
可选的，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，包括：
根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
可选的，将所述世界坐标带入成像模型中，求得相机镜头内参，包括：
对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解内参；
对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解内参。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于外参已知的镜头内参标定装置，包括：
获取模块，用于通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
提取模块，用于提取所述目标标定板图像的特征点；
第一计算模块，用于根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
第二计算模块，用于将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
可选的，在获取模块前，还包括：
调节模块，用于通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
可选的，所述第一计算模块，包括：
第一计算子模块，用于根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
第二计算子模块，用于根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
可选的，所述第二计算模块，包括：
第一求解子模块，用于对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解相机镜头内参；
第二求解子模块，用于对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解相机镜头内参。
根据本申请实施例的第三方面，提供一种基于外参已知的镜头内参标定装置，包括：
标定板；
补光器，用于补光；
面阵图像传感器，用于获取若干由所述补光器发出的经过所述标定板吸收之后的目标标定板图像；
处理器，所述处理器用于提取所述目标标定板图像的特征点，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
根据本申请实施例的第四方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请结合相机成像原理，只需通过单张标定板图像，采用根据已知特征点世界坐标，建立所有特征点的成像关系，通过成型模型求解内参。本发明实施例只需要采集单张具有全幅特征点的标定图片便可以对相机进行内参标定，以较低成本实现相机内参信息的快速获取，适用于所有面阵成像传感器，具有标定精度高、速度快的优点，降低了传统标定方法局部最优解的风险，稳定性和可靠性更好。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于外参已知的镜头内参标定方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的内参标定装置的结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的四种角点原型示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的图像优选效果对比图，其中(a)为原始图像效果图，(b)是张正友标定方法效果图，采用3次径向畸变和2次切向畸变，(c)是经过本发明实施例的方法优化后的效果图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种基于外参已知的镜头内参标定装置的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于外参已知的镜头内参标定方法的流程图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤S11，通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
步骤S12，提取所述目标标定板图像的特征点；
步骤S13，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
步骤S14，将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
本申请结合相机成像原理，只需通过单张标定板图像，采用根据已知特征点世界坐标，建立所有特征点的成像关系，通过成像模型求解内参。本发明实施例只需要采集单张具有全幅特征点的标定图片便可以对相机进行内参标定，以较低成本实现相机内参信息的快速获取，适用于所有面阵成像传感器，具有标定精度高、速度快的优点，降低了传统标定方法局部最优解的风险，稳定性和可靠性更好。从而解决相关技术中存在的边缘畸变难控制、标定速度慢，标定人力消耗大的问题。
在步骤11的具体实施中，通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
具体地，如图2所示，内参标定装置主要包括了菲林内参标定板1、面阵图像传感器2和用于补光的补光背板3。所述面阵图像传感器用于接收若干由补光背板发出的经过菲林板吸收之后的光线信号。菲林标定板采用具有规则特征角点的棋盘格组成。
在步骤11通过面阵图像传感器获取目标标定板图像前，还包括：通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
面阵图像传感器获取目标标定板的图像时，通过调节图像传感器与成像标定板之间的距离和角度，尽可能将特征点充满整个图像。所述标定板采用透光的菲林贴在磨砂透光的亚克力板上，在保证图像清晰的情况下还可以保证整个成像面的平整度，方便外参的获取；背光板采用多组LED进行补光，不同区域的补光强度不一样；根据镜头的相对照明强度，调整补光板不同区域的补光强度，以获得均匀曝光的标定板图像。
在步骤S12的具体实施中，提取所述目标标定板图像的特征点，包括：
根据所述目标标定板，提取所述目标标定板图像上的图像灰度值发生变化的点作为特征点。这些点能够在其他含有相同场景或目标的相似图像中以一种相同的或至少非常相似的不变形式表示图像，如根据标定板进行确定选择ORB、SIFT等变形不变特征点。
提取标定板图像的特征点时，需根据标定板进行确定选择ORB、SIFT等特征点，在本实施例中采用的是棋盘格作为标定标的，采用最常用的旋转滤波核的方法进行求解；首先定义两种不同的角点原型，如图3。一种用于和坐标轴平行的角点，另一种用于旋转45°的角点。每个原型由4个滤波核{A,B,C,D}组成，用于后面和图像进行卷积操作。利用这两个角点原型来计算每个像素点与角点的相似程度：
Figure BDA0003310905320000071
Figure BDA0003310905320000072
Figure BDA0003310905320000073
Figure BDA0003310905320000074
其中，c为角点相似度，本发明实施例采用最简单的互相关的方法进行相似度计算，
Figure BDA0003310905320000075
表示原型j本身和其镜像；
Figure BDA0003310905320000076
表示卷积核A和原型i(i＝1,2)在某个像素点的卷积响应，
Figure BDA0003310905320000077
表示卷积核B和原型i(i＝1,2)在某个像素点的卷积响应；
Figure BDA0003310905320000078
表示卷积核C和原型i(i＝1,2)在某个像素点的卷积响应，
Figure BDA0003310905320000079
表示卷积核D和原型i(i＝1,2)在某个像素点的卷积响应；所谓响应，是指卷积核与原型的卷积值；μ为中间物理量。
在步骤S13的具体实施中，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，包括：
(1)根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
具体地，相机光心在世界坐标系下的位置
Figure BDA00033109053200000710
和任意一个特征点A在世界坐标系下的位置
Figure BDA00033109053200000711
的关系可以通过向量求和的方式计算得到；
Figure BDA00033109053200000712
其中
Figure BDA00033109053200000713
为相机与任意一个特征点A的空间坐标关系。在本发明实施例中，
Figure BDA00033109053200000714
被设置为世界坐标的原点，任意一个特征点A在世界坐标系下的位置
Figure BDA00033109053200000715
则是通过勘测的方式获得，所有特征点处于一个与相机平面平行的面上，所有特征点在世界坐标下的位置则可以通过。
(2)根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
具体地，
Figure BDA00033109053200000716
的方向可构成相机对该特征点的世界坐标。
在步骤S14的具体实施中，将所述世界坐标带入成像模型中，求得相机镜头内参，包括：
(1)对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解内参；
具体地，世界坐标与对应针孔成像的模型线构成相似三角形，因此世界坐标系下特征点的坐标(X，Y，Z)可以退化为(X/Z,Y/Z,1)，也即代表世界坐标的方向。
针孔成像模型下图像传感器相机坐标系下位置和世界坐标系下的位置存在转换关系：
Figure BDA0003310905320000081
其中：x、y分别为像素的横纵坐标，s为缩放因子，fx、fy为镜头的沿像素行和列方向的焦距，cx、cy为图像中心与镜头光轴的平移量，r11、r12、r13、r14、r21、r22、r23、r24、r31、r32、r33、r34为相机外参，X、Y、Z为被测物体的世界坐标；其空间外参关系由机械装置进行测量获得。
将所有特征点的世界坐标，带入到上面的转换关系中，求解出内参矩阵。
(2)对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解内参。
具体地，需要对上述模型中的特征点成像坐标(x，y)进行畸变处理，
考虑切向畸变模型：
x0＝x(1+k1r2+k2r4+k3r6)
y0＝y(1+k1r2+k2r4+k3r6)
径向畸变模型：
x0＝x+[2p y+p2(r2+2x2)]
y0＝y+[2p2x+p1(r2+2y2)]
其中：k1、k2、k3分别为径向畸变，p1、p2为切向畸变，r为目标像素点到成像中心的距离，(x0，y0)是畸变点在成像仪上的原始位置，(x，y)是畸变矫正后更新的位置,即对于小孔模型中的坐标。
将所述世界坐标带入畸变模型中，求解得到径向畸变参数和切向畸变参数以及内参矩阵。
需要说明的是，以上畸变模型为其中一种形式，还可以是鱼眼畸变模型，只考虑径向畸变忽略切向畸变。
本申请结合相机成像原理，只需通过单张标定板图像，采用根据已知特征点世界坐标，建立所有特征点的成像关系，将内参和畸变求解问题转变成数学优化问题，对主点位置偏移、全视场范围非均匀镜头内参和畸变等参数进行全局优化和校准。本发明实施例只需要采集单张具有全幅特征点的标定图片便可以对相机进行内参标定，以较低成本实现相机内参信息的快速获取，适用于所有面阵成像传感器，具有标定精度高、速度快的优点，降低了传统标定方法局部最优解的风险，稳定性和可靠性更好。尤其是对于成像边缘的内参和畸变参数的标定和校准更为可靠。
图4是根据一示例性实施例示出的图像优选效果对比图，其中(a)为原始图像效果图，(b)是张正友标定方法效果图，采用3次径向畸变和2次切向畸变，(c)是经过本发明实施例的方法优化后的效果图。通过图4可以看出，张正友标定方法对于成像画面的中心区域畸变矫正较好，对于角落的畸变矫正效果不佳，图像边缘的点阵仍然是曲线分布，甚至圆形点阵变成了椭圆形，而本发明实施例的效果无论是在成像中心区域还是边界区域的畸变矫正效果都较好，既能保证呈现圆形，分布也几乎在阵列上。
与前述的基于世界坐标的镜头内参标定方法的实施例相对应，本申请还提供了基于世界坐标的镜头内参标定装置的实施例。
图5是根据一示例性实施例示出的一种基于外参已知的镜头内参标定装置框图。参照图5，该装置包括：
获取模块21，用于通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
提取模块22，用于提取所述目标标定板图像的特征点；
第一计算模块23，用于根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
第二计算模块24，用于将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
可选的，在获取模块前，还包括：
调节模块，用于通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
可选的，所述第一计算模块，包括：
第一计算子模块，用于根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
第二计算子模块，用于根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
可选的，所述第二计算模块，包括：
第一求解子模块，用于对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解相机镜头内参；
第二求解子模块，用于对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解相机镜头内参。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的一种基于外参已知的镜头内参标定方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的一种基于外参已知的镜头内参标定方法。
本发明实施例还提供一种基于外参已知的镜头内参标定装置，包括：标定板；补光器，用于补光；面阵图像传感器，用于获取若干由所述补光器发出的经过所述标定板吸收之后的目标标定板图像；处理器，所述处理器用于提取所述目标标定板图像的特征点，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
具体地，如图2所示，所述标定板采用菲林内参标定板1，菲林标定板采用具有规则特征角点的棋盘格组成，补光器采用补光背板3。所述处理器中所做的执行动作已经在前文描述清楚，这里不做进一步赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (11)

1.一种基于外参已知的镜头内参标定方法，其特征在于，包括：
通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
提取所述目标标定板图像的特征点；
根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在通过面阵图像传感器获取目标标定板图像前，还包括：
通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取所述目标标定板图像的特征点，包括：
根据所述目标标定板，提取所述目标标定板图像上的图像灰度值发生变化的点作为特征点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，包括：
根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述世界坐标带入成像模型中，求得相机镜头内参，包括：
对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解内参；
对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解内参。
6.一种基于外参已知的镜头内参标定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于通过面阵图像传感器获取目标标定板图像；
提取模块，用于提取所述目标标定板图像的特征点；
第一计算模块，用于根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标；
第二计算模块，用于将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在获取模块前，还包括：
调节模块，用于通过调节面阵图像传感器与目标标定板之间的距离和角度，使特征点充满整个图像且能被提取。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块，包括：
第一计算子模块，用于根据所述特征点在世界坐标系下的分布关系，得到相机与任意一个特征点的空间坐标关系；
第二计算子模块，用于根据所述空间坐标关系获得相机与对应特征点的世界坐标。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块，包括：
第一求解子模块，用于对于不存在畸变的成像镜头，将所述世界坐标带入针孔成像模型中，求解相机镜头内参；
第二求解子模块，用于对于存在畸变的成像镜头，考虑切向畸变和径向畸变，将所述世界坐标带入畸变模型中，求解相机镜头内参。
10.一种基于外参已知的镜头内参标定装置，其特征在于，包括：
标定板；
补光器，用于补光；
面阵图像传感器，用于获取若干由所述补光器发出的经过所述标定板吸收之后的目标标定板图像；
处理器，所述处理器用于提取所述目标标定板图像的特征点，根据空间关系计算每个所述特征点对应的世界坐标，将所述世界坐标带入成像模型中，计算得到相机镜头内参。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
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