CN206892938U - 一种摄像头标定器具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种摄像头标定器具。该标定器具包括：标定板，标定板上设置有阵列式排布的多个格点，其中，多个格点中的预定数量个格点上分别设置有标志点，预定数量个格点中的任意三个不共线。由此，可以方便快捷、准确的完成摄像头的标定工作。

Description

一种摄像头标定器具

技术领域

本实用新型涉及摄像头标定领域，尤其涉及一种摄像头标定器具。

背景技术

在虚拟现实多目标跟踪技术中，为确定目标物体的空间位置与其在图像中成像的相互关系，必须建立相机(或摄像头)成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数，而求解参数的过程就称之为相机标定(或摄像头标定)。

对于单个摄像头的标定，其主要任务是计算摄像头的内部参数(包含摄像头的投影变换矩阵和透镜畸变参数)和外部参数(包含相对于某个世界坐标系的旋转矩阵和平移向量)。对于两摄像头联合标定，即计算两台摄像头在空间中的相对的几何位置关系(包含旋转矩阵和平移向量)，最后使得两台摄像头各自拍得的图像显示在同一水平线上。

虚拟现实行业基于双目摄像头的目标跟踪技术，一般都采用“张正友标定”(也称“张氏标定法”)进行标定。张正友标定法，是指张正友教授于1998年提出的单平面棋盘格的摄像头标定方法。一方面，张氏标定法已经作为工具箱或封装好的函数，应用方便；另一方面，张正友标定可以不需要特殊的标定物，只需要一张打印出来的棋盘格纸(如图1所示)，通过对一个打印的棋盘格在不同方向多次(三次以上)完整拍照，不需要知道棋盘格的运动方式，通过计算直接获得相机的内参和外参，为相机标定提供了很大便利，并且具有很高的精度。

然而，张氏标定法中使用的标定器具仅为一张黑白相间的棋盘格纸，而没有其他的参考点或参照物，相对而言操作复杂且技术性强，为摄像头标定增加了难度，没有技术的普通工作人员通过简单的培训无法方便快捷、准确的完成摄像头的标定工作。

有鉴于此，本实用新型提出了一种新的标定方案，以解决上述的至少一个问题。

实用新型内容

本实用新型提出了一种摄像头标定器具，可以通过快速识别标定器具上的多个标志点，从而实现标志点的像点坐标和空间坐标(物方坐标)的自动对应，方便快捷、准确的完成摄像头的标定工作。利用标定后的摄像头可以准确实现对空间中目标的跟踪。

根据本实用新型，提出了一种摄像头标定器具，该标定器具可以包括标定板，标定板上设置有阵列式排布的多个格点，其中多个格点中的预定数量个格点上分别设置有标志点，预定数量个格点中的任意三个不共线。

标定板上可以设有两色相间的棋盘图案，格点为棋盘图案中的网格，标志点的尺寸小于网格，并且设置在网格中心位置处。

优选地，未设置标志点的格点可以为多个发光点，标志点为尺寸大于发光点的发光片，覆盖其所对应的格点。

优选地，发光点可以是红外发光点，发光片可以是红外发光片。

优选地，标志点的中心可以与其对应的格点的中心重合。

优选地，标志点可以被设置为不与其相邻的格点重叠。

优选地，预定数量可以大于或等于6。

优选地，标定板可以包括两个平板，两个平板可以以预定夹角相互固定在一起，两个平板上分别设置有至少一个标志点。

优选地，两个平板上的标志点数量可以相同，或者大致相同。

优选地，该标定器具还可以包括：支架，适于放置标定板。

通过本实用新型非摄像头标定器具，能够通过快速识别标定器具上的多个标志点，实现标志点像点坐标和空间坐标(物方坐标)的自动对应，方便快捷、准确的完成双目红外多目标跟踪技术的标定工作。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了张正友标定法的标定物的示意图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的摄像头标定器具的示意图。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的摄像头标定器具。

图4示出了根据本实用新型另一个实施例的摄像头标定器具的一个平板。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如前所述，为了快速准确地对相机(或摄像头)进行标定，本实用新型提出了一种摄像头标定器具，下面将参考图2至图4的实施例进行详细说明。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的摄像头标定器具。如图2所示，本实用新型的摄像头标定器具可以包括标定板200，标定板上设置有阵列式排布的多个格点210，其中多个格点中的预定数量个格点上分别设置有标志点220，预定数量个格点中的任意三个不共线。

这里，不共线是指标定板上设置的多个标志点中的任意三个不共线。这样，可以涉及更多的行或列，且更具有代表性，为标定板提供更多的信息，在摄像头校正过程中可以快速、准确地实现图像上的各个标志点与空间中的多个标志点的一一对应，从而能更精确的实现标定。

格点和/或标志点可以不是严格意义上的点(零维)，也可以具有一定的尺寸、形状或颜色，可以通过不同的尺寸、形状或颜色对其进行区分。例如，格点和/或标志点的形状可以是圆形、正多边形(正三角形、正四边形、正五边形等)或扇形等等。其尺寸视情况而定，可以是直径为1mm的圆，也可以是直径为1cm的圆等等。其颜色也可以是例如红色、绿色等其它颜色，或者也可以发光。格点之间可以有一定的间距，间距的大小可以视情况而设定，例如，间距可以为2mm-5mm，等等。本领域的技术人员应当理解，上述举例是示例性的，不应当用以限制本实用新型。

可以在标定板200上设置例如黑白等两色相间的棋盘图案。此时，格点为棋盘图案中的网格。标志点的尺寸可以小于网格的尺寸，并且设置在网格中心位置处。

也可以将未设置标志点220的格点210设为多个发光点，标志点220为尺寸大于发光点的发光片，覆盖其所对应的格点。这里，发光点可以主动发光，以便于能够被摄像头感测到，从而拍得相应的图像。标志点在图像中形成的光斑可以略微大于发光点形成的光斑，使得在图像中仍然能够将标志点和发光点进行区分。

发光点可以发射红外光，其发光波段与相应的摄像头的感光波段相同。这样，发光点是红外发光点，发光片是红外发光片。

由此，摄像头可以拍摄到包括标定器具、格点及标志点的图像，通过将图像上与标志板实体上各个标志点或格点一一对应实现多摄像头的标定。

为了方便摄像头标定的进行，并保证在不同位置、不同角度或不同时刻拍摄到的图像尽可能一致，还可以通过多种方式设定标定板及标定板上的多个格点和/或多个标志点。

例如，可以将标志点的中心与其对应的格点的中心重合。这样，标志点也可以有序分布在标定板上，方便标定过程中将图像中的格点和/标志点与标定板实体上的相应格点或标志点进行一一对应。

为了可以充分地将各个格点与标志点区分开，标志点还可以被设置为不与其相邻的格点重叠。

预定数量个格点的数目可以是大于或等于6。即标志点的数目可以是大于或等于6的，这样，对于多个格点(例如10行10列等)，可以在不同的行或列设置标志点，以从多个角度或方向区分格点与标志点。

标定板200也可以包括两个平板，两个平板以预定夹角相互固定在一起，两个平板上分别设置有至少一个标志点。其中，预定夹角可以是90度，使用时，可以将两个平板垂直于放置面(例如，可以是地面或桌面等)放置。

两个平板上的标志点数量可以相同，或者可以大致相同(可以相差一个或两个)。例如，可以在标定板的两个平板上分别设3个不共线的标志点，或者一个标定板上设2个标志点，另一个标定板上设4个标志点，或者其它设定方式。

为了便于放置，该标定器具还可以包括支架(图中未示出)，适于放置标定板。如此，可以将标定板稳定放置，以避免在摄像头拍摄图片时，由于标定板不稳定或抖动引起的图像模糊等情况。也可以便于将标定板设置在合适的高度或位置，便于摄像头进行拍摄。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的摄像头标定器具。如图3所示，标定器具的标定板300可以是由两个相互呈90度的平板组成，并安装在支架(图中未示出)以使其相互位置关系保持不变。每个平板上布满均匀分布的黑白相间的色块，即为格点310，格点密度是任意设定的或根据实际使用情况设定的。平板的边缘处(格点四周)预留白色边缘，以将棋盘图案与背景相区分。标定板上以还一定模式分布着六个呈正方形的标志点320(图中尺寸较小的黑色四边形)，标志点的尺寸小于格点，标志点的中心与格点的中心重合，处于格子的正中间位置。标志点与其周围的格点不重叠。

该标定器具可以被动发光，即在标定时需要光源照射，所用光源的发光波段需与摄像头的感光波段相同，例如，可以均为红外光。

图4示出了根据本实用新型另一个实施例的摄像头标定器具的一个平板。如图4所示，标定板400的两个平板可以以预定角度(已知)组成一个整体安装在支架上(图中未示出)，其相互位置关系保持不变，共同用作标定器具。标定板400的每一个平板上均可以设有阵列式排布的多个格点410(图中尺寸较小的圆形)，在多个格点中的预定数量个格点上分别设置标志点420(图中尺寸较大的圆形)。

发光点及标志点可以主动发射红外光，其发光波段与相应的摄像头感光波段相同，发光平面在摄像头图像中形成的光斑略微大于发光点形成的光斑。

至此，已经结合图2至图4详细说明了本实用新型的摄像头标定器具。此外，本实用新型的摄像头标定器具可以用于实现对摄像头的标定，其标定流程如下所示：

1.使用摄像头拍摄标定板图像。其中，采集图像前，需要调整好标定器具与摄像头的距离，保证清晰成像且整个像幅能够采集到所有标志点和至少部分格点。调整好角度与距离后，即可采集一张影像并传入计算设备。

2.计算设备利用拍摄到的图像自行计算得到摄像头的内部参数(包含摄像头的投影变换矩阵和透镜畸变参数)和外部参数(包含相对于某个世界坐标系的旋转矩阵和平移向量)，包括：

(1)计算设备对拍摄的标定板图像进行逐行扫描，得到图像上所有标志点的像点坐标；

(2)将图像中的标志点与实际的标志点进行一一对应，确定图像中各标志点对应的空间坐标(物方坐标)。将标志点的像点坐标与物方坐标进行一一对应，建立平面透视变换，计算出影像上格点的像点坐标初值，并投影在影像上。再利用直线提取求交，获取格点的像点坐标的精确值。

这里，标志点图像与标志点之间的对应关系可以是借助于多个标志点之间或标志点与多个格点之间的位置关系确定的。测量者可以预先测量好各个标志点的空间坐标，并输入至计算设备(例如，可以是计算机)。空间坐标系可以是任意指定的坐标系，例如，可以以标定器具两块平板交线的定点或者最低点为原点，以水平面上任意两个正交的方向为x和y方向，以垂直方向为z方向。

(3)可以利用标志点的坐标(包括像点坐标和物方坐标)基于三维直接线性变换(3D-DLT)求解标定参数的初值，再利用格点的坐标(包括像点坐标和物方坐标)基于光束平差法进行迭代求解，最终获取内外方位元素。

这里，内方位元素是描述摄影中心与像片之间相关位置的参数，包括三个参数，即摄影中心S到像片的垂距(主距)f，和像主点在像框标坐标系中的坐标x₀，y₀。外方位元素(又称像片外定向元素)是摄影测量中用以描述摄影光束在物方空间坐标系中的几何关系的基本数据。用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置，包括摄影中心S在某一空间直角坐标系中的三维坐标值(X_S，Y_S，Z_S)和确定摄影光束空间方位的3个角定向元素(ω,κ)共6个数据。

由此，通过本实用新型的摄像头标定器具和标定流程，可以方便快速地实现对标志点像点坐标和空间坐标的自动识别，获得摄像头的内方位元素和外方位元素。

另外，摄像头标定的过程就是求得摄像头内部参数和外部参数的过程，而求解内外参数主要是为了解决两个问题，一是畸变矫正，二是目标跟踪。因此，还可以基于内方位元素和外方位元素，确定摄像头的矫正参数(例如，可以通过畸变处理的改正模型进行校正)，以便于进行图像矫正，去除畸变。

相机模型中有四个平面坐标系：像素平面坐标系(u，v)、像平面坐标系(x，y)、相机坐标系(Xc，Yc，Zc)和世界坐标系(Xw，Yw，Zw)。这四个坐标系之间是通过内外参数连接的，获取了内外参数，就可以由拍摄的图像上格点和/或标志点的像点坐标反推出其在世界坐标系中的空间位置，实现目标跟踪。

此外，本实用新型还可以用于双目摄像头(例如，可以是双目红外摄像头)的标定。其中，可以利用上述的摄像头标定器具与标定方法对双目摄像头的两个摄像头中的每一个进行标定；基于两个摄像头各自的内方位元素和外方位元素，确定两个摄像头之间的空间位置信息。如此，可以利用本实用新型的摄像头标定器具及标定流程实现对双目摄像头的标定及目标跟踪。

上文中已经参考附图及实施例详细描述了根据本实用新型的摄像头标定器具。通过本实用新型的摄像头标定器具及相应的标定流程，可以快速、准确地实现对摄像头的标定工作。将其应用到虚拟现实技术中，提高了VR双目红外多目标跟踪技术的实用性，工作人员通过简单的培训即可方便快捷、准确的完成多目标跟踪技术的标定工作。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种摄像头标定器具，其特征在于，包括：

标定板，所述标定板上设置有阵列式排布的多个格点，其中所述多个格点中的预定数量个格点上分别设置有标志点，所述预定数量个格点中的任意三个不共线，

其中，未设置所述标志点的格点为多个发光点，所述标志点为尺寸大于所述发光点的发光片，覆盖其所对应的格点。

2.根据权利要求1所述的摄像头标定器具，其特征在于，

所述标定板上设有两色相间的棋盘图案，所述格点为所述棋盘图案中的网格，所述标志点的尺寸小于所述网格，并且设置在所述网格中心位置处。

3.根据权利要求1所述的摄像头标定器具，其特征在于，

所述发光点是红外发光点，所述发光片是红外发光片。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的摄像头标定器具，其特征在于，所述标志点的中心与其对应的格点的中心重合。

5.根据权利要求1-3中任何一项所述的摄像头标定器具，其特征在于，所述标志点被设置为不与其相邻的格点重叠。

6.根据权利要求1-3中任何一项所述的摄像头标定器具，其特征在于，所述预定数量大于或等于6。

7.根据权利要求1-3中任何一项所述的摄像头标定器具，其特征在于，所述标定板包括两个平板，所述两个平板以预定夹角相互固定在一起，所述两个平板上分别设置有至少一个所述标志点。

8.根据权利要求7所述的摄像头标定器具，其特征在于，

所述两个平板上的所述标志点数量相同，或者大致相同。

9.根据权利要求1-3中任何一项所述的摄像头标定器具，其特征在于，还包括：

支架，适于放置所述标定板。