專利名稱：用于攝像機標(biāo)定的二維平面相位標(biāo)靶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機視覺檢測領(lǐng)域，特別涉及為了獲取空間點與計算機圖像像素點的對應(yīng) 關(guān)系，對攝像機進行標(biāo)定的場合。
二背景技術(shù)：
在計算機視覺檢測過程中，需要從攝像機拍攝得到的圖像出發(fā)，計算出物體的三維信息， 因此必須獲取計算機圖像像素與空間點的對應(yīng)關(guān)系，該過程稱為攝像機標(biāo)定，是計算機視覺 檢測中一個必不可少的步驟。攝像機標(biāo)定也就是確定攝像機的內(nèi)外參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)為攝像機 的幾何和光學(xué)特性；外部參數(shù)為攝像機坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系。
通常攝像機標(biāo)定根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)的不同可分為三維標(biāo)定參照物標(biāo)定法，二維標(biāo)定參照物 標(biāo)定法以及攝像機自標(biāo)定等。由于二維標(biāo)定靶的加工方便、制作簡單、成本低等優(yōu)點，Zhang (Z. Zhang, A Flexible New Technique for Camera Calibration, IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11): 1330-1334, 2000.)的基于2D平面標(biāo)靶的攝像機標(biāo)定方法得到越 來越廣泛的應(yīng)用，這種方法需要拍攝若干個不同擺放位置的靶標(biāo)平面圖像，考慮旋轉(zhuǎn)矩陣的 單位正交性求解出攝像機參數(shù)，并通過優(yōu)化方法計算出攝像機精確的內(nèi)外參數(shù)。標(biāo)定中非常 關(guān)鍵的一步就是準(zhǔn)確地提取標(biāo)靶上特征點數(shù)據(jù)，即確定標(biāo)靶上特征點的空間坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)。 攝像機標(biāo)定靶的形式多種多樣，包括圓形靶、方形靶、十字叉形靶等。這些特征點都容易受 到圖像閾值、投影變換和畸變的影響。其中，方形和十字叉形特征點的提取受圖像閾值的影 響較突出；圓形特征點受投影變換的影響較為突出。特征點作為標(biāo)定數(shù)據(jù)，它的提取精度會 最終影響標(biāo)定結(jié)果。如何克服特征點提取精度易受其它因素的影響，用更高精度的特征點數(shù) 據(jù)進行攝像機標(biāo)定，這是一個視覺檢測領(lǐng)域的重要問題。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲取高精度的標(biāo)定數(shù)據(jù)，從而提高攝像機的標(biāo)定精度。本發(fā)明可用于同 一系統(tǒng)中的多個攝像機標(biāo)定。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
本發(fā)明中，二維平面標(biāo)靶的特征點不是二值化模板周期分布中的邊緣或中心點，而是將 面內(nèi)各點的強度用正弦信號周期調(diào)制，因為在設(shè)計該標(biāo)靶時，正弦調(diào)制信號的相位分布與標(biāo) 靶上面內(nèi)各點的空間坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系是已知的，邁此被調(diào)制的面內(nèi)各點將運用所攜帶的 相位信息作為紐帶，建立攝像機像面坐標(biāo)與標(biāo)靶平面空間坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，完成攝像機的標(biāo)定。我們將這樣的標(biāo)靶稱為相位標(biāo)靶。將該相位標(biāo)靶置于攝像機現(xiàn)場，對標(biāo)靶進行拍攝，獲 取標(biāo)耙圖像；運用條紋分析方法對所獲取的圖像進行處理，計算其相位分布；通過將計算得 到的相位分布與標(biāo)靶上設(shè)計時事先已知的相位分布相比較，可建立標(biāo)靶面上各特征點與攝像 機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，從而完成高精度標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取。在該二維平面標(biāo)靶中，和空間 坐標(biāo)建立對應(yīng)關(guān)系的點，不再像傳統(tǒng)標(biāo)靶特征點那樣只是一些空間的周期稀疏點陣，而可以 將攝像機記錄的標(biāo)靶像中所有采樣點作為特征點。這樣大大豐富了參與攝像機標(biāo)定的數(shù)據(jù)， 同時也可以通過指定相位值來選擇特征點，由于特征點的高精度像方坐標(biāo)提取過程不涉及閾 值提取、不涉及中心提取、也不涉及交點提取等操作，有效避免了由此帶來的誤差，從而提 高了標(biāo)定精度。
在標(biāo)靶的特征圖像設(shè)計制作時，可以采用正(余)弦調(diào)制信號，在單一方向(x或y方向)上 構(gòu)造相位信息周期分布的二維特征圖像也可以將正(余)弦調(diào)制信號同時沿相互垂直的兩個 方向(例如正交的x和y方向)均構(gòu)造具有相位信息周期分布的二維特征圖像。這樣的二維 特征圖像，可以使用打印、印刷、光電制作或者機械制作方式制作后，將該圖像附著在平面 屏上構(gòu)成相位標(biāo)靶，也可以使用計算機生成數(shù)字特征圖像后，直接由電子顯示屏顯示構(gòu)成相 位標(biāo)靶。
對相位標(biāo)靶進行條紋分析提取相應(yīng)相位時，可以采用傅里葉條紋分析方法對圖像進行傅 里葉變換，濾波和逆傅里葉變換，然后計算出相位分布；或者利用空間相位檢測方法計算出 相位分布；另外如果所采用特征圖像的相位信息是單一方向上呈周期分布、并且是采用電子 顯示屏直接顯示，可以分別通過兩個方向上的多次(大于等于3次)相移，使用相移條紋分析 方法計算出相位分布。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點
本發(fā)明可用于各種需要對攝像機進行標(biāo)定的應(yīng)用場合，利用本發(fā)明提出的相位標(biāo)耙及其 標(biāo)定數(shù)據(jù)提取方法，可以得到高精度的標(biāo)定數(shù)據(jù)，再選用適當(dāng)?shù)臉?biāo)定算法可以完成攝像機的 標(biāo)定。該靶標(biāo)及數(shù)據(jù)提取方法有如下優(yōu)點
1) 本發(fā)明所述靶標(biāo)的制作簡單，可采用打印或印刷等方式制作空間坐標(biāo)已知的正弦強度分 布；或直接在電子顯示屏上顯示與顯示屏空間點陣對應(yīng)的正弦強度分布，作為特征圖像 產(chǎn)生相位靶標(biāo)，簡化了相位標(biāo)靶的制作過程。
2) 本發(fā)明依據(jù)相位值進行特征點提取，不受閾值和投影形變影響，因此能夠得到更高的特 征點定位精度。
3) 本發(fā)明中可以采用技術(shù)日益成熟的電子顯示屏，將特征圖像直接顯示產(chǎn)生相位標(biāo)耙。用 電子顯示屏的高精密加工工藝保證了相位標(biāo)靶的二維平面平整精度，從而確保標(biāo)定數(shù)據(jù)
4的精度。
4) 本發(fā)明中采用電子顯示屏直接顯示數(shù)字特征圖像時，數(shù)字特征圖像的正弦信號周期易于 編程控制和調(diào)整，能更有效地保證條紋分析方法的相位提取精度，從而確保標(biāo)定數(shù)據(jù)的 精度。
5) 本發(fā)明在對相位標(biāo)靶圖像進行條紋分析，提取相位分布信息時，可以用相位標(biāo)耙圖像的 調(diào)制度有效分割出特征圖像區(qū)域，從而屏蔽濾除標(biāo)靶外雜點，減少標(biāo)靶外圖像對特征點 提取的干擾。
6) 本發(fā)明的操作過程簡單，只要將標(biāo)靶放入攝像機拍攝視場后，拍攝靶標(biāo)圖像即可。當(dāng)標(biāo) 靶同時位于多個攝像機的視場中時，也有利于多個攝像機對同一世界坐標(biāo)系的統(tǒng)一。
四

圖1本發(fā)明相位標(biāo)靶的設(shè)計示意圖。 圖2本發(fā)明的相位標(biāo)靶的使用示意圖。 圖3標(biāo)定數(shù)據(jù)的提取流程圖。
五具體實施例方式
下面結(jié)合附圖、工作原理及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1為本發(fā)明相位標(biāo)靶的設(shè)計示意圖，圖2為本發(fā)明的相位標(biāo)耙的使用示意圖，本發(fā)明 包含但不限于此實施例中的內(nèi)容。將面內(nèi)各點的強度用二維余弦信號周期調(diào)制的特征圖顯示 在液晶顯示屏上形成相位標(biāo)靶。相位標(biāo)靶的兩個方向正弦條紋周期相等且已知。根據(jù)本發(fā)明 的相位標(biāo)靶特點設(shè)計了一整套的處理算法基于調(diào)制度信息的圖像區(qū)域提取，迭代相位計算
和特征點提取，算法流程如圖3所示。其中，根據(jù)權(quán)利要求3所述的靶標(biāo)表面強度函數(shù)可表
示為
/(X, 7) = a+A cos(2;rZ/ px ) + 62 cos^7 ) (1)
這里a=0.5， b尸0.25, b2=0.25, w和；^表示正弦條紋在X和Y方向上的周期，X， Y 是空間點坐標(biāo)。
將相位標(biāo)靶置于攝像機視場，對相位標(biāo)靶進行拍攝，獲取相位標(biāo)靶圖像，其強度函數(shù)可 表示為
/(t/，v)=丄(w，v)(a + 6, cos[么(m, v)]+62 cos[^v( ,v)]} (2) u和v為攝像機圖像坐標(biāo)，L(u，v)為光照度，對該圖像進行傅里葉變換，得
+a(/ ,/v-y;。)+"a,x+/vo)
5Qo(fu,fv)為零頻，Qu(fu,fv)為qu(u,v)= (1/2)b^L(u，v)exp[j似u,v)]的傅里葉變換，Qu'(fu，fv) 為其共軛，同樣Qv(fu,fv)為qv(u,v)= (1/2)b^L(u,v)exp[JA(u,v)]的傅里葉變換，Qv'(fJv)為其共 軛。選擇合適的濾波窗分離出u和v方向的基頻。再進行逆傅里葉變換可得
(4)
Wv("，v) = &2Z(w，v)exp[;>v(M,v)] 從公式4可以得到調(diào)制度分布，調(diào)制度分布體現(xiàn)了條紋的對比度，因此可以根據(jù)調(diào)制度
分布分離相位標(biāo)靶與背景圖像(僅選取U或V方向的調(diào)制度即可)
^("，力Ha(A，/;)卜仏""，v) (5)
從公式4還可以得到u和v方向的截斷相位分布，并將截斷相位展開為連續(xù)相位，根據(jù)
么、式1，可以建立相位標(biāo)靶設(shè)計時的物方坐標(biāo)與相位分布的關(guān)系，即:
/入
W (w, v) = 2;rX /+ q
(6)
這里d， C2為常數(shù)，與相位展開起始點有關(guān)。將局部世界坐標(biāo)系建立在標(biāo)靶平面上，于
是耙面上所有點的Z坐標(biāo)為0，由公式6可以確定攝像機的每個圖像單元對應(yīng)的局部世界坐 標(biāo)系中的X和Y坐標(biāo)，艮P:
fX = v);^/2;r + 、o l K —v (w， v)/ r/2;r + 、o
(7)
其中kX<)， ky()為常數(shù)，與相位展開起始點有關(guān)，在進行多攝像機系統(tǒng)標(biāo)定時，只需對每 幅圖像指定相同的相位展開起始點即可實現(xiàn)局部世界坐標(biāo)系的統(tǒng)一。在攝像機針孔模型下， 理想象素坐標(biāo)與局部世界坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系為
"[及 r]
0
1
(8)
式中s為攝像機坐標(biāo)系坐標(biāo)，乂 =
00 1
為內(nèi)部參數(shù)矩陣，/ ， /v分別為M、 V兩個方向
的焦距，c為坐標(biāo)軸的傾斜因子，vc分別為主點的圖像坐標(biāo)。R、 T為外部參數(shù)，分別表
示局部世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和偏移矩陣。再結(jié)合攝像機畸變模型，并
按照2D共面參照物攝像機標(biāo)定方法可以完成攝像機高精度標(biāo)定。
從公式7可知，特征點的空間坐標(biāo)精度與相位測量精度直接相關(guān)。根據(jù)傅里葉變換的特
點，計算得到的相位標(biāo)靶相位分布中，邊界區(qū)域的相位精度差，因此采用Gerchberg迭代方
法進行條紋外插以提高標(biāo)靶邊沿的相位測量精度。
在對一個測量系統(tǒng)進行實際標(biāo)定的實驗中，待標(biāo)定的攝像機為JAI的CV-A50，其參數(shù)為
分辨率為572X732pixels，像素尺寸為8.3X8.6nm，光學(xué)鏡頭焦距16mm。選用的正弦調(diào)制信
號的周期為3.39mm。將相位標(biāo)靶在攝像機視場內(nèi)任意擺放3個位置以上，由攝像機記錄下每個位置標(biāo)耙圖像，按照前面所述方法提取出標(biāo)定數(shù)據(jù)，再按照基于2D平面標(biāo)靶特征點的攝 像機標(biāo)定方法完成攝像機標(biāo)定。其中，最大重投影誤差小于0.12像素，重投影標(biāo)準(zhǔn)差小于0.03 像素。
權(quán)利要求
1.一種用于攝像機標(biāo)定的二維平面相位標(biāo)靶，用周期信號將特征點的空間坐標(biāo)調(diào)制到相位分布中，在獲取該相位標(biāo)靶的圖像后，用條紋分析方法計算出標(biāo)靶圖像的相位分布，再依據(jù)相位值精確定位標(biāo)靶屏上各特征點的空間坐標(biāo)，并和相位值對應(yīng)點的像方坐標(biāo)建立對應(yīng)關(guān)系，從而完成標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取，精確標(biāo)定攝像機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位標(biāo)靶，其特征在于使用正弦或余弦彩色或灰度周期信號， 在單一方向(例如x或y方向)上或者沿相互垂直的兩個方向(例如x和y方向)上編碼調(diào)制特征點的空間坐標(biāo)，將空間坐標(biāo)信息調(diào)制編碼到相位信息中，構(gòu)成空間反射率或透過 率成正弦或余弦分布的特征圖像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的相位標(biāo)靶，其特征在于使用打印、印刷、光電制作或者機 械制作方式獲得的相應(yīng)特征圖像，將該圖像附著在屏上構(gòu)成相位標(biāo)靶；或者使用計算機 生成數(shù)字特征圖像，直接由電子顯示屏顯示構(gòu)成相位標(biāo)靶。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的條紋分析方法計算相位分布，其特征在于對于獲取的相位標(biāo)靶 圖像，可以采用傅里葉條紋分析方法對圖像進行傅里葉變換，濾波和逆傅里葉變換，然 后計算出相位分布，也可以利用空間相位檢測方法計算出相位分布；如果所采用特征圖 像的相位信息是單一方向上呈周期分布的，使用電子顯示屏直接顯示，并分別通過兩個 方向上的多次(大于等于3次)相移，可以使用相移條紋分析方法計算出相位分布。
5. 根據(jù)權(quán)力要求1和2所述的標(biāo)靶屏上特征點，其特征在于在通過條紋分析方法處理攝 像機獲取的相位標(biāo)靶圖像，得到其相位分布后，可以將攝像機對標(biāo)靶的所有采樣點作為 特征點；也可以選定其中具有特定相位值的采樣點作為特征點。
6. 根據(jù)權(quán)力要求1所述的建立標(biāo)靶上各特征點空間坐標(biāo)與其像方坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，其 特征在于攝像機獲取相位標(biāo)靶圖像后，通過條紋分析方法計算得到特征圖像的相位分 布，與標(biāo)靶屏上設(shè)計時己知的相位分布相比較，再應(yīng)用相位標(biāo)靶設(shè)計時定義的相位和空 間坐標(biāo)對應(yīng)編碼關(guān)系，可以建立標(biāo)靶屏上各特征點空間坐標(biāo)與其像方坐標(biāo)之間的對應(yīng)i 系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于攝像機標(biāo)定的二維相位標(biāo)靶。它涉及計算機視覺領(lǐng)域。該領(lǐng)域中常規(guī)的標(biāo)定特征點的提取精度容易受圖像閾值和攝像機投影變換的影響而降低，為了解決這個問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是用正弦信號將每個特征點的空間坐標(biāo)編碼到特征圖像的相位信息中，制作成二維平面相位標(biāo)靶，攝像機獲取該靶標(biāo)的圖像，再利用條紋分析方法計算其相位分布，然后根據(jù)相位值建立標(biāo)靶屏上各特征點與攝像機像素點之間的對應(yīng)關(guān)系，從而完成標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取。本發(fā)明提出的平面相位標(biāo)靶，與使用特征圖像為常規(guī)的標(biāo)定特征點(如圓孔、方塊、十字叉等強度二值分布圖像)的傳統(tǒng)標(biāo)靶相比較，由于用數(shù)據(jù)信息豐富的相位分布作為紐帶，根據(jù)相位信息的連續(xù)性和可靠性，可以提供大量的標(biāo)定特征點，且特征點的高精度定位不涉及閾值提取、中心提取和交點提取操作，提高了標(biāo)定特征點的精度，使得用這種標(biāo)靶進行標(biāo)定時，其標(biāo)定結(jié)果更為準(zhǔn)確和可靠，本發(fā)明中的相位標(biāo)靶具有獲取的標(biāo)定數(shù)據(jù)精度高、標(biāo)定數(shù)據(jù)數(shù)量大、實現(xiàn)簡單、易于操作、通用性強等優(yōu)點。
文檔編號G06T7/00GK101567085SQ200910059470
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者劉元坤, 向立群, 張啟燦, 蘇顯渝 申請人:四川大學(xué)