專利名稱：一種基于多項式投影模型的長焦相機(jī)標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)視覺領(lǐng)域中長焦相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定方法，具體來說是根據(jù)多幅拍攝的標(biāo)定板圖像進(jìn)行長焦鏡頭相機(jī)內(nèi)參和外參求取的方法。
背景技術(shù)：
長焦相機(jī)通常用于攝影測量領(lǐng)域，其主要特點是關(guān)注特定物體，對遠(yuǎn)處景物細(xì)節(jié)有放大功能。長焦相機(jī)相對于普通相機(jī)有以下幾個特點
1)景深淺。由于長焦鏡頭關(guān)注的是遠(yuǎn)處景物的細(xì)節(jié)，所以只在有限范圍內(nèi)有清晰的成
相；
2)視角小。比較窄的視角是由長焦距決定的，這樣在有效的成相范圍內(nèi)，細(xì)節(jié)可以更加關(guān)出;
3)透視效果差。因為長焦相機(jī)存在將遠(yuǎn)處物體放大拉近的視覺效果，壓縮了空間縱深距離，所以不滿足透視?；陂L焦相機(jī)的這些特性，文獻(xiàn)I (Stamatopoulos, C. “Orientationand calibration of long local length cameras m digital close-rangephotogrammetry” · PhD thesis, Engineering - Geomatics, The Universityof Melbourne. 2011)和文獻(xiàn) 2(Tetsu 0N0, Shin-ichi AKAMATSU and SusumuHATT0RI, ”A Long Range Photogrammetric Method With Orthogonal ProjectionMo de I, In terna ti onal Archives of Pho t gramme try Remote Sensing and SpatialInformation Science, volume 35, plOlO-1015, 2004)等利用正交投影模型描述長焦相機(jī)的成像來進(jìn)行標(biāo)定和測量。但是，該模型忽略了景物光軸方向的縱向深度，僅僅局限于視場很窄(〈10°)的鏡頭，并不適用于不同焦距長度(焦距>50mm)的長焦相機(jī)。實際上，長焦鏡頭的真實成像模型更近似于依據(jù)不同的焦距在近似透視和近似正交投影之間變化。根據(jù)文獻(xiàn) 3(D. Scaramuzza, A. Martinelli, and R. Siegwart,iK ilexible tecnnique for accurate omnidirectional camera calibration andstructure from motion, ’’Proceedings of IEEE International Conference on ComputerVision Systems, 2006.)的分析,鏡頭的成像都可以用泰勒展開的多項式模型近似。分析發(fā)現(xiàn)，這ー特性同樣適用于長焦鏡頭。因此，為了更好地適用于不同的長焦相機(jī)，我們采用了靈活性較強(qiáng)的多項式投影模型來描述投影過程。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有標(biāo)定方法的不足，針對長焦相機(jī)的特點，本發(fā)明的目的在于提供ー種多項式的投影模型，用于描述長焦相機(jī)的成相，而不拘泥于相機(jī)的其他參數(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下
一種基于多項式投影模型的長焦相機(jī)標(biāo)定方法，該方法包括以下步驟(I)使用長焦相機(jī)拍攝ー組棋盤格標(biāo)定板圖像，圖像個數(shù)記為m，其中標(biāo)定板格子的尺寸已知。以標(biāo)定板為世界坐標(biāo)系的
= O平面，依據(jù)標(biāo)定板建立世界坐標(biāo)系Ow-^fwZw ,已知標(biāo)定板上も方向直線個數(shù)為h,4方向直線個數(shù)為4。則標(biāo)定板上所有角點的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為
Xw = iX^'J = (A^f, rj/, O)へ i = 1,2, - - タ=1,2, - - ■ /ぃ f = 1,2, - -. 4};
其中i為圖像的編號，(P’め為點的位置標(biāo)號。(2)在圖像上標(biāo)記標(biāo)定板上所有角點位置，根據(jù)Harris角點提取方法在一定的搜索窗ロ范圍內(nèi)對所有的角點進(jìn)行精確定位，得到對應(yīng)像素坐標(biāo)系下的點集坐標(biāo)，
標(biāo)記為Xiw = ( 2 = (af4つ J = X2,--\m,p = l,2,---!krq = l,2,--iv}。(3)計算內(nèi)參通過分解世界坐標(biāo)系下Xtf和像素坐標(biāo)系下L之間的單應(yīng)
性矩陣H1，可以得到焦距f=UxJ；f ,圖像中心c =hj,vQf的初始值。然后利用
多項式投影模型將^反投影到相機(jī)坐標(biāo)下的単位球面上，得到對應(yīng)的球面坐標(biāo)X3 = (XSi =Zfff, i = l,2,-,rnrp=l, 2,-ik,q = l2,-g
利用三維空間直線投影在球面上為ー個大圓的性質(zhì)，對內(nèi)參進(jìn)行優(yōu)化。(4)計算外參通過分解世界坐標(biāo)系下Xw和圖像坐標(biāo)系O-職下點坐標(biāo)
^ ===之間的單應(yīng)性矩陣112，得到旋
轉(zhuǎn)矩陣11 = 4, , ]和平移向量T = [4, ,的初始估計值，其中1br2 r3為H的列向量。利
用球面上點的重投影誤差對每幅圖的旋轉(zhuǎn)矩陣R，平移向量T進(jìn)行優(yōu)化；
(5)利用多幅圖像中圖像點的重投影誤差，對內(nèi)參和每幅圖像的外參進(jìn)行全局優(yōu)化。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明提出一種長焦相機(jī)的標(biāo)定方法，針對長焦相機(jī)的特性，提出了基于多項式投影模型的標(biāo)定方法。該算法兼顧了抗噪性能、操作復(fù)雜度要求低，不需要對環(huán)境做特殊的設(shè)置，且適合于不同參數(shù)的長焦相機(jī)標(biāo)定。


圖I是本發(fā)明的總體流程 圖2是相機(jī)成像系統(tǒng)不同坐標(biāo)系關(guān)系不意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)ー步的描述。圖1給出了長焦相機(jī)標(biāo)定方法的技術(shù)流程。該流程包括內(nèi)參和外參的標(biāo)定。長焦相機(jī)標(biāo)定包括以下五個部分 獲取多幅成像清晰的棋盤格標(biāo)定板圖像；Φ Harris角點提取在姆幅圖像上標(biāo)記標(biāo)定板上所有角點位置,利用Harris角點提取方法，自動提取角點，得到圖像上的對應(yīng)點集；@內(nèi)參計算利用透視模型的內(nèi)參計算方法得到焦距f，圖像中心C和投影模型系數(shù)k的初始結(jié)果，然后依據(jù)直線在球面上的投影特性對內(nèi)參進(jìn)行優(yōu)化外參計算利用圖像坐標(biāo)系下點和世界坐標(biāo)系下點之間的單應(yīng)性矩陣
得到·π τ的初始值，然后依據(jù)在球面上的投影誤差進(jìn)行優(yōu)化；藝多幅圖像全局優(yōu)化利用
多幅圖像中所有圖像點的重投影誤差，對所有的待標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化。I、拍攝多幅清晰的標(biāo)定板圖像。使用長焦相機(jī)拍攝ー組棋盤格標(biāo)定板圖像，格子的尺寸已知，要求圖像上板子上的每個角點都清晰可見。以標(biāo)定板為世界坐標(biāo)系的4 = 0平面,水平直線方向為ズW正方
向，豎直直線方向為·正方向，由此建立世界坐標(biāo)系XuJwZw。已知標(biāo)定板上JTw方向
直線個數(shù)為4，方向直線個數(shù)為4，則標(biāo)定板上所有角點的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為
權(quán)利要求
1.一種基于多項式投影模型的長焦相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟(I)使用長焦相機(jī)拍攝一組棋盤格標(biāo)定板圖像，圖像個數(shù)記為m，其中標(biāo)定板格子的尺寸已知；以標(biāo)定板為世界坐標(biāo)系的Zw = O平面，依據(jù)標(biāo)定板建立世界坐標(biāo)系,已知標(biāo)定板上Xw方向直線個數(shù)為h，^方向直線個數(shù)為;則標(biāo)定板上所有角點的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為 其中i為圖像的編號，(P^)為點的位置標(biāo)號； 步驟(2)在圖像上標(biāo)記標(biāo)定板上所有角點位置，根據(jù)Harris角點提取方法在一定的搜索窗口范圍內(nèi)對所有的角點進(jìn)行精確定位，得到對應(yīng)像素坐標(biāo)系％-&義下的點集坐標(biāo)，標(biāo)記為Xw = {x*j =,1 = 1,2,= 2,---lA,q = 1,2,---Iv)； 步驟(3)計算內(nèi)參通過分解世界坐標(biāo)系下X和像素坐標(biāo)系下&之間的單應(yīng)性矩陣H1 ,可以得到焦距f = [U, f ,圖像中心e =[吟,V。f的初始值；然后利用多項式投影模型將反投影到相機(jī)坐標(biāo)下的單位球面上，得到對應(yīng)的球面坐標(biāo)Xj = {Xf/ =Zlff’i = \X-、m’P = \’2,--4k,q = \’X---Q, 利用三維空間直線投影在球面上為一個大圓的性質(zhì)，對內(nèi)參進(jìn)行優(yōu)化；步驟(4)計算外參通過分解世界坐標(biāo)系下Xw和圖像坐標(biāo)系O-職下點坐標(biāo)Χ ===之間的單應(yīng)性矩陣 H2,得到旋轉(zhuǎn)矩陣Η = [Γ ιΓ2 Γ3]和平移向量T = 為f的初始估計值，其中I^r2,F3Sr的列向量；利用球面上點的重投影誤差對每幅圖的旋轉(zhuǎn)矩陣:R，平移向量T進(jìn)行優(yōu)化； 步驟(5)利用多幅圖像中圖像點的重投影誤差，對內(nèi)參和每幅圖像的外參進(jìn)行全局優(yōu)化。 .2.2、根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多項式投影模型的長焦相機(jī)標(biāo)定方法，其特征在于所述的步驟(3)計算內(nèi)參的具體方法為 設(shè)標(biāo)定板為世界坐標(biāo)系下A = O平面，則世界坐標(biāo)系下由標(biāo)定板構(gòu)成的點隼Xw和圖像平面上像素坐標(biāo)系下&間存在單應(yīng)性矩陣H1，H1為外參和內(nèi)參的耦合結(jié)果；假設(shè)初始的投影模型為透視模型，可以依據(jù)現(xiàn)有的成熟方法通過分解!^得到f，c ;通過f，c，得到對應(yīng)的圖像坐標(biāo)系下的點坐標(biāo)*； JC和XM的轉(zhuǎn)換關(guān)系為針對長焦相機(jī)，采用多項式投影模型，表示為r = g(&) = k^+h-β2 +k-β3 +k^&4 +k5&s其中k = 為為為f為投影模型系數(shù)，5為相機(jī)坐標(biāo)系下入射光線和Zi軸之間的夾角，即入射角y為3￡到(的距離，表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多項式投影模型的長焦相機(jī)標(biāo)定方法?，F(xiàn)有的方法多采用正交投影模型，對焦距參數(shù)限定較大，可適用范圍窄。本發(fā)明采用一種新的投影模型來描述長焦相機(jī)的投影過程，將圖像上的點轉(zhuǎn)化到球面上，根據(jù)直線在球面上的投影性質(zhì)進(jìn)行內(nèi)參優(yōu)化。通過球面上點和標(biāo)定板上點的投影關(guān)系，求出外參，最終對內(nèi)參和外參進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。本發(fā)明對于不同焦距的長焦鏡頭具有普遍適用性，兼具抗干擾性強(qiáng)、實驗設(shè)備簡單、精度較高、靈活性較強(qiáng)的特點。
文檔編號G06T7/00GK102622744SQ20121001357
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者劉濟(jì)林, 林穎, 龔小謹(jǐn) 申請人:浙江大學(xué)