基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法
2023-05-12 04:01:21 1
基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於鏡頭畸變規律利用同心圓環進行投影儀區域標定的方法，它在解決了光學鏡頭畸變處理不足問題的同時，解決了目前視場擴大時標定精度不高的問題。首先利用DLP投影儀將特殊設計的棋盤格圖像投射到平面標定板上，並用CCD相機捕獲包含粘貼棋盤和投影棋盤的標定物圖像；多次變換平面標定板的位置，獲得多副標定物圖像；依據鏡頭的畸變規律，以標定物圖像中心為圓心，計算各角點到圓心的距離，再比較其與給定的半徑值的大小，以此來劃分同心圓環區域；基於每一圓環區域標定相機，再利用其標定參數對投影棋盤數據進行畸變校正，進而用於投影儀標定，獲得相應區域的投影儀內外參數，對所有圓環區域重複以上操作即可完成投影儀的標定。
【專利說明】基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機視覺【技術領域】，特別涉及一種基於鏡頭畸變規律的投影儀標定 方法。
【背景技術】
[0002] 為了獲取投影儀物平面(投影儀中空間光調製器平面，以下簡稱物平面）二維點與 實際物理空間三維點的對應關係，需要對投影儀進行標定。所謂標定，其主要目的是求出投 影儀的內部幾何和光學特性（也即內部參數），以及其相對於空間坐標系的位置關係（也即 外部參數）。
[0003] 投影儀的光學結構與具有遠心光學結構的相機相同，但光路相反，因此可以認為 投影儀的光學模型是一個具有相反光路的相機系統，故通常把投影儀看做是"逆向"的相 機，從而藉助相機的標定原理來完成投影儀的標定。
[0004] 傳統的標定方法包括直接線性變換標定法（DLT)、徑向排列約束（RAC)標定法 和平面標定法等。Abdal-Aziz和Karara於70年代初提出直接線性變換標定法，該方法 把理想針孔模型作為投影儀的成像模型，以此建立線性方程組，其包含了投影儀的標定參 數。但是，在設計、加工和組裝光學鏡片等過程中不可避免的會導致鏡頭非線性畸變，當 鏡頭畸變明顯時，線性模型無法準確地描述投影儀的成像過程，這時在標定過程中需要引 入畸變因子進行校正。Tsai在文獻（A versatile camera calibration technique for high-accuracy3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation，1987, RA-3 (4) :323-344)中提出基 於徑向排列約束的兩步標定法，由於考慮了徑向畸變，在系統標定方面取得了很大的進步。 在此基礎上，張正友採用二維標定物，在文獻（A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 200 0, 22 (11) : 1330-1334)中提出平面標定法，提供了一種快速的相機標定方法，為測量系統的 速度提高奠定了基礎。
[0005] 但是，現有技術中存在如下問題：
[0006] 1)直接線性變換標定法，採用理想針孔模型，忽略了鏡頭畸變，只適合視野較小的 情況；
[0007] 2)徑向排列約束兩步標定法，只考慮一階徑向畸變，而忽略了其它非線性畸變因 素，只適合於精度要求不高的測量；
[0008] 3)考慮各種畸變因素時，把整個視場的畸變看成是一致的，不適合大視場光學測 量系統。
[0009] 其實，光學系統是以光軸對稱的，其光軸即為系統的徑向對稱中心，系統的特性函 數隻與距該對稱中心的距離有關。也就是說，假設光學鏡頭各向同性，而且物象空間媒質均 勻，則像的失真程度是關於光學中心對稱的，即在光學中心處畸變量為零，在其他位置，畸 變量隨著像元位置和光學中心的距離的變化而變化，但在以光學中心為圓心，半徑相等的 圓周上，畸變量可以近似看成是不變的。不管是上述的徑向畸變還是在設計、加工、裝配等 過程中造成的鏡頭切向畸變和偏心畸變，都與距對稱中心的距離有關。本發明正是針對現 有標定技術的如上問題和基於光學鏡頭的畸變規律，根據實際應用的要求，尋找到了一種 準確、快捷、簡便的標定方法，適合於大視場光學系統的精密測量，並且能很好地解決上面 的問題。
【發明內容】
：
[0010] 本發明目的在於提供一種依據光學鏡頭畸變規律，基於同心圓環進行投影儀區域 標定的方法。該方法通過簡單步驟精確地求取投影儀的內部參數和外部參數，提高了標定 精度，在整個標定過程中無需輔助設備。
[0011] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：本發明提供了一種基於鏡頭畸變規 律的投影儀標定方法，根據鏡頭的畸變規律可知：以光學中心為圓心，半徑相等的圓周上畸 變量近似相同，不同半徑圓周上畸變量不同；畸變會造成圖像的變形，但從物空間到像空 間，二者之間仍存在一一對應的映射關係；變形不會使圖像變模糊即不影響圖像的清晰度。 上述規律為本發明提供了實施條件。本發明提出的技術方案是基於鏡頭畸變規律標定投影 儀，以半徑r作為參數劃分同心圓環，分區域標定，以得到每個區域的標定參數值，以便於 畸變校準、計算三維坐標、恢復三維形貌。
[0012] 本發明所述的標定方法包括以下步驟：
[0013] 步驟1 :列印棋盤格圖像，然後將其粘貼在一個平面板的左邊(或右邊)，製成平面 標定板；
[0014] 步驟2 :把平面標定板置入相機和投影儀組成的系統視場內，將數據處理電腦生 成的編碼棋盤投射到平面標定板上，形成投影棋盤，且使其不要和粘貼棋盤重合；
[0015] 所述中數據處理電腦生成的編碼棋盤是：左邊是白色，右邊是棋盤格(或者左邊是 棋盤格，右邊是白色)。
[0016] 步驟3 :用CCD相機拍攝標定板，獲得標定物圖像；
[0017] 所述中拍攝的標定物圖像包含粘貼棋盤和投影棋盤，且兩者不重合，並儘量以圖 像中心對稱。
[0018] 步驟4 :不斷變換標定板的位置，重複步驟2和步驟3,得到多幅標定物圖像，並送 入數據處理電腦進行處理；
[0019] 步驟5 :對每一幅圖像進行分區域操作，把用於標定的基礎數據劃分在不同的圓 環區域內；
[0020] 所述步驟5中劃分圓環區域操作包括如下步驟：
[0021] 步驟51 :檢測粘貼棋盤角點和投影棋盤角點；
[0022] 所述的檢測角點的方法是指：利用Harris角點檢測算法對棋盤內角點進行粗定 位，進而計算其亞像素精確位置，從而得到準確的角點坐標。
[0023] 步驟52 :以標定物圖像中心為圓點0,分別計算粘貼棋盤各角點到圓心的距離和 投影棋盤各角點到圓心的距離，並保存在R1和R2中；
[0024] 步驟53 :根據實際需要，給定半徑rl、r2、r3、……，比較R1中各元素值與半徑 rl、r2、r3、……的大小關係，從而把R1中各元素所對應的角點坐標劃分在圓環區域areal、 area2、area3、......中；
[0025] 步驟54 :同上半徑rl、r2、r3、......，比較R2中各元素值與半徑rl、r2、r3、...... 的大小關係，從而把R2中各元素所對應的角點坐標劃分在圓環區域areal'、area2'、 area3,......中；
[0026] 步驟6 :以各個同心圓環區域為單位，分區域標定投影儀。
[0027] 所述步驟6中分區域標定投影儀包括如下步驟：
[0028] 步驟61 :使用areal中的粘貼棋盤角點數據標定相機，得到此區域的相機參數 camera1 ；
[0029] 步驟62 :利用標定結果cameral對areal'中的投影棋盤角點數據進行畸變校準；
[0030] 步驟63 :使用校準後的數據，並結合cameral，對投影儀進行標定，得到areal'區 域的投影儀參數projectorl ;
[0031] 步驟64 :重複步驟61-63,對各個區域進行投影儀標定，以此完成投影儀的分區域 標定。
[0032] 有益效果：
[0033] 1、本發明充分考慮到光學鏡頭的畸變影響，並根據畸變規律，對標定圖像劃分同 心圓環區域，簡單、方便地獲得投影儀的內部參數和外部參數，並提高了標定精度；
[0034] 2、本發明採用特殊設計的投影圖案，輕易地實現了相機和投影儀標定圖案的分 離，不必再經過複雜的圖像處理過程，避免了圖像處理中可能產生的各種誤差；
[0035] 3、本發明原理簡單、操作靈活，不僅適用於在線標定，而且適用於大視場條件下的 精密測量；
[0036] 4、本發明不需要特製的標定物以及繁瑣的圖像坐標匹配過程，能夠實現全自動標 定。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0037] 圖1為本發明所提出的標定方法在分為兩個區域時的流程圖； 標識說明：b-代表粘貼棋盤世界坐標；b_ll-表示小於r部分；b_12-表示大於r部 分；i-表示粘貼棋盤圖像坐標；P-表示投影棋盤圖像坐標；pb-表示投影棋盤世界坐標； pb_ll-表不小於r部分；pb_12-表不大於r部分；
[0038] 圖2為本發明所涉及的光學鏡頭的畸變模型圖；
[0039] 圖3為本發明所使用的投影圖像；
[0040] 圖4為本發明所提出的標定思想的示意圖；
[0041] 圖5為本發明中利用相機標定結果標定投影儀的計算流程圖。
【具體實施方式】：
[0042] 以下結合說明書附圖對本發明創造作進一步的詳細說明。
[0043] 為了更好地理解本發明，下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進 一步描述。本實施例僅用於描述本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，基於本 發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0044] 本發明具體步驟的流程圖如圖1所示，應用本發明進行投影儀標定的具體步驟如 下：
[0045] 步驟1 :首先把棋盤格作為特徵點，製作平面標定板。使用A4紙列印一張9X11的 黑白棋盤格圖像，並粘貼在平面板的左側（以下簡稱粘貼棋盤)，製作平面標定板；
[0046] 步驟2 :調整並固定好相機和投影儀，並將標定板放置在系統視域範圍內，組建測 量系統；
[0047] 步驟3 :基於開源圖像處理庫OpenCv平臺生成編碼圖像，其為左邊是白色右邊是 11 X 11的黑白棋盤格，如附圖3所示，並通過投影儀投射到平面標定板上，使白色部分正好 覆蓋在左側的粘貼棋盤上，右側形成投影棋盤圖像，並使兩者不重合；
[0048] 步驟4 :用CCD相機拍攝標定板，得到包含粘貼棋盤和投影棋盤的標定物圖像，如 圖4所示，並確保成像清晰；
[0049] 步驟5 :不斷變換標定板的位置，重複步驟4,得到多幅標定物圖像，並送入數據處 理電腦進行處理；
[0050] 步驟6 :對每一幅標定物圖像進行分區域操作，把用於標定的基礎數據劃分到不 同的圓環區域內，具體步驟如下：
[0051] 步驟6. 1 :在獲得了標定物圖像後，利用角點提取算法提取粘貼棋盤的角點，並將 其值作為特徵點在相機圖像坐標系中的像素坐標；
[0052] 所述的角點提取算法包括Harr i s提取算法、SIFT提取算法等。但由於Harr i s角點 提取法操作簡便，在此利用其進行角點提取時能夠保證檢測的準確性，故，這裡使用Harris 角點提取算法進行角點的粗定位，再根據有關峰值點位置將其精確到亞像素級精度。其中 Harris角點提取算法的原理與現有技術中的相同；
[0053] 步驟6.2 :同上，利用角點提取算法提取投影棋盤的角點，並將其值作為投影特徵 點在相機圖像坐標系中的像素坐標；
[0054] 步驟6. 3 :以標定物圖像中心為圓點0,在實施例中其坐標值為（960, 540)，分別計 算粘貼棋盤各角點像素坐標到圓點〇的歐式距離和投影棋盤各角點像素坐標到圓心〇的歐 式距離，並保存在數組矩陣R1和R2中；歐式距離計算公式如下所示：
[0055]
【權利要求】
1. 一種基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟： 步驟1 :列印棋盤格圖像，然後將其粘貼在一個平面板的左邊(或右邊)，製成平面標定 板； 步驟2 :把平面標定板置入相機和投影儀組成的系統視場內，將數據處理電腦生成的 編碼棋盤投射到平面標定板上，形成投影棋盤，且使其不要和粘貼棋盤重合； 步驟3 :用CCD相機拍攝標定板，獲得標定物圖像； 步驟4 :不斷變換標定板的位置，重複步驟2和步驟3,得到多幅標定物圖像，並送入數 據處理電腦進行處理； 步驟5 :對每一幅圖像進行分區域操作，把用於標定的基礎數據劃分在不同的圓環區 域內； 步驟6 :以各個同心圓環區域為單位，分區域標定投影儀。
2. 根據權利要求1所述的基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於：所述步 驟6是基於鏡頭畸變規律的區域標定，其使用於投影儀和相機。
3. 根據權利要求1所述的基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於：所述步 驟2中的數據處理電腦形成的棋盤格圖像：左邊是白色，右邊是棋盤格圖案；或者左邊是棋 盤格圖案，右邊是白色；在投射時，調整投影儀位置，使其空白的部分覆蓋在粘貼棋盤上面。
4. 根據權利要求1所述的基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於：所述步 驟3中的標定物圖像包含粘貼棋盤和投影棋盤，且兩者不重合，並儘量以圖像中心對稱。
5. 根據權利要求1所述的基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於，所述步 驟5的標定物圖像劃分圓環區域的步驟如下： 步驟51 :檢測並提取粘貼棋盤角點和投影棋盤角點； 步驟52 :設定標定物圖像中心為圓心，計算粘貼棋盤各角點到圓心的距離和投影棋盤 各角點到圓心的距離； 步驟53 :根據實際需要確定半徑個數和半徑值，通過比較粘貼棋盤角點到圓心的距離 和半徑的大小來劃分圓環區域； 步驟54 :同上半徑個數和半徑值，通過比較投影棋盤角點到圓心的距離和半徑的大小 來劃分圓環區域。
6. 根據權利要求1所述的基於鏡頭畸變規律的投影儀標定方法，其特徵在於，所述的 分區域標定投影儀的步驟如下： 步驟61 :利用每一區域的粘貼棋盤數據標定相機，獲得相機的內部參數、畸變參數和 外部參數； 步驟62:使用相機的內部參數和畸變參數對同一圓環區域的投影棋盤數據進行畸變 校正； 步驟63 :使用去畸變的投影棋盤數據和相機標定參數標定投影儀，獲得投影儀的內部 參數、畸變參數和外部參數； 步驟64 :對所有圓環區域重複步驟61-63,即可完成投影儀的區域標定。
【文檔編號】G06T7/00GK104299218SQ201310301055
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月17日 優先權日:2013年7月17日
【發明者】高志強, 陳會, 密保秀 申請人:南京郵電大學