專利名稱：物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖像處理、三維幾何建模等技術(shù)領(lǐng) 域，尤其涉及一種基于計算機(jī)立體視覺的三維幾何重建像機(jī)定標(biāo)方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
快速、便捷的建立現(xiàn)實世界中各類物體的三維幾何模型，在虛擬現(xiàn)實、計算機(jī)輔助 設(shè)計、三維地圖、數(shù)字博物館以及游戲娛樂等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，是計算機(jī)視覺的重要 研究內(nèi)容。而像機(jī)定標(biāo)技術(shù)是三維重建系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和方法之一。三維重建的方法主要可以分為手工建模、基于圖像的繪制和基于圖像的建模三 種。傳統(tǒng)手工建模效率低下；基于圖像的繪制雖然形象逼真生動，但缺乏深度信息，應(yīng)用不 便?；趫D像的三維建模技術(shù)可分為主動視覺技術(shù)和被動視覺技術(shù)兩類。主動視覺系統(tǒng)通 過系統(tǒng)主動發(fā)射并探測激光束、結(jié)構(gòu)光等，獲得目標(biāo)物體在空間的幾何信息，從而實現(xiàn)物體 的三維重建。被動視覺系統(tǒng)利用自然光照條件下的二維影像來完成三維重建，一般可分為 基于單幅影像的建模、基于立體像對的建模和基于序列影像的建模等方法。一般來說，主動 視覺系統(tǒng)重建結(jié)果精度高，但設(shè)備復(fù)雜、成本高，使用維護(hù)復(fù)雜；而被動視覺系統(tǒng)不僅設(shè)備 要求低，而且效率高、操作簡便，應(yīng)用廣泛。主動視覺系統(tǒng)和方法方面，基于結(jié)構(gòu)光的三維重建方法是研究熱點之一。專利申 請?zhí)枮?3153504的中國專利使用相位和立體視覺技術(shù)，將光柵投射到物體表面上，進(jìn)而實 現(xiàn)物體三維表面輪廓測量。在被動視覺系統(tǒng)和方法方面，基于影像序列的三維重建方法是研究熱點之一?；?于影像序列的三維重建系統(tǒng)，需要獲取同一物體不同視角下的影像序列，需要對獲取影像 序列的相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)定標(biāo)，有的方法還需要對影像進(jìn)行分割處理以獲取影像中需要重 建的目標(biāo)。基于序列影像的三維重建方法由許多具體步驟組成，包含目標(biāo)物體的序列影像的 獲取和輸入，相機(jī)定標(biāo)，目標(biāo)物體的分割，三維空間點獲取、物體表面重建以及紋理映射等。 影像序列可以通過一定布局下多個相機(jī)獲取，也可通過同一相機(jī)圍繞目標(biāo)依據(jù)一定規(guī)則采 集目標(biāo)的多視圖影像序列；或者相機(jī)不動，轉(zhuǎn)動目標(biāo)物體以獲得目標(biāo)物體的多視角影像?；谟跋裥蛄械娜S重建方法中，一個重要的技術(shù)步驟是攝像機(jī)的定標(biāo)問題。通 常，相機(jī)的定標(biāo)方法包括使用專用定標(biāo)物的相機(jī)定標(biāo)方法、利用場景中的平行線或二次曲 線進(jìn)行定標(biāo)的方法以及相機(jī)自定標(biāo)方法等。專利公開號CN101320483的中國專利是一種使用手工相機(jī)定標(biāo)的三維重建方法。 該系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)平臺，將待重建物體放置于旋轉(zhuǎn)平臺上，通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)平臺獲取影像序列， 進(jìn)而重建物體的三維模型。該方法首先對攝像機(jī)進(jìn)行手工定標(biāo)，獲取旋轉(zhuǎn)平臺未旋轉(zhuǎn)時的 攝像機(jī)投影矩陣，并對該投影矩陣進(jìn)行分解，獲取攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣及未旋轉(zhuǎn)時的外參數(shù) 矩陣；其次，通過旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)前的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，獲取旋轉(zhuǎn)了任意角度的攝像機(jī)投 影矩陣；然后，通過兩個角度或多個角度所拍攝物體的圖片信息及此時的攝像機(jī)投影矩陣獲取物體的空間三維信息?；谑止は鄼C(jī)定標(biāo)方式的三維重建系統(tǒng)效率低下，并且限制了 物體的大小和重量，也不能應(yīng)用于不便移動的物體的三維重建。專利公開號CN101320473的中國專利涉及一種自由多視角的三維重建方法。該方 法由一臺CCD攝像機(jī)、一臺裝配有圖像采集卡的計算機(jī)和一塊平面定標(biāo)模板組成。該方法 采用單個平面定標(biāo)模板定標(biāo)相機(jī)。該平面定標(biāo)模板中央繪有兩個同心圓和八條延長線經(jīng)過 圓心的直線段，用于定標(biāo)攝像機(jī)參數(shù)。該方法要求將重建目標(biāo)物體固定于定標(biāo)模板中央，手 托模板帶動重建對象在一臺位置固定的攝像機(jī)的視野和景深范圍內(nèi)作自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行 圖像采集，并同時進(jìn)行相機(jī)定標(biāo)和物體三維重建?；趩味?biāo)模板以及物體固定于模板之 上的定標(biāo)與重建方式，限制了重建物體的大小，且不能應(yīng)用于不便移動的物體的三維重建。專利公開號為CN101320473的中國專利涉及一種不使用定標(biāo)板的車載攝像機(jī)外 部參數(shù)三線定標(biāo)方法。該方法針對基于視覺導(dǎo)航的智能車輛車載攝像機(jī)定標(biāo)問題，利用現(xiàn) 成的工具箱進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)定標(biāo)，根據(jù)透視投影原理，三條平行線在圖像平面上具有相同的 消失點和不同的斜率，而攝像機(jī)的外部參數(shù)與消失點和斜率有著內(nèi)在的聯(lián)系，經(jīng)過數(shù)學(xué)推 導(dǎo)和坐標(biāo)變換，能夠建立以像素為單位的攝像機(jī)外部參數(shù)表達(dá)式。在像素坐標(biāo)系內(nèi)，以手工 或自動的方式確定平行線交點和另外三點的坐標(biāo)后，可計算出所需參數(shù)。該方法可用于公 路、運(yùn)動場跑道或?qū)ｉT畫的平行線的場所。專利公開號為CN101706957A的中國專利涉及一種雙目立體視覺裝置的自定標(biāo)方 法，該方法采用基于絕對對偶二次曲面的自定標(biāo)技術(shù)，從兩幅視圖恢復(fù)兩攝像機(jī)的內(nèi)、外參 矩陣。該方法先進(jìn)行雙目立體視覺裝置采集得到的兩幅視圖間的對應(yīng)點的匹配；再根據(jù)對 應(yīng)點匹配關(guān)系實現(xiàn)射影重建；根據(jù)對攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的先驗約束，定標(biāo)出射影空間到度量空 間的變換矩陣；最后計算出兩攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)矩陣。自定標(biāo)方法的算法穩(wěn)定性和算法效 率往往取決于擬重建物體及其環(huán)境的紋理豐富程度及亮度。對于紋理過多或過少的場景， 由于得不到足夠的問題匹配特征而無法實現(xiàn)自定標(biāo)過程。此外，由于遮擋等原因帶來的特 征誤匹配問題，影響了相機(jī)定標(biāo)精度和可靠性。從上面所列舉的實現(xiàn)系統(tǒng)和國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，實現(xiàn)物體三維重建需要涉 及多方面的技術(shù)。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)和方法還存在一些缺點和不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的是提出一種對環(huán)境要求和目標(biāo)物體大小重量限制程度較低的物 體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法和系統(tǒng)，解決現(xiàn)有三維重建技術(shù)所存在的不適用于較大較重 或者不適宜搬動物體的三維重建的問題，因而可以解決難以將基于定標(biāo)物的三維重建技術(shù) 應(yīng)用于上述這些物體的問題，從而拓展了基于影像的三維重建技術(shù)的應(yīng)用范圍。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其步驟包括1. 1)在包含擬重建三維物體的場景中布置一個或一個以上經(jīng)編碼的定標(biāo)模板；1. 2)通過相機(jī)采集擬重建三維物體的系列影像；1. 3)對影像序列進(jìn)行處理，得到可見的各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的影像坐標(biāo)；1. 4)根據(jù)所述影像坐標(biāo)獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。優(yōu)選地，所述定標(biāo)模板為圓板，具有一外緣，和一內(nèi)緣線；模板中心點向外延伸含5多個位于內(nèi)緣線外的定標(biāo)點的射線，同一條放射線上的點構(gòu)成一個定標(biāo)點組，每一定標(biāo)點 組中，從內(nèi)緣線向外數(shù)起的定標(biāo)點的序號稱為定標(biāo)點層數(shù)；處于同一層的各個定標(biāo)點位于 同一個圓周之上，每一定標(biāo)點組由具有不同半徑的點組成，采用大小點編碼排列的方式區(qū) 分同不同的模板以及同一個模板中不同的定標(biāo)點組。優(yōu)選地，所述定標(biāo)點由具有兩種不同半徑的點組成，以靠近定標(biāo)模板的外緣的特 定層數(shù)的定標(biāo)點大小編碼區(qū)分定標(biāo)點組，以除模板外部特定層數(shù)的定標(biāo)點之外的其他定標(biāo) 點編碼區(qū)分不同的定標(biāo)模板。優(yōu)選地，在上述定標(biāo)方法中，將一定標(biāo)模板置于擬重建物體之下，且該物體不覆蓋 該定標(biāo)模板的任一定標(biāo)點，各影像中可見至少特定個數(shù)的完整的定標(biāo)點組。優(yōu)選地，在上述定標(biāo)方法中，將兩個或兩個以上定標(biāo)模板置于擬重建物體的附近， 各影像中可見至少兩模板的至少特定個數(shù)的完整的定標(biāo)點組。優(yōu)選地，步驟1. 3)可通過下列方法對影像進(jìn)行處理6. 1)提取影像中的橢圓；6. 2)構(gòu)造影像中可見的各模板的各個定標(biāo)點組；6. 3)按空間鄰近關(guān)系聚合所述定標(biāo)點組，確定各模板的組成；6. 4)依據(jù)模板的幾何約束和模板定標(biāo)點組的編碼約束關(guān)系，剔除不可靠的點組。其中，步驟6. 1)可通過下列方法進(jìn)行7. 1)對于序列影像中的每一幅影像，進(jìn)行影像閾值化分割；7. 2)對閾值分割后的圖像，提取非嵌套輪廓；7. 3)依據(jù)定標(biāo)模板在影像中的比例約束，剔除過大和過小的輪廓，獲得候選輪廓 集；7.4)對候選輪廓集，將侯選輪廓擬合為橢圓，并計算出橢圓的中心、長短軸和軸 向，將橢圓中心點坐標(biāo)集合成為各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的候選點集。其中，步驟6. 2)可通過下列方法進(jìn)行8. 1)對于所述定標(biāo)點的候選點集，進(jìn)行平面點集的Delaimay三角剖分，構(gòu)造出候 選點集Delaunay網(wǎng)；8. 2)依據(jù)點集的Delaimay剖分以及輪廓間距比約束，計算各點的最近鄰近點；8. 3)根據(jù)直線約束、等間距約束，刪除不處于同一直線上的鄰近點；8. 4)依據(jù)鄰近點鄰接關(guān)系，構(gòu)造定標(biāo)點組；8. 5)依據(jù)定標(biāo)點組的點數(shù)約束，對構(gòu)造的所述定標(biāo)點組進(jìn)行篩選；識別出影像序 列中可見的各模板的各個點組。其中，步驟6. 3)可通過下列方法進(jìn)行9. 1)計算每一點組的覆蓋區(qū)，其覆蓋范圍是以其長度為邊長，以其線段中點為中 心的正方形；9. 2)將覆蓋區(qū)域交疊的兩個點組合并成一個區(qū)域；9. 3)將覆蓋區(qū)域交疊兩個區(qū)域合并成一個區(qū)域；9. 4)重復(fù)上述步驟，直至沒有新的合并產(chǎn)生；9. 5)檢測區(qū)域個數(shù)，該數(shù)目即是影像中的模板個數(shù)，每個非交疊區(qū)域所包含的點 組為構(gòu)成該模板的點組。
其中，步驟6. 4)可通過下列方法進(jìn)行10. 1)計算模板區(qū)域內(nèi)各點組擬合直線間的最小均方誤差交點，作為該區(qū)域所包 含的定標(biāo)模板的中心點Cm ；10. 2)對每一點組，依據(jù)該組內(nèi)各點與中心點Cm的相對位置關(guān)系，對該點組重新 排序；對該區(qū)域的各個點組，均使用相同的排序原則進(jìn)行排序；10. 3)將區(qū)域內(nèi)各組最外層點，擬合為一個橢圓Ep ；10. 4)將橢圓Ep，射影變換為以橢圓Ep的長半軸為半徑，以橢圓Ep的幾何中心為 原點的圓；10. 5)以步驟10. 4)的單應(yīng)變換參數(shù)，對區(qū)域內(nèi)各點進(jìn)行單應(yīng)變換；10. 6)依據(jù)步驟10. 5)所獲得點的位置，計算各點組上點對原點的線對位置，確定 各點組的相對位置關(guān)系；10. 7)計算各點組的編碼；10. 8)根據(jù)編碼和點組的相對位置關(guān)系這一約束條件，篩選點相互矛盾因而不可 靠的編組。本發(fā)明還提供一種物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一組相機(jī)定標(biāo)模 板，可布置于擬重建物體的周圍；一個相機(jī)，用于獲取一系列包含擬重建物體和定標(biāo)模板場 景的影像；一個相機(jī)定標(biāo)處理單元，用于對該系列影像進(jìn)行影像分析、幾何處理和相機(jī)定 標(biāo)，獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。優(yōu)選地，所述定標(biāo)模板為圓板，具有一外緣線，和一內(nèi)緣線；模板中心點向外延伸 含多個位于內(nèi)緣線外的定標(biāo)點的射線，同一條放射線上的點構(gòu)成一個定標(biāo)點組，每一定標(biāo) 點組中，從內(nèi)緣線向外數(shù)起的定標(biāo)點的序號稱為定標(biāo)點層數(shù)；處于同一層的各個定標(biāo)點位 于同一個圓周之上，每一定標(biāo)點組由具有不同半徑的點組成。和現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明方法或系統(tǒng)進(jìn)行物體三維建模將在以下方面產(chǎn)生有 益的效果。1.可對大、中、小型物體，固定或可移動物體，進(jìn)行三維模型重建。解決了現(xiàn)有的 基于定標(biāo)物的相機(jī)定標(biāo)方法中對擬重建物體大小重量或者移動性的限制問題，拓寬應(yīng)用范 圍；2.本發(fā)明中，相機(jī)定標(biāo)模板是一種平面模板，且模板的布局無特殊要求，算法可 靠、使用方便；3.本發(fā)明的相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可在室內(nèi)、室外等多種場合使用，對物體所處 環(huán)境的要求小，使用范圍廣泛；4.本發(fā)明的相機(jī)定標(biāo)過程可以和三維重建過程同步進(jìn)行，相機(jī)定標(biāo)過程無需額外 的操作或人工干預(yù)，對三維重建過程無附加影響，重建過程簡單、自然；


圖1是根據(jù)本發(fā)明具體實施例的三維幾何建模像機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；圖2示出了本發(fā)明的像機(jī)定標(biāo)模板基本結(jié)構(gòu)；其中1-定標(biāo)模板；11-模板外緣； 12-模板內(nèi)緣；2-定標(biāo)點；21-外層定標(biāo)點；22-內(nèi)層定標(biāo)點；3-定標(biāo)點組；31-模板識別編 碼組；32-組識別編碼組；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明具體實施例的第一類像機(jī)定標(biāo)模板；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明具體實施例的第二類像機(jī)定標(biāo)模板；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明具體實施例的第三類像機(jī)定標(biāo)模板；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明具體實施例的第一種像機(jī)定標(biāo)模板布局方式；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明具體實施例的第二種像機(jī)定標(biāo)模板布局方式。
具體實施例方式下面通過具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為具體的描述。下述實施例提供了一種相機(jī)定標(biāo)方法，總的來說，該方法包括以下幾個方面定標(biāo) 模板編碼方法，用于對大、中、小型物體三維重建時定標(biāo)模板的識別；定標(biāo)模板布局及影像 采集方法，用于在包含擬重建三維物體的場景中布置定標(biāo)模板并獲取一系列影像；影像處 理方法，對采集獲取的影像進(jìn)行處理，得到影像中所有可見定標(biāo)模板的定標(biāo)點輪廓；定標(biāo)點 識別方法，用于從輪廓集中識別并區(qū)分出模板定標(biāo)點、模板定標(biāo)點組；模板識別方法，用于 識別同一影像中包含幾個模板，并識別構(gòu)成各模板的定標(biāo)點組，并依據(jù)模板識別結(jié)果和模 板編碼方法，獲得各個模板定標(biāo)點的坐標(biāo)；單模板相機(jī)定標(biāo)方法，用于基于單一模板確定相 機(jī)內(nèi)外參數(shù)的相機(jī)相對定標(biāo)方法；多模板定標(biāo)方法，用于通過各個定標(biāo)模板聯(lián)合定標(biāo)相機(jī) 的內(nèi)外參數(shù)。其中，對影像進(jìn)行的處理主要包括以下幾個方面影像分析方法，對從影像采集設(shè) 備獲取的影像進(jìn)行處理，獲得所有可見模板中的定標(biāo)點的輪廓；模板定標(biāo)點識別方法，用于 從影像中的輪廓集中識別并區(qū)分出模板定標(biāo)點、模板定標(biāo)點組；模板識別方法，用于從模板 定標(biāo)點組集合中區(qū)分并識別出同一影像中不同的定標(biāo)模板，以及各模板由哪些模板定標(biāo)點 組構(gòu)成，并依據(jù)模板識別結(jié)果和模板編碼方法，獲得各個模板定標(biāo)點的坐標(biāo)。本實施例提供了一種確定影像中各個定標(biāo)點坐標(biāo)的方法，用于每幅影像的相機(jī)定 標(biāo)。該方法以系列模板中的任意一個模板為空間坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)，通過同一定標(biāo)模板布局的 多視圖約束和各個定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的平面坐標(biāo)約束，組成約束方程組，使用光束法平 差，獲取各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的空間坐標(biāo)。同時，可獲取參與光束法平差的各視圖的相機(jī) 定標(biāo)參數(shù)。在本實施例中，相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)包括一組相機(jī)定標(biāo)模板，布置于待重建物體的周 圍，用于相機(jī)定標(biāo)；一個便攜式影像獲取裝置，用于獲取一系列自由拍攝的包含擬重建物體 和定標(biāo)模板場景的影像；一個相機(jī)定標(biāo)處理單元，包括影像分析、定標(biāo)點識別、模板識別、單 模板相機(jī)定標(biāo)和多模板相機(jī)定標(biāo)等部件，對該系列影像進(jìn)行影像分析、幾何處理和相機(jī)定 標(biāo)，獲得各個影像相應(yīng)的相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。具體來說，圖1是根據(jù)本實施例的三維幾何建模相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的方框 圖。如圖1所示，影像獲取裝置101可以是數(shù)字相機(jī)，用于攝取擬重建三維物體和定標(biāo)模板 場景的一系列影像；影像處理裝置102，用于對采集獲取的影像進(jìn)行處理，得到影像中所有 可見定標(biāo)模板的定標(biāo)點的輪廓；定標(biāo)點識別裝置103，用于對影像處理步驟獲取的定標(biāo)點 輪廓進(jìn)行處理，得到各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的坐標(biāo)；模板識別裝置104，用于識別并區(qū)分同 一影像中的各個定標(biāo)模板；單模板相機(jī)定標(biāo)裝置105，用于基于單一模板確定相機(jī)內(nèi)外參 數(shù)的相機(jī)相對定標(biāo)方法；模板定標(biāo)點空間定位裝置106，用于確定定標(biāo)點的空間坐標(biāo)；多模8板定標(biāo)裝置107，用于通過各個定標(biāo)模板定標(biāo)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。<定標(biāo)模板>本實施例中，相機(jī)定標(biāo)采用多個平面定標(biāo)模板來實現(xiàn)。每個定標(biāo)模板基本結(jié)構(gòu)如 圖2所示。模板中，每個黑點稱為定標(biāo)點。從模板中心向外同一條放射線上的點構(gòu)成一個 點組，稱為定標(biāo)點組。每個定標(biāo)點組中，點的個數(shù)稱為定標(biāo)點層數(shù)。處于同一層的各個定標(biāo) 點位于同一個圓周之上。同一模板上各層定標(biāo)點構(gòu)成的圓周同心，同心圓周的原點稱為定 標(biāo)模板中心。本實施例中，采用大小兩種不同半徑的圓點作為定標(biāo)點，采用大小點編碼排列 的方式區(qū)分同不同的模板以及同一個模板中不同的定標(biāo)點組。具體地，采用靠近定標(biāo)模板 的外緣的四層定標(biāo)點大小編碼區(qū)分定標(biāo)點組，采用除模板外部四層定標(biāo)點之外的其他定標(biāo) 點編碼區(qū)分不同的定標(biāo)模板。下面詳細(xì)敘述本實施例中，定標(biāo)模板的幾何約束關(guān)系以及模 板的編碼方法。<定標(biāo)模板的幾何關(guān)系>1.模板個數(shù)Np Np = {1|2|4|8}(1)2.每個模板內(nèi)的點組個數(shù)Ng 8 ^ Ng ^ 16(2)3.每個點組內(nèi)定標(biāo)點個數(shù) 4 ^ Nd ^ 7(3)4.定標(biāo)模板內(nèi)緣半徑r。r0 = IOrdot(4)其中，rd。t是模板中半徑較大的定標(biāo)點的半徑；5.定標(biāo)模板外緣半徑rw rw = r0+3*(Nd+l)*rdot(5)6.各定標(biāo)點相對于模板中心Cm的平面坐標(biāo){xd，yd}按下式計算xd = Rr*cos α(6)yd = Rr*sina(7)其中，艮是模板中第r層定標(biāo)點中心到模板中心Cm的歐氏距離，α是模板中心至 定標(biāo)點中心的射線與模板水平軸正向(圖2所示的水平射線)的夾角。其中，Rr = r0+3r*rdot(8)a = (l+2g)*Ji/Ng(9)其中，r = 1,2,......， ，是該點所在模板的層數(shù)，g = 1,2,......，Ng，是該點所在模板內(nèi)的組數(shù)。<定標(biāo)模板的編碼方法>模板中，用大定標(biāo)點代表1，用小定標(biāo)點表示0，考慮到本實施例使用4層點來區(qū)分 點組，使用0-3層點來區(qū)分不同模板。為了保證模板區(qū)分算法的穩(wěn)定性，模板上最外四層點 用于模板內(nèi)的點組編碼。因此，每一模板中可區(qū)分的點組個數(shù)是24= 16個；每個模板上， 除外部四層點用于模板內(nèi)編碼外，其余各層用于區(qū)分同一模板系列中的各個模板。因此，當(dāng) 模板定標(biāo)點層數(shù)只有四層時，該模板系列僅僅包含一個模板，如圖3所示；當(dāng)模板定標(biāo)點層 數(shù)為五層時，該模板系列由兩個模板組成，如圖4所示；余此類推，如圖5所示。
<定標(biāo)模板布局>本實施例中，由于使用多定標(biāo)模板，定標(biāo)模板與擬重建物體之間的相對擺放位置 可以有兩種布局方式。第一種方式是將一張定標(biāo)模板置于擬重建物體之下，如圖6所示。采用該方式的 前提是，該物體是可移動、便于移動的物體，且該物體置于定標(biāo)模板之上后，不會覆蓋定標(biāo) 模板的任何定標(biāo)點。第二種方式是將兩張或多張定標(biāo)模板置于擬重建物體的附近，如圖7所示。該布 局方式適合于擬重建物體不可移動或者不便于移動，或者擬重建物體過大等情形。這種布 局的基本要求是，自由拍攝場景的多角度視圖時，應(yīng)保證同一影像包含至少兩個定標(biāo)模板 的大部分定標(biāo)點?！从跋瘾@取方式〉無論哪種布局方式，影像采集時可自由移動相機(jī)獲得多個視角的影像。對于單定 標(biāo)模板布局，影像中至少可見到兩個完整的定標(biāo)點組。對于多定標(biāo)模板布局，每個影像至少 有兩個模板中的各自兩個完整定標(biāo)點組可見?！从跋裉幚怼当咎幚聿襟E是針對每一幅影像，提取影像中可能的定標(biāo)點的輪廓。其基本步驟 是①對于序列影像中的每一幅影像，進(jìn)行影像閾值化分割；②對閾值分割后的圖像，提取非嵌套輪廓。③依據(jù)定標(biāo)模板在影像中的比例約束，剔除過大和過小的輪廓，獲得候選輪廓 集；④對候選輪廓集，將侯選輪廓擬合為橢圓，并計算出橢圓的中心、長短軸和軸向。 橢圓中心點坐標(biāo)集合成為候選點集；〈模板定標(biāo)點識別〉本處理過程是對每一幅影像，依據(jù)影像處理步驟獲取的候選定標(biāo)點集，確定可能 的模板定標(biāo)點組集合，并由定標(biāo)點組集合確定影像中各個定標(biāo)模板以及定標(biāo)模板所包含的 定標(biāo)點組。在模板定標(biāo)點識別過程中，本方法依據(jù)模板設(shè)計的幾何約束關(guān)系，剔除非定標(biāo)點 或不可靠的定標(biāo)點以及不完整的定標(biāo)點組。其基本步驟是①對于影像處理步驟中獲得的定標(biāo)點候選點集，進(jìn)行平面點集的Delaimay三角 剖分，構(gòu)造出候選點集Delaimay網(wǎng)；②依據(jù)點集的Delaimay剖分以及輪廓間距比約束，計算各點的最近鄰近點；③根據(jù)直線約束、等間距約束，刪除不處于同一直線上的鄰近點；④依據(jù)鄰近點鄰接關(guān)系，構(gòu)造標(biāo)定點組；⑤依據(jù)定標(biāo)點組的點數(shù)約束，對步驟④生成的點組進(jìn)行篩選；至此，構(gòu)造出了影像中可見的各模板的各個點組。〈模板識別〉對于已識別出的標(biāo)定點組，需要進(jìn)一步處理，將其聚合到各自所屬的定標(biāo)模板中 去，同時獲得影像中的不同定標(biāo)模板及其組成，確定模板內(nèi)模板定標(biāo)點組的相對關(guān)系，計算 出各個模板定標(biāo)點的編碼及坐標(biāo)。10
本具體實施例中，定標(biāo)點組按空間鄰近關(guān)系進(jìn)行聚合，確定各模板的組成，具體的 算法是①計算每一點組的覆蓋區(qū)。其覆蓋范圍是以其長度為邊長，以其線段中點為中心 的正方形；②將覆蓋區(qū)域交疊的兩個點組合并成一個區(qū)域；③將覆蓋區(qū)域交疊兩個區(qū)域合并成一個區(qū)域；④重復(fù)步驟②和步驟③，直至沒有新的合并產(chǎn)生；⑤檢測區(qū)域個數(shù)，該數(shù)目即是影像中的模板個數(shù)，每個非交疊區(qū)域所包含的點組 就是構(gòu)成該模板的點組。本具體實施例中，依據(jù)模板設(shè)計的幾何約束和模板定標(biāo)點編碼約束關(guān)系，剔除不 可靠的點組。其基本方法是①計算模板區(qū)域內(nèi)各點組擬合直線間的最小均方誤差交點，作為該區(qū)域所包含的 定標(biāo)模板的中心點Cm ；②對每一點組，依據(jù)該組內(nèi)各點與中心點Cm的相對位置關(guān)系，對該點組重新排序； 對該區(qū)域的各個點組，均使用相同的排序原則進(jìn)行排序；③將區(qū)域內(nèi)各組最外層點，擬合為一個橢圓& ；④將橢圓&，射影變換為以橢圓&的長半軸為半徑，以橢圓&的幾何中心為原點 的圓；⑤以步驟④的單應(yīng)變換參數(shù)，對區(qū)域內(nèi)各點進(jìn)行單應(yīng)變換；⑥依據(jù)步驟⑤所獲得點的位置，計算各點組上點對原點的線對位置，確定各點組 的相對位置關(guān)系；⑦計算各點組的編碼；⑧根據(jù)編碼和點組的相對位置關(guān)系這一約束條件，篩選點相互矛盾因而不可靠的 編組；經(jīng)過上述步驟，即可獲得可靠的模板定標(biāo)點理論位置，即理論平面坐標(biāo)；<基于單個模板的像機(jī)定標(biāo)方法>下面描述多模板定標(biāo)系統(tǒng)中僅僅基于一個模板的模板定標(biāo)點完成像機(jī)定標(biāo)的方法。設(shè)像機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)采用Ttl，T1,…，T1共1個定標(biāo)模板構(gòu)成的定標(biāo)模板系統(tǒng)實現(xiàn)像機(jī) 定標(biāo)。其中，每個定標(biāo)模板由r個模板定標(biāo)點組成?；趩蝹€模板的像機(jī)定標(biāo)算法的基本 算法步驟是①將定標(biāo)模板系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系設(shè)定為基于定標(biāo)模板Ttl，模板Ttl的所有模板定標(biāo) 點的空間坐標(biāo)由模板Ttl的平面坐標(biāo)經(jīng)過簡單變換關(guān)系直接獲得。②如果影像中可同時識別模板Tn以及另一個模板Tk，并且模板Tn的空間坐標(biāo)已經(jīng) 獲得，而模板Tk的空間坐標(biāo)未知，則可通過Tn的模板定標(biāo)點空間坐標(biāo)、由Tn計算獲得的像 機(jī)定標(biāo)參數(shù)以及模板定標(biāo)點之間的幾何約束，確定出模板Tk定標(biāo)點的空間坐標(biāo)。由于模板 定標(biāo)點之間的幾何約束，模板Tk僅僅由三個平移和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)所唯一確定?？紤]到模板 Tk上模板定標(biāo)點有r個，其影像坐標(biāo)< (XJ)和空間坐標(biāo)Pi (Xi, Yi, Zi)滿足投影變換
權(quán)利要求
1. 一種物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其步驟包括1.1)在包含擬重建三維物體的場景中布置一個或一個以上經(jīng)編碼的定標(biāo)模板；1. 2)通過相機(jī)采集擬重建三維物體的系列影像；1.3)對影像序列進(jìn)行處理，得到可見的各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的影像坐標(biāo)； 1.4)根據(jù)所述影像坐標(biāo)獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于所述定標(biāo)模板 為圓板，具有一外緣，和一內(nèi)緣線；模板中心點向外延伸含多個位于內(nèi)緣線外的定標(biāo)點的射 線，同一條放射線上的點構(gòu)成一個定標(biāo)點組，每一定標(biāo)點組中，從內(nèi)緣線向外數(shù)起的定標(biāo)點 的序號稱為定標(biāo)點層數(shù)；處于同一層的各個定標(biāo)點位于同一個圓周之上，每一定標(biāo)點組由 具有不同半徑的點組成，采用大小點編碼排列的方式區(qū)分同不同的模板以及同一個模板中 不同的定標(biāo)點組。
3.如權(quán)利要求2所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于定標(biāo)點由具有 兩種不同半徑的點組成，以靠近定標(biāo)模板的外緣的特定層數(shù)的定標(biāo)點大小編碼區(qū)分定標(biāo)點 組，以除模板外部特定層數(shù)的定標(biāo)點之外的其他定標(biāo)點編碼區(qū)分不同的定標(biāo)模板。
4.如權(quán)利要求2或3所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于將一定標(biāo)模 板置于擬重建物體之下，且該物體不覆蓋該定標(biāo)模板的任一定標(biāo)點，各影像中可見至少特 定個數(shù)的完整的定標(biāo)點組。
5.如權(quán)利要求2或3所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于將兩個或兩 個以上定標(biāo)模板置于擬重建物體的附近，各影像中可見至少兩模板的至少特定個數(shù)的完整 的定標(biāo)點組。
6.如權(quán)利要求1所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于步驟1.3)通過下 列方法對影像進(jìn)行處理6. 1)提取影像中的橢圓；6. 2)構(gòu)造影像中可見的各模板的各個定標(biāo)點組；6. 3)按空間鄰近關(guān)系聚合所述定標(biāo)點組，確定各模板的組成；6.4)依據(jù)模板的幾何約束和模板定標(biāo)點組的編碼約束關(guān)系，剔除不可靠的點組。
7.如權(quán)利要求6所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于步驟6.1)通過下 列方法進(jìn)行7. 1)對于序列影像中的每一幅影像，進(jìn)行影像閾值化分割； 7. 2)對閾值分割后的圖像，提取非嵌套輪廓；7. 3)依據(jù)定標(biāo)模板在影像中的比例約束，剔除過大和過小的輪廓，獲得候選輪廓集；7.4)對候選輪廓集，將侯選輪廓擬合為橢圓，并計算出橢圓的中心、長短軸和軸向，將 橢圓中心點坐標(biāo)集合成為各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的候選點集。
8.如權(quán)利要求7所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于步驟6.2)通過下 列方法進(jìn)行8. 1)對于所述定標(biāo)點的候選點集，進(jìn)行平面點集的Delaimay三角剖分，構(gòu)造出候選點 _ Delaunay N ；8. 2)依據(jù)點集的Delaimay剖分以及輪廓間距比約束，計算各點的最近鄰近點； 8. 3)根據(jù)直線約束、等間距約束，刪除不處于同一直線上的鄰近點；8.4)依據(jù)鄰近點鄰接關(guān)系，構(gòu)造定標(biāo)點組；8.5)依據(jù)定標(biāo)點組的點數(shù)約束，對構(gòu)造的所述定標(biāo)點組進(jìn)行篩選；識別出影像序列中 可見的各模板的各個點組。
9.如權(quán)利要求8所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于步驟6.3)通過下 列方法進(jìn)行9. 1)計算每一點組的覆蓋區(qū)，其覆蓋范圍是以其長度為邊長，以其線段中點為中心的 正方形；9. 2)將覆蓋區(qū)域交疊的兩個點組合并成一個區(qū)域；9. 3)將覆蓋區(qū)域交疊兩個區(qū)域合并成一個區(qū)域；9.4)重復(fù)上述步驟，直至沒有新的合并產(chǎn)生；9.5)檢測區(qū)域個數(shù)，該數(shù)目即是影像中的模板個數(shù)，每個非交疊區(qū)域所包含的點組為 構(gòu)成該模板的點組。
10.如權(quán)利要求9所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法，其特征在于步驟6.4)通過 下列方法進(jìn)行10. 1)計算模板區(qū)域內(nèi)各點組擬合直線間的最小均方誤差交點，作為該區(qū)域所包含的 定標(biāo)模板的中心點Cm ；10. 2)對每一點組，依據(jù)該組內(nèi)各點與中心點Cm的相對位置關(guān)系，對該點組重新排序； 對該區(qū)域的各個點組，均使用相同的排序原則進(jìn)行排序；10. 3)將區(qū)域內(nèi)各組最外層點，擬合為一個橢圓4 ；10. 4)將橢圓&，射影變換為以橢圓&的長半軸為半徑，以橢圓&的幾何中心為原點 的圓；10. 5)以步驟10. 4)的單應(yīng)變換參數(shù)，對區(qū)域內(nèi)各點進(jìn)行單應(yīng)變換；10. 6)依據(jù)步驟10. 5)所獲得點的位置，計算各點組上點對原點的線對位置，確定各點 組的相對位置關(guān)系；10. 7)計算各點組的編碼；10.8)根據(jù)編碼和點組的相對位置關(guān)系這一約束條件，篩選點相互矛盾因而不可靠的編組。
11.一種物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括一組相機(jī)定標(biāo)模板， 可布置于擬重建物體的周圍；一個相機(jī)，用于獲取一系列包含擬重建物體和定標(biāo)模板場景 的影像；一個相機(jī)定標(biāo)處理單元，用于對該系列影像進(jìn)行影像分析、幾何處理和相機(jī)定標(biāo)， 獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)系統(tǒng)，其特征在于所述定標(biāo)模板 為圓板，具有一外緣線，和一內(nèi)緣線；模板中心點向外延伸含多個位于內(nèi)緣線外的定標(biāo)點的 射線，同一條放射線上的點構(gòu)成一個定標(biāo)點組，每一定標(biāo)點組中，從內(nèi)緣線向外數(shù)起的定標(biāo) 點的序號稱為定標(biāo)點層數(shù)；處于同一層的各個定標(biāo)點位于同一個圓周之上，每一定標(biāo)點組 由具有不同半徑的點組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物體三維幾何重建相機(jī)定標(biāo)方法和系統(tǒng)，屬于計算機(jī)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括在包含擬重建三維物體的場景中布置一個或一個以上經(jīng)編碼的定標(biāo)模板；通過相機(jī)采集擬重建三維物體的系列影像；對影像序列進(jìn)行處理，得到可見的各定標(biāo)模板中各定標(biāo)點的影像坐標(biāo)；根據(jù)所述影像坐標(biāo)獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。所述系統(tǒng)包括一組相機(jī)定標(biāo)模板，可布置于擬重建物體周圍；一個相機(jī)；一個相機(jī)定標(biāo)處理單元，用于對該系列影像進(jìn)行影像分析、幾何處理和相機(jī)定標(biāo)，獲得相機(jī)定標(biāo)參數(shù)。本發(fā)明可用于計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖像處理、三維幾何建模等技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G06T7/00GK102054276SQ20101060603
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者汪國平, 王宇宙 申請人:北京大學(xué)