使用相離的雙球像與正交消失點標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺領(lǐng)域，涉及一種利用相離的雙球像與正交消失點求解拋物 折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 計算機(jī)視覺的中心任務(wù)就是對圖像進(jìn)行理解，而它的最終目標(biāo)是使計算機(jī)具有通 過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力。這種能力將不僅使機(jī)器能感知包括形狀、姿態(tài)、運(yùn)動 等在內(nèi)的三維環(huán)境中物體的幾何信息，而且能對它們進(jìn)行描述、存儲、識別與理解。攝像機(jī) 標(biāo)定就是確定從三維空間點到它的二維圖像點之間的映射關(guān)系，它是許多計算機(jī)視覺應(yīng)用 必不可少的步驟。為了確定這一映射過程，需要建立攝像機(jī)的幾何成像模型，幾何模型的參 數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)，攝像機(jī)參數(shù)可分為內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)兩類。內(nèi)參數(shù)描述成像系統(tǒng)的成像 幾何特性，外參數(shù)描述成像系統(tǒng)關(guān)于世界坐標(biāo)系的方向和位置。攝像機(jī)標(biāo)定可分為傳統(tǒng)標(biāo) 定、自標(biāo)定和基于幾何實體的標(biāo)定。無論哪種標(biāo)定方法，都旨在建立二維圖像與攝像機(jī)內(nèi)參 數(shù)之間的約束關(guān)系，特別是線性約束關(guān)系，這是目前攝像機(jī)標(biāo)定所追求的目標(biāo)，也是目前計 算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點之一。
[0003] 拋物折反射攝像機(jī)由一個拋物鏡面和一個正交攝像機(jī)組成，它的成像視野大，是 全景視覺領(lǐng)域研究的熱點之一。文獻(xiàn)"Catadioptric self-calibration"，（Kang S. B.， Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, vol. 1，pp. 201-207，2000.)提出了一種折反射攝像機(jī)自標(biāo)定方法，這類方法的優(yōu)點是不需要 使用標(biāo)定塊，缺點是必須獲得圖像之間的對應(yīng)點。而在計算機(jī)視覺中，實現(xiàn)一個十分有效的 尋找對應(yīng)點的方法是很困難的。文獻(xiàn)"Geometric properties of central catadioptric line images and their application in calibration'，，(Barreto J. P. , Araujo H., IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 27, no.8, pp. 1327-1333, 2005)研究了中心折反射攝像機(jī)下直線的像的幾何性質(zhì)，并將這些性質(zhì)應(yīng) 用于中心折反射攝像機(jī)的標(biāo)定。文獻(xiàn)"A new linear algorithm for calibrating central catadioptric cameras'，，（Wu F.，Duan F. , Hu Z. et al. , Pattern Recognition, vol. 41，no. 10，pp. 3166-3172，2008)介紹了對拓點和對拓像點，導(dǎo)出了空間中的一個點在 視球上的投影和它的折反射圖像點之間的關(guān)系，使用這個關(guān)系建立了中心折反射攝像機(jī)內(nèi) 參數(shù)的線性約束，通過此線性約束即可獲得中心折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。文獻(xiàn)" Cal ibrat i on of central catadioptric cameras using a DLT-like approach'，，（Puig L.，Bastanlar Y., Sturm P. , et al. International Journal of Computer Vision, vol. 93, no. 1, pp. 101-114, 2011)提出了一種基于三維控制點的標(biāo)定方法，通過使用Veronese映射對 三維點和其圖像點的坐標(biāo)進(jìn)行了擴(kuò)展，在擴(kuò)展坐標(biāo)的基礎(chǔ)上基于DLT(直接線性變換）一一 相似方法實現(xiàn)了中心折反射攝像機(jī)的標(biāo)定，但是這類方法需要已知三維點的位置，并且容 易從圖像中提取其圖像點。
[0004] 球作為一種常見的幾何體，其最重要的優(yōu)點在于無自身遮擋，從任何一個方向 看空間中一個球的封閉輪廓線總是一個圓，并且它的投影輪廓線可全部提取。由于球具 有豐富的視覺幾何特性，因此利用球進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定已成為近年來的一個熱點。文獻(xiàn)αCatadioptric camera calibration using geometric invariants''，（Ying X.，Hu Z., IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 26, no. 10, pp. 1260-1271，2004)首次提出了利用球標(biāo)定中心折反射攝像機(jī)。他們證明了球在中心 折反射攝像機(jī)的單位球投影模型下的像為橢圓，并且在非退化情況下一個球的投影二次曲 線提供兩個不變量。為了降低求解的復(fù)雜度，他們提出了一種分步標(biāo)定方法，該方法至少需 要4個球的投影才能完成攝像機(jī)的標(biāo)定。但是該文獻(xiàn)提出的標(biāo)定方法是非線性的，計算的 復(fù)雜度較高，并且該標(biāo)定方法只能標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)的部分內(nèi)參數(shù)。文獻(xiàn)"Identical projective geometric properties of central catadioptric line images and sphere images with applications to calibration''，（Ying X. , Zha H. , International Journal of Computer Vision，vol. 78，no. 1，pp. 89-105，2008)介紹了修正絕對二次 曲線的像（MI AC )在中心折反射攝像機(jī)標(biāo)定中的作用。他們通過研究球在中心折反射攝像 機(jī)下的像與MIAC的幾何與代數(shù)關(guān)系提出了兩種線性標(biāo)定算法。它們得出的結(jié)論對于對偶 形式也是成立的。但是這篇文獻(xiàn)中的理論和標(biāo)定方法對于拋物折反射攝像機(jī)的情況是退化 的。文獻(xiàn)''八 calibration method for paracatadioptric camera from sphere images'，， (Duan H., ffu Y., Pattern Recognition Letters, vol. 33, no. 6, pp. 677-684, 2012) 基于圓環(huán)點理論提出了一種利用對拓球像標(biāo)定拋物折反射攝像機(jī)的線性方法。但是這篇文 獻(xiàn)中關(guān)于圓環(huán)點的像的選取比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種制作簡單，適用廣泛，穩(wěn)定性好的利用靶標(biāo)求解拋物折反射攝 像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，該靶標(biāo)由空間的雙球構(gòu)成，并且在像平面的投影是相離的。在求解拋物 折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的過程中，需使用拋物折反射攝像機(jī)拍攝靶標(biāo)的1幅圖像便可線性求 解出拋物折反射攝像機(jī)的5個內(nèi)參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 本發(fā)明是由雙球構(gòu)成的靶標(biāo)，并且雙球在拋物折反射攝像機(jī)像平面的投影是相離 的，用于求解拋物折反射攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的方法，其特征在于僅利用球元素。首先，從該幅 圖像中提取鏡面輪廓投影的邊緣點和靶標(biāo)圖像邊緣點，使用最小二乘法擬合獲得鏡面輪 廓投影和雙球的像。其次，根據(jù)像點和其對拓像點的關(guān)系獲得對拓像點，從而估計雙球 像的對拓球像，并求解雙球像的交點及其對拓球像的交點，再根據(jù)球像的虛交點與對拓 球像的虛交點對應(yīng)形成的四組虛對拓像點確定正交消失點。最后，利用正交消失點對攝 像機(jī)內(nèi)參數(shù)的約束求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。具體的步驟包括：擬合鏡面輪廓投影方程及靶 標(biāo)投影方程，估計雙球像的對拓球像，確定正交消失點，求解拋物折反射攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)
[0007] 1.擬合鏡面輪廓投影方程及靶標(biāo)投影方程 利用Matlab程序中的函數(shù)提取鏡面輪