[发明专利]利用三个两两不同心圆求解摄像机内参数

说明书

技术领域

本发明属于计算机研究领域，涉及一种用于求解摄像机内参数的三个两两不同心圆靶标。利用场景中任意的已知圆心的三个两两不同心的圆，通过求解三幅图像上的消失线的方程，然后确定圆环点的像的坐标，从而确定摄像机内参数。

背景技术

计算机视觉理论的研究目的是从二维图像中恢复三维物体可见表面的几何结构，这一过程称为三维重建。空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数，而求解摄像机参数的过程称为摄像机标定。摄像机标定结果的好坏直接决定着三维重建结果以及其他计算机视觉应用效果的好坏，所以，摄像机的标定方法具有重要的理论研究意义和重要的实际应用价值。到目前为止，已有许多摄像机标定方法，广义上摄像机标定可以分为三种类型：传统的摄像机标定方法、基于主动视觉的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。其中传统的标定方法可以使用于任意的摄像机模型，标定精度高，但是标定过程复杂，需要高精度的已知结构信息，在实际应用中很多情况下无法使用标定块；基于主动视觉的标定方法通常可以线性求解，鲁棒性比较高，但是不能使用于摄像机运动未知和无法控制的场合；自标定方法利用图像之间的点对应信息来获得摄像机内参数，不需要知道场景中物体的几何信息，是一种相对比较容易实现的摄像机标定方法。摄像机标定是计算机视觉领域里从二维图像获取三维信息的基本要求，是完成许多视觉工作必不可少的步骤，随着摄像机的普及，许多非视觉专业人士需要有一种简易、灵活的标定方法帮助他们完成与视觉有关的工作。针对这一情况，很多学者进行了大量的研究，促进了摄像机标定方法的发展，其中，基于平面模板的摄像机标定方法发展也非常迅速。文献“A flexible new technique for camera calibration”，(ZhengyouZhang，IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，vol.22，no.11，pp.1330-1334，2000.)提出了平面标定方法，该方法是介于传统标定方法和自标定方法之间的一种方法，它避免了传统方法设备要求高，操作繁琐的缺点，但是却需要确定模板上点阵的物理坐标以及图像和模板之间的点的匹配，这给不熟悉计算机视觉的使用者带来了不便。文献“A new easy camera calibration technique based on circular points”，(Xiaoqiao Meng，Zhanyi Hu，Pattern Recognition，vol.36，no.5，pp.115-1164，2003.)提出了平面圆标定方法，该方法和上一方法方法相比，虽然所用的模板不同，但是过程相似，并且该方法是基于曲线的拟合，不需要任何匹配即可完成标定，该方法首次将射影几何中圆环点的定义应用到了摄像机标定中来，此后，学者们研究了大量基于平面圆的摄像机标定方法，文献“Camera calibration using two concentric circles”，(Abad F，Camahort E，Vivo R，In Proceeding of ICIAR’04：International Conference on Image Analysis andRecognition，pp.688-696，2004.)使用了两个同心圆进行了摄像机标定，文献“Geometricand algebraic constraints of projected concentric circles and their application tocamera calibration”，(Kim J S，Grudjos P，Kweon I S，IEEE Trans.Pattern Anal.Vol.27，no.4，pp.637-642，2005.)研究了同心圆的几何和代数约束，并将它们应用在了摄像机标定中，文献“利用二次曲线拟合和圆环点进行摄像机标定”，(胡钊政，谈正，西安交通大学学报，vol.40，no.10，pp.1065-1068，2006.)利用两个圆心与半径未知的相交圆实现了摄像机标定，文献“一种基于共面圆的摄像机自标定算法”，(赵征，张广军，魏振忠，光电子.激光，vol.20，no.12，pp.1576-1579，2009.)提出了一种基于自由移动平面圆靶标的摄像机自标定算法，该方法利用欧式空间中平面模板上的不变量作为约束，采用非线性优化技术估计摄像机内参数，文献“基于两相同圆的自标定方法”，(张虎，达飞鹏，李勤，仪器仪表报，vol.31，no.3，pp.618-624，2010.)分析了两个相同圆的内外公切线的性质，并将其应用到了摄像机标定中。