[发明专利]一种基于多项式投影模型的长焦相机标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域中长焦相机的参数标定方法，具体来说是根据多幅拍摄的标定板图像进行长焦镜头相机内参和外参求取的方法。

背景技术

长焦相机通常用于摄影测量领域，其主要特点是关注特定物体，对远处景物细节有放大功能。

长焦相机相对于普通相机有以下几个特点：

1)景深浅。由于长焦镜头关注的是远处景物的细节，所以只在有限范围内有清晰的成相；

2)视角小。比较窄的视角是由长焦距决定的，这样在有效的成相范围内，细节可以更加突出；

3)透视效果差。因为长焦相机存在将远处物体放大拉近的视觉效果，压缩了空间纵深距离，所以不满足透视。

基于长焦相机的这些特性，文献1(Stamatopoulos, C. “Orientation and calibration of long focal length cameras in digital close-range photogrammetry”. PhD thesis, Engineering - Geomatics, The University of Melbourne.2011)和文献2(Tetsu ONO, Shin-ichi AKAMATSU and Susumu HATTORI,”A Long Range Photogrammetric Method With Orthogonal Projection Model”,International Archives of Photgrammetry Remote Sensing and Spatial Information Science, volume 35, p1010-1015,2004)等利用正交投影模型描述长焦相机的成像来进行标定和测量。但是，该模型忽略了景物光轴方向的纵向深度，仅仅局限于视场很窄(<10^o)的镜头，并不适用于不同焦距长度（焦距>50mm）的长焦相机。

实际上，长焦镜头的真实成像模型更近似于依据不同的焦距在近似透视和近似正交投影之间变化。根据文献3(D. Scaramuzza, A. Martinelli, and R. Siegwart, “A flexible technique for accurate omnidirectional camera calibration and structure from motion,”Proceedings of IEEE International Conference on Computer Vision Systems, 2006.)的分析，镜头的成像都可以用泰勒展开的多项式模型近似。分析发现，这一特性同样适用于长焦镜头。因此，为了更好地适用于不同的长焦相机，我们采用了灵活性较强的多项式投影模型来描述投影过程。

发明内容

针对现有标定方法的不足，针对长焦相机的特点，本发明的目的在于提供一种多项式的投影模型，用于描述长焦相机的成相，而不拘泥于相机的其他参数。本发明采用的技术方案的步骤如下：

一种基于多项式投影模型的长焦相机标定方法，该方法包括以下步骤：

（1）使用长焦相机拍摄一组棋盘格标定板图像，图像个数记为m，其中标定板格子的尺寸已知。以标定板为世界坐标系的                                               平面，依据标定板建立世界坐标系，已知标定板上方向直线个数为，方向直线个数为。则标定板上所有角点的世界坐标系坐标为：

；

其中为图像的编号，为点的位置标号。

（2）在图像上标记标定板上所有角点位置，根据Harris角点提取方法在一定的搜索窗口范围内对所有的角点进行精确定位，得到对应像素坐标系下的点集坐标，标记为：。

（3）计算内参：通过分解世界坐标系下和像素坐标系下之间的单应性矩阵，可以得到焦距，图像中心的初始值。然后利用多项式投影模型将反投影到相机坐标下的单位球面上，得到对应的球面坐标：

利用三维空间直线投影在球面上为一个大圆的性质，对内参进行优化。

（4）计算外参：通过分解世界坐标系下和图像坐标系下点坐标之间的单应性矩阵，得到旋转矩阵和平移向量的初始估计值，其中为的列向量。利用球面上点的重投影误差对每幅图的旋转矩阵，平移向量进行优化；

（5）利用多幅图像中图像点的重投影误差，对内参和每幅图像的外参进行全局优化。