[发明专利]利用平面三角形求解摄像机的内参数

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平面三角形靶标。利用平面上任意一个三角形作为标定模板，通过求解三幅图像上世界坐标平面到图像平面的单应矩阵，利用单应矩阵对摄像机内参数的约束条件，来实现摄像机的线性自标定。

背景技术

计算机视觉的基本任务之一，就是从摄像机获得的二维图像信息出发恢复物体在三维空间中的几何信息，从而识别和重建三维空间中物体的几何形状。在此过程中必须确定空间物体点的三维几何位置与其图像中的对应点之间的相互关系，而这种关系又由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型的参数就是摄像机参数。在大多数条件下，这些参数都是通过实验得到的，这就是摄像机标定。它一般分为传统标定和自标定两种方法，无论哪种标定方法，标定物体都是采用一些特殊的几何模型，例如：平面正方形、三角形、圆、空间立方体、圆柱等等。如何建立这些几何模型与摄像机参数之间的关系尤其是某种线性的关系，是目前摄像机标定所追求的目标，也是目前计算机视觉领域研究的热点之一。

传统的摄像机标定方法虽然可以获得较高的精度，但是标定块制作困难，不便于操作。针对这一问题文献“A flexible new technique for camera calibration”, （Zhengyou　Zhang , IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 22, no. 11, pp. 1330-1334, 2000.）提出了用平面模板代替传统标定块的方法，这种方法简单方便，成本低，并且能获得较高的精度，但需要精确定位模板上点阵的物理坐标。文献“杨世梁，倪霞林.基于等边三角形的摄像机标定方法 [J]。计量与测量技术，2007,34（12）.”提出了用等边三角形作为标定模板，利用射影几何中的交比不变性，求出三组两两正交的直线的消失点的坐标，通过多幅图像即可线性求解出摄像机的内参数。该标定方法操作简单，稳定性好，适用广泛。文献“王奇志，王东生，徐德.利用三角形及其九点圆的摄像机标定[J].数学的实践与认识，42（11），2012.”提出利用三角形作为标定模板，利用三角形九点圆中其九个点的特殊性，来对摄像机进行标定。该标定方法避免了参数之间非线性方程求解，降低了参数之间求解的复杂性。

三角形是平面上一种简单的几何模型，利用任意平面三角形作为标定模板，结合单应矩阵的理论来进行摄像机标定的方法逐渐被推广。文献“孙凤梅，胡占义. 平面单应矩阵对摄像机内参数约束的一些性质”（计算机辅助设计与图形学学报，vol. 19, no. 5, 2007.）提出给定一个一般空间平面与图像平面之间的单应矩阵，如果空间平面在世界坐标系的已知，则单应矩阵可以提供关于摄像机内参数的2个约束条件，利用多幅图像即可线性求解出摄像机的内参数。文献“Flexible Camera Calibration By Viewing a Plane From Unknown Orientations”, (Zhengyou Zhang, Computer Vision, The Proceedings of the Seventh IEEE International Conference on 20-27 Sept. 1999.)中提出单应矩阵对内参数的两个约束条件，从而可以线性求解出摄像机的内参数。

发明内容

本发明提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的用于求解摄像机内参数的靶标，该靶标是平面上任意的三角形。在求解摄像机内参数的过程中，只需摄像机从不同方位拍摄3幅图像就可以线性求解出5个摄像机内参数。

本发明采用如下技术方案：

本发明利用平面上任意的三角形作为标定模板实现摄像机的线性自标定。具体的步骤包括：在模板三角形上找到5个点，分别为三角形的三个顶点，某个边的垂足及垂线的中点，及垂足所在的边中垂足到任一顶点的中点，计算出这5个点的像点，从而可以计算出坐标平面到图像平面的单应矩阵,每个单应矩阵可以提供关于摄像机内参数的2个约束条件。然后，根据三幅图像上单应矩阵对内参数的约束条件线性求解摄像机的内参数。

（1）  求解单应矩阵