[发明专利]基于运动方靶标定物的工业定焦相机参数标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及相机标定技术领域，尤其是涉及一种基于运动方靶标定物的工业定焦相机参数标定方法。

背景技术

普通工业数字相机在图像获取方面有着很多优势，但由于它是非量测化相机，不能用普通数字摄影测量方法对其数字图像进行处理。普通工业数字相机在标定得到相机参数后可用于摄影测量，相机的标定主要是精确确定对应于相应成像模型的相机内部参数。

成像模型描述了空间坐标系中物体点与它在图像平面上的像点之间的对应关系，通常工业定焦相机可以使用针孔模型获得物体的三维坐标，针孔模型中使用的主要内部参数，即物体的投影放大倍数并不是精确已知的，必须事前进行标定。根据针孔模型的物理光路和等效光路图，如图1、图2所示，该放大系数等于物体的实际距离与相机坐标系中心到图像平面距离(简称像距id)之比。只要能够知道相机的像距id及物体在图像平面上的图像位置，就能根据投射投影原理，求出物体的在相机坐标系中的位置。

目前，工业数字相机参数的标定主要分为两种，一种是通过测量相机的外部参数，基于特定的实验条件，如形状、尺寸已知的标定物，利用一系列数学变换和计算方法，进而求得相机的内部参数(如：姜大志等，“数码相机标定方法研究”，南京航空航天大学学报，2001年2月)；另外一种是不依赖于标定参照物的摄像机标定方法，称为相机自标定方法，仅利用相机在运动过程中周围环境的图像与图像之间的对应关系对摄像机进行的标定。

对于第一种标定方法，虽然标定物的尺寸是精确的，但是相机相对于标定物的外部参数并不能精确测量，因此第一种方法需要采集多幅高质量的标定图像以优化内部参数的求解，该方法人工操作误差大，过程繁琐，只有在多次重复标定的情况下才能获得精确的结果。第二种方法没有外部参照物，运用起来非常灵活，但是图像处理技术并不成熟，且未知参数太多，很难得到精确稳定的计算结果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算快速简便、标定结果精度高的基于运动方靶标定物的工业定焦相机参数标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于运动方靶标定物的工业定焦相机参数标定方法，该方法通过方靶标定物进行相机参数标定，且方靶标定物上设有四个靶标点，四个靶标点的几何中心构成正方形，该方法具体包括以下步骤：

1)根据针孔模型等效光路图建立相机坐标系和成像平面坐标系；

2)相机采集靶标平移前后的图像，获得各图像中四个靶标点在成像平面的像素坐标，并记录靶标的平移距离；

3)根据步骤2)的像素坐标及平移距离迭代计算相机参数id；

4)根据相机参数id计算相机的外部参数。

所述的步骤1)具体为：

根据针孔模型的等效光路图，成像平面坐标系的坐标原点O是成像面的几何中心，X轴与成像面长边方向平行，Y轴与成像面短边方向平行；

相机坐标系的原点为针孔模型的投射投影原点O，X轴、Y轴分别与成像平面坐标系的方向平行，从投射投影中心到成像平面中心的方向为Z轴。

所述的相机采集靶标平移前后的图像具体为：

21)相机采集A位置处方靶标定物的图像，并获得四个靶标点在成像平面中的坐标值，记为a_i(x，y)，i＝0，1，2，3；

22)平移方靶标定物至B位置，记录平移距离T；

23)相机采集B位置处方靶标定物的图像，并获得四个靶标点在成像平面中的坐标值，记为b_i(x，y)，i＝0，1，2，3。

所述的迭代计算相机参数id具体为：

31)设定id的初始值、增量δ及范围[m，n]；

32)在成像平面坐标系中，根据id的值分别对a_i(x，y)和b_i(x，y)进行坐标调整：

321)固定a_i(x，y)的对角线中心，在Oa_i(x，y)射线上调整a_i(x，y)的空间坐标位置，直至四个点构成一个正方形，调整后的四个点的坐标记为a_i′(x，y)，调整时满足：在同一个对角线上的两个点始终在同一条直线上，四个点始终在同一个平面上；

根据投射投影原理的相似比关系，计算出方靶上四个点在相机坐标系中的空间坐标位置A_i(x，y，z)；