三维扫描系统中的多个摄像机同步快速标定方法

摘要

一种三维扫描系统中的多个摄像机同步快速标定方法，其实现步骤为：(1)设置正四棱台标定物，八个标定球位于四棱台的顶点，在上、下平面各设置两个基准标定球；(2)摄像机拍摄标定物，用双阈值分割方法分别获取上、下平面所对应的圆，提取圆心，得到图像中的圆心点与空间中标定球球心之间的三组对应关系，求解单应性矩阵获得内部参数矩阵、外部参数矩阵，并求取畸变系数，将已求解摄像机参数作为初始值，采用非线性优化方法求得单台摄像机参数的最优解；(3)依次求取多台摄像机与空间某一摄像机之间的外部参数矩阵，利用双目立体视觉的极线几何约束关系，建立优化目标函数，采用非线性优化方法求解两摄像机之间的外部参数矩阵的最优解。

主权项

1、一种三维扫描系统中的多个摄像机同步快速标定方法，其特征在于：第1步：用摄像机参数标定方法对多摄像机系统中的摄像机进行逐台参数标定，得到各台摄像机的内部参数、外部参数以及畸变系数，其中内部参数矩阵A_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，内部参数矩阵包括：光学中心、有效焦距、轴间不垂直因子，外部参数包括旋转参数矩阵R_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，以及平移参数矩阵T_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，所述单台摄像机参数标定方法的具体步骤为：第1.1步：设置立体标定物，该设置方法为：在空间设置八个标定球，以八个标定球球心为顶点在空间中组成一个正四棱台，四棱台的上平面中的四个标定球的颜色为白色，下平面中的四个标定球的颜色为灰黑色，选定四棱台的上平面中两个相邻标定球为上平面第一、第二基准标定球，上平面第一基准标定球的半径大于上平面第二基准标定球的半径，上平面第二基准标定球的半径大于上平面中的其余两个标定球的半径，与上平面相对应的下平面的四个标定球采用相同的设置方法，测得四棱台中六个表面中每两个相邻表面之间的角度信息，以及八条边上每两个相邻标定球球心之间的距离，第1.2步：将立体标定物置入多摄像机视场中，调整标定物的空间位置，使计算机图像中能被分割、提取出超过六个标定球所对应的圆形，每个摄像机获取一幅标定物的图像，对摄像机所拍摄到的图像进行数据处理，得到计算机图像中的圆形标志点与标定球之间的数据匹配关系，对图像进行数据处理方法为：建立以像素点为单位的计算机图像坐标系(u，v)，坐标系的原点位于图像的左下方，横、纵坐标轴分别为u轴和v轴，对图像进行滤波，以及阈值分割，阈值分割采用双阈值分割方法，获取一高阈值和一低阈值，用高阈值来分割图像获得标定物的上平面中四个球所对应的圆，通过边界提取、轮廓跟踪、圆边界拟合及中心提取，获得圆心点的精确位置以及圆半径的大小，半径最大的圆为上平面第一基准标定球在图像中的第一基准圆，其序号为1，半径次之的为第二基准圆，其序号为2，第一基准圆圆心点与其余三个圆心点连线组成三条直线，设第一基准圆心点与第二基准圆心点的连线为基准直线，比较基准直线与其余两条直线的夹角的大小，夹角较小的直线上的圆序号为3，夹角较大的直线上的圆序号为4，提取图像中灰度值介于低阈值与高阈值之间的部分，获得标定物的下平面中四个球所对应的圆，采用与高阈值分割时相同的处理方法，得到标定物下平面中的四个标定球所对应的圆的序号，第1.3步：在图像中选取三组圆心，每组由四个圆心组成，每组圆心所对应的标定球的球心在同一个平面上，三组圆心的选取方法为：第一组选取高阈值时分割出的图像中上平面标定球对应的四个圆，第二组和第三组的选取方法为：依据上、下平面中的标定球在图像中的圆心点的序号关系，在图像中下平面标定球所对应的圆中任意选择两个，在图像中上平面标定球所对应的四个圆中选择相同序号的两个，在三组圆心对应的标定物的三个平面上建立三个世界坐标系，选择上平面为基准平面，在基准平面上建立第一世界坐标系(O₁-X₁Y₁Z₁)，第一世界坐标系的原点O₁为上平面第一基准标定球的球心，上平面第一基准标定球球心与上平面第二基准标定球球心的连线方向为坐标系的O₁X₁轴，上平面第一基准标定球球心与上平面另外一个相邻标定球球心连线方向为坐标系的O₁Y₁轴，O₁Z₁轴垂直于标定物上平面且指向标定物外部方向，另外两个平面的世界坐标系的设置方法为：选择该平面上的一个标定球的球心为坐标系的原点，该平面上的过坐标系原点的一条边为坐标系的X轴，在该平面上的经过坐标系原点做与坐标系的X轴相互垂直的直线，为该坐标系的Y轴，Z轴垂直于标定物上该平面且指向标定物外部方向，所选取的标定物三个平面中的每一个平面上的四个标定球的球心点坐标对应着计算机图像中的四个圆形的圆心点坐标，从而建立三组对应关系，求解单应性矩阵，然后依据单应性矩阵求取单台摄像机内部参数矩阵A_i以及摄像机与第一世界坐标系之间的组成外部参数矩阵的旋转参数矩阵R_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，和平移参数矩阵T_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，并求取畸变系数，第1.4步：求取标定物上的八个标定球的球心在第一世界坐标系下的坐标，建立优化目标函数，对单台摄像机的内部参数矩阵、外部参数矩阵以及畸变系数进行优化，所述的优化目标函数为：其中c代表图像中圆形的数目，是第一世界坐标系下某球心点M_j通过摄像机成像模型在计算机图像上的投影点坐标，m_j为该标定球在计算机图像中所对应的圆的圆心坐标。待优化的参数包括：内参数矩阵A_i，畸变系数矩阵k_pi＝[k₁，k₂，p₁，p₂]^T，摄像机与第一世界坐标系之间的外部参数矩阵R_i，T_i，i为1、2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，采用非线性优化方法求解单个摄像机的精确的内参数、外参数以及畸变系数的最优解，第2步：多台摄像机坐标系的统一，选择多台摄像机中的第一台为基准摄像机，其余摄像机为一般摄像机，求取一般摄像机与基准摄像机之间的旋转参数矩阵R_1i，i为2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数；平移参数矩阵T_1i，i为2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，其实现的具体步骤为：第2.1步：获取空间中一般摄像机与基准摄像机之间的旋转参数矩阵R_1i和平移参数矩阵T_1i的初始值，$R_{1i}=R_1\times R_i^{-1},$T_1i＝T₁-R₁×T_i其中R₁、T₁为基准摄像机与标定物第一世界坐标系之间的旋转参数矩阵、平移参数矩阵；R_i、T_i，i为2、3、......n，n为多摄像机系统中的摄像机总数，为一般摄像机与标定物第一世界坐标系之间的旋转参数矩阵、平移参数矩阵，第2.2步：利用双目立体视觉极线几何约束关系，获得一般摄像机所拍摄的图像中的圆心点在基准摄像机图像中的极线，该极线理想情况下通过基准摄像机图像中的圆心点，这个圆心点与一般摄像机图像中的圆心点相对应，为空间中同一个标定球在不同摄像机中所成的圆形的圆心点，建立如下优化目标函数：$\underset{i=2}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{c}{\Sigma }}\left\{{\left|\right|v_{1\mathrm{ij}}-l_{1\mathrm{ij}}\left(u_{1\mathrm{ij}}\right)\left|\right|}^2\right\}$其中c代表图像中圆形的数目，n为多摄像机系统中的摄像机总数，u_1ij、v_1ij表示与第i台摄像机所成图像中的第j个圆相对应的基准摄像机所成图像中第j个圆的圆心点的横坐标和纵坐标，l_1ij表示与第i台摄像机图像中的第j个圆相对应的基准摄像机中的极线，l_1ij(u_1ij)表示极线l_1ij上对应于横坐标u_1ij的纵坐标，采用非线性优化方法，求解优化目标函数，获得一般摄像机与基准摄像机之间旋转、平移参数矩阵的最优参数解。