基于共线向量的非量测镜头畸变校正

针对传统摄像机标定算法中摄像机内外参数与镜头畸变之间存在耦合,提出了一种将镜头畸变从摄像机参数中分离出来单独求解的算法。算法基于"三维空间中的直线经过遵循透视模型的相机投影,在相机平面上仍是直线"这一基本属性。对于无畸变图像,直线上任意两特征点构成的共线向量外积应为零向量。利用非线性优化方法求解畸变参数,讨论了畸变中心与畸变系数之间的耦合性。设计了一种畸变校正效果评估方法,证明了结果的正确性。完成畸变校正后,摄像机的内外参数可线性求解。实验表明,该方法仅需一张图片即可完成所有摄像机参数的求解,提高了标定效率,且稳定度高,精度与传统标定方法相当。     

基于直线的射影不变性和极线约束标定摄像机参数

提出一种用图像对标定摄像机参数的新方法。传统自标定方法需要先由图像特征计算基础矩阵，该方法则是从图像中提取一组未知长度和长度比的平行直线，以图像中心坐标为主点初值，利用直线的射影不变性先求得摄像机焦距、旋转矩阵和平移向量的初值；再由图像对固有的极线约束来优化摄像机的参数，从而得到高精度的主点、焦距、旋转矩阵和平移向量。使用该方法对图像目标进行三维重建，仿真实验表明：该方法对场景要求较少，原理简单，方法易行，标定摄像机参数精度较高。     

摄像机的一种主动视觉标定方法

提出了一种快速高精度的摄像机主动视觉标定方法,建立了摄像机模型并详细分析了其各项参数的求解算法。标定时,令摄像机作一组二维的平移运动,采集圆孔靶标件的图像并计算圆心的像点坐标,同时记录摄像机的移动距离,得到标定所需的特征点。利用这些特征点计算摄像机标定参数,标定精度可达到0.005 mm。利用该方法定制的标定模块实现了摄像机的自动标定。该方法对摄像机运动的限制条件较少,并基本实现了摄像机模型参数的线性求解,为主动视觉系统的摄像机标定提供了一种有效的解决方案。     

利用立体目标空间性质的CCD标定方法的研究

提出了一种同时标定四台摄像机的内部和外部参数的新的标定方法。该方法利用空间平行直线的性质来确定摄像机的旋转矩阵,同时又根据直线间的距离来确定摄像机的平移矩阵,实现了快速而且稳定的标定。实验表明,该方法的精度达到了Tsai的标定方法精度。     

基于消隐点几何特性的摄像机自标定方法

基于正交的两组平行直线形成的消隐点的几何特性,提出了一种摄像机内外参数的自标定方法。该方法利用连接光心与消隐点向量的正交性质,建立关于相机内参数的约束方程,并给出了约束方程的线性解法;针对现有自标定方法未能标定畸变系数的现状,提出了一种考虑畸变的非线性最优化算法,该算法以线性求解得到的内参数为初值,利用非线性单纯型法寻优标定畸变;建立消隐点坐标系,给出了摄像机外参数的求解算法。所给出的自标定方法不需要知道空间点的精确坐标,具有易于实现、精度高和稳健性好的优点。     

基于消失点约束的多相机标定方法

针对多摄像机一维标定算法精度低、抗噪性和稳定性差等问题,提出了基于消失点之间互相约束的多摄像机标定方法.为了避免径向畸变对成像造成的影响,利用欧式空间位置约束的几何特性,进行畸变参数的求取.通过靶标特征点约束结合摄像机的射影不变性排除杂点的干扰,再利用空间消失点之间夹角一致性,以及靶标特征点所构成的直线和消失点的反向射线平行性来求解摄像机的参数.当一维靶标任意运动时,存在着无法区分靶标特征点对应的成像点临界问题,采取反推理论数学分析法可事先避免该问题的出现.通过构建多摄像机系统进行标定实验,可以看出该方法具有较高的标定精度,且随着噪声的增加,标定结果具有一定的抗噪性和稳定性;由相对误差值可知,该方法可应用于多摄像机系统.     

晃动平台上对空拍摄大视场摄像机的标定方法

针对晃动平台对空拍摄大视场摄像机难以标定的情况,提出了利用无人机(UAV)作为动态控制点来现场标定摄像机参数的方法。该方法控制无人机在摄像机视场内飞行,并用与晃动平台固联的无人机定位测量系统对无人机位置进行测量,从而整个飞行过程中的无人机位置均可当作控制点对摄像机进行标定。实验中控制点数目充足,易满足控制点在空间和在图像上均匀散布的要求,可以准确求解摄像机内外参数。突破了无法在视场中布设传统像机标定方法所需控制点,使晃动平台上大视场摄像测量无法现场采集参考图像进行高精度标定的局限。对实验条件要求低,最少只需要晃动平台基准坐标系下2个基准点和方位像机光心位置即可标定摄像机内外参数。该方法已成功应用于系泊状态下船舶中摄像机参数的标定。     

基于合作目标姿态测量的新型摄像机校准方法

针对在姿态测量中摄像机成像的复杂畸变问题,提出了一种新型的摄像机校准方法。该方法不需要高精度的标定参照物,只需要利用标定靶标间的相互约束关系建立摄像机内参数与靶标特征的约束方程,从而线性求解摄像机内参数。通过非线性优化方法优化摄像机内参数,完成摄像机的标定。仿真和实验结果表明,所提出的算法对图像噪声不敏感。测量精度和可靠性都得到有效的改善,精度可达0.03pixel,说明该算法在合作目标的姿态测量中具有方法易于实现、测量精度高、可靠的优点。     

基于位姿约束的大视场双目视觉标定算法

为了提高大视场、远距离的双目摄像机标定精度,提出一种基于位姿约束的摄像机标定算法。该方法利用双目摄像机之间的三维位姿关系是刚体变换这一属性,标定出左、右摄像机相对位姿的外部参数。利用相对位姿为约束条件求取摄像机的初始内部参数,剔除较大的重投影误差值对应的标定图像组,重复迭代直至重投影误差平均值小于指定值,得到多个待优化的摄像机内部参数。再将最后标定图像组的角点坐标、待优化的摄像机内部参数和相应的外部参数,建立一个以角点三维重构坐标值与实际设定角点三维坐标值的模均值为最小的目标函数,求解出双目摄像机标定参数的最优解。该方法很好地解决了误差大的标定图像造成的影响,且充分利用了双目摄像机之间的位姿约束关系。通过仿真和标定实验可以看出,本文方法可以实现大视场双目摄像机的高精度标定。     

机载摄像机快速标定技术研究

针对飞行试验机载摄像机的标定,提出了一种基于光束法平差的高精度像机标定方法。首先,通过在测试目标周围放置带有编码标志点的标定板,拍摄其多种状态,经图像处理,获取标志点的编码以及中心坐标。然后通过相对定向、绝对定向、三维重建、捆绑调整,以及加入标志点之间的距离约束,得到数字摄像机内外方位元素和镜头畸变差参数,实现机载摄像机快速标定。实验结果表明：该标定方法不需要做高精度的现场控制点,重投影误差小于1cm,标定精度满足飞行试验测试要求。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

中心折反射全方位摄像头的标定方法研究

提出一种适用于不同类型中心折反射全方位摄像头的标定方法。该方法不需标定模板的运动信息或限定全方位摄像头的类型,而只用通过摄像头观测分布在不同位置的标定模板,对所采集的标定模板图像提取角点,将包含内外部参数的非线性图像投影函数用泰勒级数展开表示,应用Levenberg-Marquardt算法计算摄像头外部参数,而通过对超定方程组的伪逆求解计算内部参数。整个标定过程简单,快速而且自动完成。利用某一中心折反射全方位摄像头对提出的方法进行了实验,实验结果表明,该方法可获得很好的标定效果。     

基于两个正交一维物体的单幅图像相机标定

提出了一种利用两个正交一维物体构成"T"型靶标进行摄像机标定的新方法。该方法只需对"T"型靶标上已知坐标的5点投影一幅图像,然后根据柔性靶标原理计算出由虚点和标记点组成的共直线的4点,由射影变换同素性、接合性以及交比不变性标定出镜头的一阶径向畸变参数。利用已知畸变参数对图像进行畸变校正,然后由基于两个正交一维物体坐标变换的方法即可标定出相机的内外参数。该方法线性求解镜头畸变参数,避免了传统方法非线性迭代优化过程中产生的参数耦合现象。实验表明,不进行镜头畸变校正则相机标定精度随着图像噪声的增加呈不稳定状态;进行畸变校正后对简单标定计算的初始值进行优化得到稳定的高精度标定结果。整个实验设备简单,操作方便,只需一幅图像即可实现镜头畸变和相机内外参数的标定,可以达到实时的效果。     

面向大视场视觉测量的摄像机标定技术

提出了一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定新方法,该方法采用亮度自适应的单个红外发光二极管(IR-LED)作为目标靶点,将该靶点固定在三坐标测量机的测头上,并依次精确移动至预先设定的空间位置,每次靶点到达设定的空间位置时,摄像机对靶点进行图像采集。利用三坐标测量机的精确位移,在三维空间构成一个虚拟立体靶标。针对虚拟立体靶标在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题,通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄,使得多个虚拟立体靶标分布于整个标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都标定出一组摄像机的内、外参数,然后以摄像机内参数和摄像机在各个方位下拍摄的虚拟立体靶标在摄像机坐标系下的位置及姿态参数为优化变量,建立以所有三维靶点位置重投影误差平方和为最小的目标函数,采用非线性优化方法求解摄像机标定参数的最优解。该方法较好地解决了大视场视觉测量中大尺寸靶标加工困难、摄像机标定精度难以保证的问题。仿真和实际标定实验均证明此方法可以有效提高大视场摄像机的标定精度。     

Line-scan CCD camera calibration in 2D coordinate measurement

We present a line-scan camera calibration method in a plane not perpendicular to but parallel to the optical axis, without requiring the camera motion or a complex calibration pattern. A random 2D reference coordinate system in the calibration plane can be used, images of a rod perpendicular to the calibration plane at known coordinates are captured by the camera, the relation between the given coordinates and the rod image centroid position are analyzed based on a reduced pinhole model and image processing, and then the camera parameters and distortion factors are all estimated. These distortion factors build a sample relation only between the image position in theory and in practice, and they do not change with object position. Two wide-angle line-scan cameras that are used in a 2D-coordinate measurement system are calibrated by this method; the application results illustrate the effectiveness and convenience of this method.     

A camera calibration method for large field optical measurement

A camera calibration method is presented for large field optical measurement, where the camera is close to the ground and the control points can only be located close to the ground, too. In such conditions, the camera's optical center and the control points are approximately coplanar. Only a single image of these control points captured by the camera in measurement state is used in the method. Neither to distribute the control points in space rationally nor to calibrate the camera's intrinsic parameters in laboratory in advance is needed. By the presented method, the camera's principal point position, focal length, radial and transverse tangency lens distortion coefficients, and the camera's position and attitude parameters can be estimated precisely. Then the calibration results can be used for precise large field optical measurement in the conditions that the camera's longitudinal tangency lens distortion can be neglected or the objects’ movement field is close to the ground, which is usually factual in practical applications. The presented camera calibration method has been successfully used in applications, such as automatic landing of UAV (Unmanned Aerial Vehicle) based on optical measurement guidance, to calibrate the cameras precisely.     

目标跟踪与定位中的视觉标定算法研究

目标跟踪与定位中的一个重要步骤就是摄像机标定，其目的是估计摄像机的外部和内部参数。在严格的几何约束关系之上建立准确的数学模型，提出一种快速得到摄像机中心的方法，然后通过合理的求解次序获得其他摄像机参数，保证了标定参数的精度。利用计算出来的标定参数校正失真图像中的各个像素位置以重新得到像素间原来的空间关系，从而产生精确的不失真图像，并且利用摄像机标定参数对标定模板上的点进行位置计算后，再和实际位置比较进行检验。图像的校正效果实验以及精度验算的结果表明：提出的算法得到了准确可靠的标定参数，和其他算法相比有效提高了精度，能够满足运动跟踪时目标特征位置估计的精度要求。     

基于交比不变性的投影仪标定

提出了一种新的投影仪标定方法以提高数字光栅投影三维测量中投影仪标定的准确性。该方法结合二次投影技术和交比不变性进行投影仪标定。采用二次投影技术解决投射图案与标定板图案互相干扰的问题;采用交比不变性以避免引入相机的标定误差。接着进行了对比实验,以验证所提方法的有效性。选取需要相机参数的传统投影仪标定方法以及根据全局单应性的投影仪标定方法作为对比方法。结果显示,本方法的反投影误差标准差分别从(0.2275,0.2264)像素和(0.1397,0.0997)像素降低到(0.0645,0.0601)像素,反投影误差的最大值分别从1.222像素和0.5617像素降低到0.2421像素。另外,该方法还可同时标定相机,从而获得整个三维测量系统的参数。本文提出的方法可以避免相机标定参数的误差传递,提高投影仪的标定精度。     

基于无穷单应的大视场摄像机标定方法

在大视场摄像机标定中,常常会出现由于场景过于单一而很难达到自标定所需要的场景约束和运动约束条件、立体标定所需要的强立体条件或者平面靶板标定所需要的绝对共面条件,如指向高空区域的摄像机标定任务就很难满足上述要求,因而大视场摄像机标定需要较为弹性的标定算法。提出一种基于无穷单应的大视场摄像机标定方法,该方法最少只需要4个非共线控制点和摄像机粗略的位置即可求解无穷单应,并且提出一种坐标变换方法以保证线性求解和优化无穷单应时的稳定性。从无穷单应中分解得到摄像机参数初始值,通过Levenberg-Marquardt(LM)优化算法最终实现摄像机的标定。在优化过程中,通过假设图像中心为主点和采用一阶径向畸变模型,相对增加了优化过程中的剩余自由度,能够实现4个像点为观测值的参数优化。相比于强立体或共面的条件,此方法所需条件很容易满足。仿真和实际实验验证了此方法的正确性和高精度,以及重复测量实验的灵活易实施。     

近景大视场角分区域标定方法研究

针对飞行试验测量视场大相机标定精度低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先通过将标靶均匀布置在摄像机视场内,使得标靶尽可能均匀错落地充满整个视场范围,再结合人眼判读的方式求解靶标的像面位置,最终与全站仪三维坐标形成精确的空间标定点集。接着,将像平面按横向方向等间距分割成Ｎ个区域,并结合后方交会的方法分别对每个子区域进行相机参数的计算。实验结果表明：经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了4％(Ｎ＝3)。算法可实现指定区域的相机参数计算,基本满足中高等精度的工业测量要求。所本文研究可应用于位置相对固定不变的工业视觉测量,特别是大工件测量领域。