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        基于MATLAB對(duì)相機(jī)標(biāo)定的研究

        2016-01-01 00:00:00陳陸義
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年3期

        摘 要:相機(jī)標(biāo)定是對(duì)相機(jī)成像的逆過(guò)程求解,是建立二維圖像坐標(biāo)和三維世界坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,是機(jī)器視覺(jué)的重要組成部分。文章對(duì)針孔相機(jī)成像原理進(jìn)行分析,考慮相機(jī)成像過(guò)程的徑向畸變和偏心畸變。利用棋盤(pán)格標(biāo)定原理,基于MATLAB對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

        關(guān)鍵詞:相機(jī)標(biāo)定;MATLAB;二值化

        隨著科技的迅猛發(fā)展,機(jī)器視覺(jué)越來(lái)越多的被運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)。相機(jī)的標(biāo)定是機(jī)器視覺(jué)的重要組成部分,是對(duì)由三維世界坐標(biāo)到二維圖像坐標(biāo)的映射求解。并廣泛運(yùn)用于逆向工程、空間測(cè)距、圖像識(shí)別、3D電影、游戲等工程。

        相機(jī)的標(biāo)定方法分為兩大類(lèi),分別為傳統(tǒng)標(biāo)定方法和自標(biāo)定方法。傳統(tǒng)標(biāo)定方法利用標(biāo)定塊的角點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo),計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),這種標(biāo)定方法可以標(biāo)定任意相機(jī)模型,標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜但是結(jié)果精確。包括利用最優(yōu)化算法的標(biāo)定、考慮畸變補(bǔ)償?shù)膬刹椒?、張正友?biāo)定法。自標(biāo)定法是利用Krupp方程為相機(jī)建立絕對(duì)二次曲線曲面方程進(jìn)行求解。這種方法靈活性強(qiáng),但是魯棒性和標(biāo)定結(jié)果相對(duì)較差。

        1 相機(jī)的標(biāo)定原理

        對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定首先需要建立相機(jī)的成像模型,首先利用針孔模型對(duì)相機(jī)的成像原理進(jìn)行分析,然后考慮實(shí)際相機(jī)的畸變模型,利用張正友標(biāo)定方法求解。

        1.1 線性模型分析

        相機(jī)標(biāo)定的針孔模型是利用小孔成像的原理來(lái)描述相機(jī)的成像模型。針孔相機(jī)模型如下圖1。

        要描述針孔相機(jī)模型,需要介紹四種坐標(biāo)以及這四種的坐標(biāo)的相互關(guān)系。如圖1所示,世界坐標(biāo)系(OW-XWYWZW)表示世界的絕對(duì)坐標(biāo),能描述相機(jī)及其物理的空間位置。相機(jī)坐標(biāo)(OC-XCYCZC)以相機(jī)的光心為坐標(biāo)的原點(diǎn),光軸為ZC軸,而XC、YC軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的X,Y軸。圖像坐標(biāo)(o-xy)是以光軸與圖像平面的交點(diǎn)為原點(diǎn),描述的成像的平面坐標(biāo)。圖像像素坐標(biāo)(o-uv)是圖像的存儲(chǔ)坐標(biāo),以圖像左上端點(diǎn)為原點(diǎn),以像素為單位描述圖像其u、v軸分別平行于圖像坐標(biāo)的x、y軸。

        其中fx=f/dx,dx表示像素在x軸方向的物理尺寸,f為相機(jī)的焦距。A是相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣,表示針孔模型下相機(jī)坐標(biāo)到像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。點(diǎn)(u0,v0)為圖像的主點(diǎn)。R是旋轉(zhuǎn)矩陣,t是平移量,M為外部參數(shù)矩陣,表示由世界坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移到相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

        1.2 畸變模型分析

        1.2.1 徑向畸變模型

        2 圖像預(yù)處理

        采用張正友標(biāo)定板標(biāo)定相機(jī),為了較快速檢測(cè)棋盤(pán)格角點(diǎn),文章利用MATLAB對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。處理結(jié)果如圖2,取三張圖片展示,分別為原圖、銳化圖以及二值化圖。

        3 標(biāo)定結(jié)果及分析

        文章利用MATLAB的標(biāo)定工具標(biāo)定處理后的10張二值化圖像。通過(guò)對(duì)圖像讀取、角點(diǎn)提取、標(biāo)定幾個(gè)步驟完成,其標(biāo)定結(jié)果如表1,為相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。圖3為以相機(jī)坐標(biāo)為中心拍攝的標(biāo)定板的位置視圖。

        采用二值化棋盤(pán)圖像進(jìn)行標(biāo)定,相對(duì)原圖角點(diǎn)更加清晰,角點(diǎn)提取相對(duì)方便快捷。由畸變系數(shù)可以看出,相機(jī)的偏心畸變?cè)谝蟛桓叩膱?chǎng)合幾乎可以忽略不計(jì),而只考慮徑向畸變。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        MATLAB標(biāo)定工具利用張正友標(biāo)定原理標(biāo)定,操作界面簡(jiǎn)單易行,減少標(biāo)定時(shí)間,使相機(jī)標(biāo)定變得相對(duì)容易。文章基于MATLAB對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,利用MATLAB對(duì)拍攝的棋盤(pán)標(biāo)定板圖像進(jìn)行二值化處理,對(duì)處理后的圖像進(jìn)行標(biāo)定。

        參考文獻(xiàn)

        [1]舒娜.攝像機(jī)標(biāo)定方法的研究[D].南京理工大學(xué),2014.

        [2]杜冬梅,田昆鵬,姜磊,等.基于Matlab的攝像機(jī)標(biāo)定方法研究[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012(4):68-71.

        作者簡(jiǎn)介:陳陸義,男,漢族,湖南常德人,碩士,南華大學(xué),研究方向:智能信息處理與智能控制。

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