相机可调节标定系统技术方案

本发明专利技术公开了相机自动标定系统，在机器人视觉导航、视觉SLAM、人脸识别等领域有很大应用意义。此系统由硬件和算法组成，硬件上，有两块可调节高度的上下平行的玻璃板组成，上层玻璃板中间位置有一张棋盘格标定图。算法上，基于张正友标定算法做相机模型参数标定。经试验结果表明，该系统可实现快速准确的对多场景多视角相机进行标定。

【技术实现步骤摘要】
相机可调节标定系统
本专利技术为相机可调节标定系统，在机器人视觉导航、视觉SLAM、人脸识别等领域有很大应用意义。
技术介绍
近年来，随着人工智能火热迅猛地发展，机器人再一次受到前所未有的关注，具有视觉传感器的机器人是使机器成为机器人的重要标志。除了表象之外，机器人视觉研究还具有更深层次，更具有重要性的意义。机器人视觉技术属于人工智能的一个分支，是一门通过图像或视频的处理，使计算机具备“看”的能力的学科。借由获取到的图像几何信息以及由红外，辐射线或者其他方法进行的测定，由数据采集器的机器人视觉研究可以使机器对外界有感知，从而可以对外界环境建立模型，这是机器人在一个环境中最重要的功能，从而才能实现接下来的路径规划等功能。感知的进一步，则是认知。机器人可以通过视觉对外界环境物体进行认知，实现人脸识别，物体识别等功能。可以说，机器人视觉的研究在机器人研究中尤为重要。而相机的快速准确的标定是实现视觉研究的第一步。相机标定是三维场景重构中必不可少的步骤，目的是提取出二维图像中包含的计量信息。相机标定假设相机是小孔成像模型，一般使用桶形畸变和枕形畸变两种畸变来模拟镜片的物理畸变。每一次相机标定可以得到物理相机模型的近似。之前的相机标定一般为传统的摄影测量标定方法和自标定方法标定。张正友标定方法介于传统的摄影测量标定方法和自标定方法之间；避免了传统方法设备要求高，操作繁琐等缺点，又较自标定方法精度高，相较于其他方法更便捷和稳定，因此张氏标定法被广泛应用于机器人视觉方面。张氏标定法主要分为以下三个方面：模型：即如何由光学成像公式和坐标变换方法建立摄像机的参数矩阵。算法：即如何对参数矩阵进行计算。优化：即如何计算畸变，以及如何对参数进行优化。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在基于张正友标定法的基础上结合硬件装备方便快速的对相机进行标定。此系统由硬件和算法组成，硬件上，有两块可调节高度的上下平行的玻璃板组成，上层玻璃板中间位置有一张九宫格标定图。算法上，基于张正友标定算法做相机模型参数标定。该系统可实现快速准确的对相机进行标定。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为相机可调节标定系统，本标定系统包括上玻璃板，下玻璃板，四根长螺丝柱，螺丝，标定纸。首先把标定纸均匀贴在上玻璃板中间位置；其次把上下玻璃板四边对应打螺纹孔，用四根长螺丝柱把下玻璃板固定，螺丝加固；最后把上玻璃板插入长螺柱中，有标定纸的朝下，调整好高度之后用螺丝固定。如果要调整高度，只需把螺丝拧松，调整上玻璃板既可满足。若只需要标定板，则可把上玻璃板调节成最大高度取出即可。这套物理系统适用于各种标定场所，双层标定可以很方便的为扫地机等固定式相机做标定，手持式相机则可以直接把上层标定板取下来作为一个单独标定板使用。双层标定：扫地机器人类标定，把扫地机器人放在下玻璃板，让上玻璃板的标定纸可以在扫地机的相机视野中，启动扫地机器人，让其以一定速度在下玻璃板中通过，拍摄数张图片，选取部分质量比较好图片，利用标定算法即可得到相机的内参。独立标定：把上玻璃板取出固定，手持式相机以不同的角度，距离拍摄数张图片，选取部分质量比较好图片，利用标定算法即可得到相机的内参。相机可调节标定系统分为两部分，第一部分为物理结构部分(仿真多视图见图1)，物理结构组成为：此物理结构分为两层，上下两层均为厚玻璃板。上层玻璃板中间位置均匀的贴有标准规格的标定纸，两层玻璃板四个角打有螺丝孔，用长螺丝钉把两个玻璃板连接在一块，螺丝固定。下层玻璃板固定，上层玻璃板可以调节，实现高度可以调节的物理标定系统，仅需要调节上层玻璃板的上下位置就调节物理标定系统的高度，从而适应各种不同FOV的相机，把上层玻璃板取下来作为一个单独的标定板使用。在每一次调节完上层玻璃板的高度时需要微调从而保持上层玻璃板和下层玻璃板平行。第二部分为算法部分，根据图2摄像机模型，设三维世界坐标的点为X＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式[X,Y,Z,1]。u,v为三维世界坐标点X在图像中的投影像素坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式[u,v,1]，所以标定棋盘格平面到图像平面的单应性关系为：sm＝K[R,t]X可以得到棋盘格中的世界坐标点X经过相机投影后在图像坐标的像素坐标m。其中s为尺度因子，K为摄像机内参数，R为旋转矩阵，t为平移向量。R为3*3矩阵，t为3*1矩阵，[R,t]为3*4矩阵，乘以X的4*1矩阵得到3*1的矩阵。m也是3*1矩阵，所以换算成齐次坐标的第二个目的是统一成相同的数据格式。R为3*3矩阵为方便计算可以写成[r1,r2,r3]，r1、r2、r3都为3*1矩阵。对于齐次坐标而言，s不会改变齐次坐标值。张氏标定法中，假设世界坐标系在棋盘格平面上，所以Z＝0，得把K[r1r2t]叫做单应性矩阵H，H是一个齐次矩阵，第九个元素为1，设H为[h1h2h3]。H有8个未知数，所以至少需要四个对应点，就可以算出世界平面到图像平面的单应性矩阵H。[X,Y,1]T为模板平面上点的齐次坐标，[uv1]T为模板平面上点投影到图象平面上对应点的齐次坐标，[r1r2r3]和t分别是摄像机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量。根据旋转矩阵的性质r1Tr2＝0和||r1||＝||r2||＝1，对于每副图像，得到约束条件：根据矩阵知识，当所取图像数目大于等于3时含有5个未知的内参数的矩阵K可以被唯一求解。解出内参矩阵的K之后，根据内外参的对应关系可以解出外参R、t。参数优化：当初始参数已经解出后，每张图像的控制点根据求解的参数还原回出三维世界坐标，再通过建立非线性最小化模型优化解得值与真实值的差异，也即：利用这个模型结合LM优化算法，就可以得到最优化的参数。畸变处理：相机都会存在一定程度的径向畸，所以还需去畸变设(u,v)为理想的像素坐标，为实际的像素坐标。对应地，(x,y)和为理想和实际的图像坐标。于是有：其中k1与k2为径向畸变系数。对于中心点畸变同样适用。然后由我们得到下式：已知n副图的m个点，通过最小二乘法求解这个线性方程组的解。一旦k1、k2得到后，就可以利用上式替代通过处理式极大似然公式中的来优化其他参数。通过反复替换这两个过程，直到满意为止。除此之外，求解出的畸变系数还可以通过极大似然估计来优化，其公式为：以上为对相机可调节标定系统软硬件的描述。实施效果根据专利技术的相机可调节标定系统，针对使用的场景不一样，我们有两套操作流程可以选择。对相机固定在机器人之上如视觉扫地机，采用：(1)调节上层玻璃板高度；(2)扫地机等视觉机器人在下层玻璃板上边行驶边采集标定板图像；(3)检测图像特征点；(4)估计相机内外参；(5)极大似然估计优化参数；对手持式相机，采用：(1)设定标定板；(2)旋转相机，采集多张不同角度的平面板图像；(3)检测图像特征点；(4)估计相机内外参；(5)极大似然估计优化参数；针对于这两种情况分别做了多组实验，标定好相机得到相机参数之后，在开源ORB-SLAM2运行，定位建图效果很好，实验结果如下。实验结果表明，相机可调节标定系统既可以保证相机的标定精度和稳定性，又可以很方便快捷的标定好相机，节省了大量的人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.相机可调节标定系统，本标定系统包括上玻璃板，下玻璃板，四根长螺丝柱，螺丝，标定纸；首先把标定纸均匀贴在上玻璃板中间位置；其次把上下玻璃板四边对应打螺纹孔，用四根长螺丝柱把下玻璃板固定，螺丝加固；最后把上玻璃板插入长螺柱中，有标定纸的朝下，调整好高度之后用螺丝固定；如果要调整高度，只需把螺丝拧松，调整上玻璃板既可满足；若只需要标定板，则把上玻璃板调节成最大高度取出即可；相机可调节标定系统分为两部分，第一部分为物理结构部分，物理结构组成为：此物理结构分为两层，上下两层均为厚玻璃板；上层玻璃板中间位置均匀的贴有标准规格的标定纸，两层玻璃板四个角打有螺丝孔，用长螺丝钉把两个玻璃板连接在一块，螺丝固定；下层玻璃板固定，上层玻璃板调节，实现高度调节的物理标定系统，仅需要调节上层玻璃板的上下位置就调节物理标定系统的高度，从而适应各种不同FOV的相机，把上层玻璃板取下来作为一个单独的标定板使用；在每一次调节完上层玻璃板的高度时需要微调从而保持上层玻璃板和下层玻璃板平行；第二部分为算法部分，根据摄像机模型，设三维世界坐标的点为X＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式；为三维世界坐标点X在图像中的投影像素坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式[u,v,1]，所以标定棋盘格平面到图像平面的单应性关系为：sm＝K[R,t]X得到棋盘格中的世界坐标点X经过相机投影后在图像坐标的像素坐标m；其中s为尺度因子，K为摄像机内参数，R为旋转矩阵，t为平移向量；R为3*3矩阵，t为3*1矩阵，[R,t]为3*4矩阵，乘以X的4*1矩阵得到3*1的矩阵；m也是3*1矩阵，所以换算成齐次坐标的第二个目的是统一成相同的数据格式；R为3*3矩阵为方便计算可以写成[r1,r2,r3]，r1、r2、r3都为3*1矩阵；对于齐次坐标而言，s不会改变齐次坐标值；张氏标定法中，假设世界坐标系在棋盘格平面上，所以Z＝0，得...

【技术特征摘要】
1.相机可调节标定系统，本标定系统包括上玻璃板，下玻璃板，四根长螺丝柱，螺丝，标定纸；首先把标定纸均匀贴在上玻璃板中间位置；其次把上下玻璃板四边对应打螺纹孔，用四根长螺丝柱把下玻璃板固定，螺丝加固；最后把上玻璃板插入长螺柱中，有标定纸的朝下，调整好高度之后用螺丝固定；如果要调整高度，只需把螺丝拧松，调整上玻璃板既可满足；若只需要标定板，则把上玻璃板调节成最大高度取出即可；相机可调节标定系统分为两部分，第一部分为物理结构部分，物理结构组成为：此物理结构分为两层，上下两层均为厚玻璃板；上层玻璃板中间位置均匀的贴有标准规格的标定纸，两层玻璃板四个角打有螺丝孔，用长螺丝钉把两个玻璃板连接在一块，螺丝固定；下层玻璃板固定，上层玻璃板调节，实现高度调节的物理标定系统，仅需要调节上层玻璃板的上下位置就调节物理标定系统的高度，从而适应各种不同FOV的相机，把上层玻璃板取下来作为一个单独的标定板使用；在每一次调节完上层玻璃板的高度时需要微调从而保持上层玻璃板和下层玻璃板平行；第二部分为算法部分，根据摄像机模型，设三维世界坐标的点为X＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式；为三维世界坐标点X在图像中的投影像素坐标，为方便计算，写成齐次坐标的形式[u,v,1]，所以标定棋盘格平面到图像平面的单应性关系为：sm＝K[R,t]X得到棋盘格中的世界坐标点X经过相机投影后在图像坐标的像素坐标m；其中s为尺度因子，K为摄像机内参数，R为旋转矩阵，t为平移向量；R为3*3矩阵，t为3*1矩阵，[R,t]为3*4矩阵，乘以X的4*1矩阵得到3*1的矩阵；m也是3*1矩阵，所以换算成...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮晓钢，董鹏飞，黄静，朱晓庆，肖尧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11